Глобальний ландшафт досліджень у галузі зберігання енергії: інновації, застосування та майбутні тенденції

Зберігання енергії стрімко стає критично важливим фактором сталого енергетичного майбутнього. Оскільки світ переходить до відновлюваних джерел енергії, таких як сонячна та вітрова, переривчастий характер цих ресурсів вимагає надійних рішень для зберігання енергії, щоб забезпечити стабільне та надійне електропостачання. Цей допис у блозі заглиблюється у глобальний ландшафт досліджень у галузі зберігання енергії, розглядаючи різноманітні технології, поточні ініціативи, реальні застосування та захоплюючі майбутні напрямки цієї життєво важливої сфери.

Чому зберігання енергії важливе: глобальна перспектива

Інтеграція відновлюваних джерел енергії в глобальний енергетичний баланс є надзвичайно важливою для пом'якшення наслідків зміни клімату та забезпечення енергетичної безпеки. Однак мінливість виробництва відновлюваної енергії становить значну проблему. Системи зберігання енергії (ESS) вирішують цю проблему шляхом:

• Балансування попиту та пропозиції: Зберігання надлишкової енергії, виробленої в періоди високої генерації (наприклад, сонячні дні для сонячної енергії), і вивільнення її, коли попит перевищує пропозицію (наприклад, у вечірні пікові години).
• Підвищення стабільності мережі: Надання допоміжних послуг, таких як регулювання частоти та підтримка напруги, що є вирішальним для підтримки стабільної та надійної електромережі.
• Створення умов для мікромереж та автономних рішень: Спрощення доступу до чистої енергії у віддалених районах та громадах з недостатнім рівнем обслуговування, сприяючи енергетичній незалежності та стійкості.
• Підтримка впровадження електромобілів (EV): Забезпечення ємності для зберігання енергії, необхідної для широкого розповсюдження електромобілів, що зменшує залежність від викопного палива в транспортному секторі.

Ці переваги стимулюють значні інвестиції та дослідницькі зусилля по всьому світу, спрямовані на розробку більш ефективних, економічних та сталих технологій зберігання енергії.

Різноманітний портфель технологій зберігання енергії

Ландшафт зберігання енергії охоплює широкий спектр технологій, кожна з яких має свої сильні та слабкі сторони, що робить їх придатними для різних застосувань. Ось огляд деяких ключових технологій:

1. Електрохімічне зберігання енергії: акумулятори

Акумулятори є найбільш відомою та широко розповсюдженою технологією зберігання енергії. Вони перетворюють хімічну енергію в електричну за допомогою електрохімічних реакцій.

а. Літій-іонні акумулятори (LIB)

LIB домінують на ринках портативної електроніки та електромобілів завдяки своїй високій енергетичній щільності, тривалому терміну служби та відносно високій потужності. Поточні дослідження зосереджені на:

• Покращенні енергетичної щільності та терміну служби: Вивчення нових матеріалів для електродів та складів електролітів для підвищення продуктивності. Наприклад, дослідники в Японії працюють над кремнієвими анодними матеріалами для значного збільшення енергетичної щільності.
• Підвищенні безпеки: Вирішення проблем безпеки, пов'язаних з термічним розгоном, шляхом розробки безпечніших електролітів та конструкцій елементів. Твердотільні електроліти є перспективним напрямком для підвищення безпеки.
• Зниженні вартості: Вивчення альтернативних катодних матеріалів, таких як літій-залізо-фосфат (LFP) та натрій-іонні акумулятори, для зменшення залежності від дорогих та рідкісних матеріалів, таких як кобальт та нікель.
• Розробці можливостей швидкої зарядки: Зосередження на матеріалах та конструкціях елементів, які можуть забезпечити швидку зарядку, що є вирішальним для впровадження електромобілів. Такі компанії, як Tesla, постійно впроваджують інновації в цій галузі.

