Наука про зберігання енергії: глобальна перспектива

Зберігання енергії має вирішальне значення для сталого майбутнього. Воно долає розрив між непостійними відновлюваними джерелами енергії, такими як сонячна та вітрова, і безперервними енергетичними потребами сучасного суспільства. Ця стаття розглядає наукові основи зберігання енергії, досліджує різноманітні технології та аналізує їх глобальне застосування.

Чому зберігання енергії важливе

Зростаюче впровадження відновлюваних джерел енергії змінює світовий енергетичний ландшафт. Однак відновлювані джерела, такі як сонячна та вітрова енергія, за своєю природою є мінливими. Сонце світить не завжди, і вітер дме не постійно. Системи зберігання енергії вирішують цю проблему переривчастості, дозволяючи нам накопичувати надлишкову енергію в періоди високої генерації та вивільняти її, коли попит високий або відновлювані джерела недоступні.

Зберігання енергії надає численні переваги:

Стабілізація мережі: Покращує надійність мережі, забезпечуючи резервне живлення та регулюючи частоту й напругу.
Зменшення залежності від викопного палива: Сприяє більшій інтеграції відновлюваних джерел енергії, зменшуючи нашу залежність від викопного палива та пом'якшуючи наслідки зміни клімату.
Економія коштів: Зменшує плату за пікове споживання та дозволяє споживачам використовувати власноруч згенеровану відновлювану енергію.
Енергетична незалежність: Підвищує енергетичну безпеку, дозволяючи країнам покладатися на місцево згенеровану та збережену відновлювану енергію.
Сприяння електрифікації транспорту: Забезпечує енергію, необхідну для живлення електромобілів (EV) та зменшення викидів від транспорту.

Типи технологій зберігання енергії

Існують різноманітні технології зберігання енергії, що відповідають різним застосуванням та масштабам. Ось огляд деяких основних методів:

1. Електрохімічне зберігання енергії (акумулятори)

Акумулятори є найпоширенішою формою зберігання енергії. Вони перетворюють хімічну енергію в електричну за допомогою електрохімічних реакцій.

Літій-іонні акумулятори

Літій-іонні (Li-ion) акумулятори домінують на ринку завдяки високій густині енергії, тривалому терміну служби та відносно низькому рівню саморозряду. Вони використовуються в портативній електроніці, електромобілях та системах зберігання енергії мережевого масштабу. Літій-іонні акумулятори працюють, переміщуючи іони літію між анодом (негативним електродом) і катодом (позитивним електродом) через електроліт. Рух цих іонів створює електричний струм.

Приклад: Megapack від Tesla — це великомасштабна система літій-іонних акумуляторів, що використовується для стабілізації мережі та згладжування пікових навантажень. Багато країн світу, від Австралії до Великої Британії, впроваджують системи Megapack для розширення своєї інфраструктури відновлюваної енергетики.

Проблеми: Літій-іонні акумулятори стикаються з проблемами, пов'язаними з вартістю, безпекою (термічний розгін) та доступністю сировини, такої як літій та кобальт. Дослідження спрямовані на розробку альтернативних катодних матеріалів та вдосконалення систем управління акумуляторами для вирішення цих проблем.

Свинцево-кислотні акумулятори

Свинцево-кислотні акумулятори — це зріла технологія, яка використовується понад століття. Вони недорогі та надійні, але мають нижчу густину енергії та коротший термін служби, ніж літій-іонні акумулятори. Свинцево-кислотні акумулятори зазвичай використовуються в автомобільній промисловості, системах резервного живлення та автономних сонячних установках.

Приклад: У багатьох країнах, що розвиваються, свинцево-кислотні акумулятори залишаються економічно ефективним рішенням для зберігання енергії від домашніх сонячних систем, забезпечуючи електроенергією домогосподарства без доступу до мережі.

Проточні акумулятори

Проточні акумулятори зберігають енергію в рідких електролітах, які прокачуються через електрохімічні комірки. Вони забезпечують високу масштабованість, тривалий термін служби та незалежне керування енергією та потужністю. Проточні акумулятори підходять для зберігання енергії в масштабах мережі та для застосувань, що вимагають тривалого розряду.

Приклад: Кілька компаній розробляють і впроваджують ванадієві окислювально-відновні проточні акумулятори (VRFB) для стабілізації мережі та інтеграції відновлюваної енергії. Ці акумулятори особливо добре підходять для застосувань, де потрібен тривалий час розряду, наприклад, для забезпечення резервного живлення під час тривалих періодів хмарності або слабкого вітру.

Твердотільні акумулятори

У твердотільних акумуляторах рідкий електроліт звичайних літій-іонних акумуляторів замінено на твердий. Це дає потенційні переваги з точки зору безпеки, густини енергії та терміну служби. Твердотільні акумулятори є перспективною технологією для електромобілів та інших застосувань.

Проблеми: Масштабування виробництва твердотільних акумуляторів та подолання проблем, пов'язаних з міжфазним опором, є актуальними напрямками досліджень.