б. Твердотільні акумулятори (SSB)

SSB замінюють рідкий електроліт в LIB на твердий, пропонуючи потенційні переваги з точки зору безпеки, енергетичної щільності та терміну служби. Дослідницькі зусилля зосереджені на:

• Розробці твердих електролітів з високою іонною провідністю: Пошук матеріалів з високою іонною провідністю при кімнатній температурі для забезпечення ефективного транспортування іонів. Досліджуються різні матеріали, включаючи кераміку, полімери та композити.
• Покращенні міжфазного контакту: Забезпечення хорошого контакту між твердим електролітом та електродами для мінімізації опору. Це є головним викликом у розробці SSB.
• Масштабуванні виробництва: Розробка масштабованих та економічно ефективних виробничих процесів для виробництва SSB. Такі компанії, як QuantumScape та Solid Power, є лідерами в розробці SSB.

в. Проточні акумулятори

Проточні акумулятори зберігають енергію в рідких електролітах, що містяться в зовнішніх резервуарах. Вони пропонують переваги з точки зору масштабованості, тривалого терміну служби та незалежного контролю ємності енергії та потужності. Дослідження зосереджені на:

• Покращенні енергетичної щільності: Розробка електролітів з вищою енергетичною щільністю для зменшення розміру та вартості систем проточних акумуляторів.
• Зниженні вартості: Вивчення дешевших та більш поширених матеріалів для електролітів.
• Підвищенні ефективності: Оптимізація конструкції елемента та складу електроліту для покращення ефективності повного циклу.
• Розробці нових хімічних складів електролітів: Дослідження неводних та органічних електролітів для покращення продуктивності та стійкості.

Проточні акумулятори особливо добре підходять для застосувань у мережевих системах зберігання енергії. Такі компанії, як VanadiumCorp та Primus Power, активно займаються розробкою та впровадженням проточних акумуляторів.

г. Натрій-іонні акумулятори (SIB)

SIB використовують іони натрію як носії заряду, пропонуючи потенційну альтернативу LIB завдяки великій кількості та низькій вартості натрію. Дослідницькі зусилля зосереджені на:

• Розробці відповідних матеріалів для електродів: Пошук матеріалів, які можуть ефективно та оборотно інтеркалювати іони натрію.
• Покращенні терміну служби: Підвищення стабільності матеріалів електродів та електролітів для досягнення тривалого терміну служби.
• Збільшенні енергетичної щільності: Вивчення нових матеріалів та конструкцій елементів для покращення енергетичної щільності.

SIB набирають популярності для застосувань у мережевих системах зберігання енергії завдяки своїм вартісним перевагам.

2. Механічне зберігання енергії

Технології механічного зберігання енергії зберігають енергію шляхом фізичного переміщення або деформації середовища. До цих технологій належать:

а. Гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС)

ГАЕС є найзрілішою та найпоширенішою формою мережевого зберігання енергії. Вона передбачає перекачування води вгору до резервуару в періоди надлишкової енергії та її випуск через турбіни для виробництва електроенергії, коли це необхідно. Дослідження зосереджені на:

• Розробці ГАЕС замкнутого циклу: Мінімізація впливу на навколишнє середовище за допомогою використання нерічкових водосховищ.
• Підвищенні ефективності: Оптимізація конструкцій турбін та насосів для покращення ефективності повного циклу.
• Інтеграції ГАЕС з відновлюваними джерелами енергії: Розробка стратегій управління для оптимізації роботи систем ГАЕС у поєднанні зі змінною генерацією відновлюваної енергії.

ГАЕС є перевіреною технологією для великомасштабного зберігання енергії, що забезпечує значні переваги у стабілізації мережі.

б. Зберігання енергії на стисненому повітрі (CAES)

CAES зберігає енергію шляхом стиснення повітря та його зберігання в підземних печерах або резервуарах. Стиснене повітря потім випускається для приводу турбіни та виробництва електроенергії. Дослідження зосереджені на:

• Підвищенні ефективності: Розробка адіабатичних систем CAES, які вловлюють та зберігають тепло, що виділяється під час стиснення, покращуючи ефективність повного циклу.
• Зниженні вартості: Вивчення дешевших варіантів зберігання, таких як соляні печери.
• Розробці гібридних систем CAES: Інтеграція CAES з відновлюваними джерелами енергії та іншими технологіями зберігання енергії.

в. Маховикове зберігання енергії

Маховики зберігають енергію, обертаючи масу на високих швидкостях. Вони пропонують швидкий час відгуку та високу щільність потужності, що робить їх придатними для короткотривалих застосувань, таких як регулювання частоти. Дослідження зосереджені на:

• Покращенні енергетичної щільності: Розробка маховиків з вищими швидкостями обертання та міцнішими матеріалами для збільшення енергетичної щільності.
• Зменшенні втрат на тертя: Мінімізація тертя для покращення ефективності повного циклу.
• Оптимізації систем управління: Розробка передових систем управління для точної та швидкої роботи.

3. Теплове зберігання енергії (TES)

TES зберігає енергію у вигляді тепла або холоду. Його можна використовувати для різних застосувань, зокрема:

• Опалення та охолодження будівель: Зберігання теплової енергії для подальшого використання в опаленні або охолодженні будівель, зменшуючи споживання енергії та пікові навантаження.
• Промислові процеси: Зберігання теплової енергії для використання в промислових процесах, покращуючи енергоефективність та зменшуючи викиди.
• Концентрована сонячна енергія (CSP): Зберігання теплової енергії, виробленої станціями CSP, для диспетчеризованого виробництва електроенергії.

Технології TES включають:

• Зберігання явної теплоти: Зберігання енергії шляхом підвищення температури середовища-накопичувача, такого як вода, олія або каміння.
• Зберігання прихованої теплоти: Зберігання енергії шляхом використання фазового переходу матеріалу, такого як танення льоду або затвердіння гідрату солі.
• Термохімічне зберігання енергії: Зберігання енергії шляхом використання оборотних хімічних реакцій.

Дослідницькі зусилля зосереджені на розробці нових матеріалів з високою ємністю теплового зберігання та підвищенні ефективності систем TES.

Глобальні дослідницькі ініціативи та фінансування

Дослідження в галузі зберігання енергії є глобальним напрямком, зі значними інвестиціями та ініціативами, що реалізуються в різних країнах та регіонах. Деякі відомі приклади включають:

• Міністерство енергетики США (DOE): DOE запустило кілька ініціатив для прискорення досліджень та розробок у галузі зберігання енергії, включаючи Energy Storage Grand Challenge та Об'єднаний центр досліджень зберігання енергії (JCESR).
• Європейський Союз (ЄС): ЄС створив Європейський альянс з акумуляторів (EBA) для сприяння розвитку конкурентоспроможної та сталої акумуляторної промисловості в Європі. Програма ЄС Horizon Europe також фінансує численні дослідницькі проєкти в галузі зберігання енергії.
• Китай: Китай активно інвестує в технології зберігання енергії в рамках своїх зусиль щодо переходу до чистішої енергетичної системи. Країна приділяє велику увагу виробництву акумуляторів та розгортанню мережевих систем зберігання енергії.
• Японія: Японія має довгу історію інновацій в акумуляторних технологіях і продовжує інвестувати в передові дослідження в галузі зберігання енергії, зокрема в твердотільні акумулятори та зберігання водню.
• Австралія: Австралія розгортає системи зберігання енергії у великих масштабах для підтримки зростаючої потужності відновлюваної енергетики. Країна також інвестує в дослідження мережевого зберігання енергії та віртуальних електростанцій.

Ці ініціативи надають фінансування для дослідницьких проєктів, підтримують розробку нових технологій та сприяють співпраці між дослідниками, промисловістю та урядовими установами.

Реальні застосування зберігання енергії

Системи зберігання енергії вже розгортаються в широкому діапазоні застосувань по всьому світу. Деякі приклади включають:

• Мережеве зберігання енергії: Акумуляторні системи зберігання використовуються для надання мережевих послуг, таких як регулювання частоти, підтримка напруги та згладжування пікових навантажень. Наприклад, Hornsdale Power Reserve у Південній Австралії — це великомасштабна акумуляторна система зберігання, яка значно покращила стабільність мережі та знизила ціни на електроенергію.
• Мікромережі: Системи зберігання енергії уможливлюють розвиток мікромереж, які можуть працювати незалежно від основної мережі. Мікромережі використовуються для забезпечення надійного електропостачання віддалених громад, промислових об'єктів та військових баз. Наприклад, численні мікромережі в острівних державах використовують акумулятори та відновлювану енергію для зменшення залежності від імпортованого викопного палива.
• Електромобілі: Акумулятори є ключовим компонентом електромобілів, забезпечуючи ємність зберігання енергії, необхідну для поїздок на великі відстані. Зростання ринку електромобілів стимулює значні інновації в акумуляторних технологіях.
• Побутове зберігання енергії: Домашні акумуляторні системи стають все більш популярними, дозволяючи домовласникам зберігати сонячну енергію, вироблену вдень, і використовувати її вночі, зменшуючи свою залежність від мережі.
• Промислове зберігання енергії: Системи зберігання енергії використовуються на промислових підприємствах для зменшення плати за пікове навантаження, покращення якості електроенергії та забезпечення резервного живлення.

Майбутні тенденції в дослідженнях зберігання енергії

Сфера досліджень у галузі зберігання енергії постійно розвивається, з'являються нові матеріали, технології та застосування. Деякі ключові майбутні тенденції включають:

• Передові акумуляторні технології: Подальший розвиток твердотільних акумуляторів, літій-сірчаних акумуляторів та інших передових акумуляторних технологій з вищою енергетичною щільністю, покращеною безпекою та довшим терміном служби.
• Інновації в проточних акумуляторах: Розробка нових хімічних складів електролітів та конструкцій елементів для покращення продуктивності та зниження вартості проточних акумуляторів.
• Прориви в матеріалознавстві: Відкриття нових матеріалів для електродів, електролітів та інших компонентів систем зберігання енергії з покращеною продуктивністю та стійкістю.
• ШІ та машинне навчання: Застосування методів ШІ та машинного навчання для оптимізації проектування, експлуатації та управління системами зберігання енергії.
• Інтеграція та управління мережею: Розробка передових систем управління мережею для інтеграції систем зберігання енергії з відновлюваними джерелами енергії та електромережею.
• Зберігання водню: Дослідження ефективних та економічних методів зберігання водню, перспективного енергоносія для різних застосувань.
• Електрохімічні конденсатори (суперконденсатори): Подальший розвиток суперконденсаторів з високою щільністю потужності та швидкими можливостями зарядки/розрядки.
• Новітнє теплове зберігання енергії: Дослідження нових матеріалів та конфігурацій для більш ефективного та компактного теплового зберігання енергії.

Висновок: на шляху до сталого енергетичного майбутнього

Дослідження в галузі зберігання енергії відіграють вирішальну роль у забезпеченні сталого енергетичного майбутнього. Розробка більш ефективних, економічних та сталих технологій зберігання енергії є важливою для інтеграції відновлюваних джерел енергії в глобальний енергетичний баланс, підвищення стабільності мережі та забезпечення доступу до чистої енергії для всіх. Оскільки дослідження продовжують розвиватися, ми можемо очікувати появи ще більш інноваційних рішень для зберігання енергії, що трансформують спосіб, у який ми виробляємо, зберігаємо та використовуємо енергію.

Глобальна спільнота повинна продовжувати підтримувати та інвестувати в дослідження в галузі зберігання енергії, щоб прискорити перехід до чистішого, більш сталого енергетичного майбутнього для прийдешніх поколінь. Співпраця між дослідниками, промисловістю та урядовими установами є ключем до подолання викликів та реалізації повного потенціалу технологій зберігання енергії. Сприяючи інноваціям та співпраці, ми можемо розкрити силу зберігання енергії для створення світлішого та більш сталого майбутнього для всіх.