Натрій-іонні акумулятори

Натрій-іонні акумулятори використовують натрій, поширений і недорогий елемент, як носій заряду. Вони є потенційно дешевшою альтернативою літій-іонним акумуляторам для зберігання енергії в мережі та інших застосувань.

Проблеми: Натрій-іонні акумулятори зазвичай мають нижчу густину енергії, ніж літій-іонні. Однак поточні дослідження спрямовані на покращення їхніх характеристик.

2. Механічне зберігання енергії

Системи механічного зберігання енергії накопичують енергію шляхом фізичного переміщення або стиснення певного середовища.

Гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС)

Гідроакумулюючі електростанції є найпоширенішою формою великомасштабного зберігання енергії у світі. Вони передбачають перекачування води з нижнього резервуара до верхнього в періоди низького попиту або надлишкової генерації відновлюваної енергії. Коли потрібна енергія, воду випускають, і вона тече вниз через турбіни для виробництва електроенергії.

Приклад: Китай має найбільшу встановлену потужність гідроакумулюючих станцій у світі, використовуючи їх для інтеграції великих обсягів вітрової та сонячної енергії у свою мережу. Аналогічно, багато країн Європи та Північної Америки покладаються на ГАЕС для стабілізації мережі.

Проблеми: ГАЕС вимагають специфічних геологічних умов (різниця у висоті та наявність води) і можуть мати екологічні наслідки, пов'язані з землекористуванням та водними ресурсами.

Системи зберігання енергії у стисненому повітрі (CAES)

Системи зберігання енергії у стисненому повітрі передбачають стиснення повітря та його зберігання в підземних печерах або надземних резервуарах. Коли потрібна енергія, стиснене повітря вивільняється, нагрівається, а потім розширюється в турбінах для виробництва електроенергії.

Приклад: Існуючі станції CAES працюють у Німеччині та США. Розробляються вдосконалені системи CAES для підвищення ефективності та зменшення залежності від природного газу для нагрівання стисненого повітря.

Проблеми: CAES вимагають відповідних геологічних умов для зберігання повітря і можуть мати відносно низьку ефективність повного циклу.

Маховики

Маховики зберігають енергію, обертаючи важкий ротор на високих швидкостях. Кінетична енергія, що зберігається в маховику, може бути перетворена назад в електрику, коли це необхідно. Маховики забезпечують швидкий час відгуку та тривалий термін служби, що робить їх придатними для регулювання частоти та короткострокового резервного живлення.

Приклад: Системи зберігання енергії на основі маховиків використовуються для покращення якості електроенергії на промислових об'єктах та для стабілізації мережі в районах з високою часткою відновлюваної енергії.

Проблеми: Маховики мають відносно низьку густину енергії порівняно з акумуляторами і можуть зазнавати втрат енергії через тертя та опір повітря.

3. Теплове зберігання енергії (TES)

Теплове зберігання енергії передбачає зберігання енергії у вигляді тепла або холоду. Це можна реалізувати за допомогою різних матеріалів, таких як вода, розплавлені солі або фазоперехідні матеріали (PCM).

Концентрована сонячна енергетика (CSP) з TES

Концентровані сонячні електростанції використовують дзеркала для фокусування сонячного світла на приймачі, який нагріває робочу рідину. Тепло може використовуватися безпосередньо для виробництва електроенергії або зберігатися в системах теплового накопичення, що дозволяє станції виробляти електроенергію навіть тоді, коли сонце не світить.

Приклад: Сонячна електростанція Noor Ouarzazate в Марокко використовує систему зберігання тепла на розплавлених солях для забезпечення електроенергією 24 години на добу. Іспанія також має значні потужності CSP з інтегрованими TES.

Централізоване тепло- та холодопостачання

Теплове зберігання енергії може використовуватися в системах централізованого тепло- та холодопостачання для накопичення надлишкового тепла або холоду, виробленого в години низького навантаження. Ця збережена енергія потім може використовуватися для задоволення пікового попиту, зменшуючи витрати на енергію та підвищуючи ефективність.

Приклад: Багато міст у Скандинавії використовують теплові накопичувачі у своїх системах централізованого опалення для зберігання надлишкового тепла від промислових процесів або спалювання відходів.

Льодові накопичувачі

Системи льодових накопичувачів створюють лід у години низького навантаження та використовують його для охолодження будівель у години пік. Це зменшує попит на електроенергію та знижує витрати на енергію.

Приклад: Льодові накопичувачі часто використовуються в комерційних будівлях, лікарнях та центрах обробки даних для зниження витрат на охолодження.

4. Хімічне зберігання енергії

Хімічне зберігання енергії передбачає зберігання енергії у вигляді хімічних зв'язків. Виробництво та зберігання водню є ключовим прикладом.

Зберігання енергії у водні

Водень можна виробляти шляхом електролізу води з використанням відновлюваної енергії. Потім водень можна зберігати в різних формах, таких як стиснений газ, рідкий водень або металогідриди. Коли потрібна енергія, водень можна використовувати в паливних елементах для виробництва електроенергії, тепла або пального для транспорту.

Приклад: Кілька країн інвестують у проекти з виробництва та зберігання водню, маючи на меті використовувати водень як чисте паливо для транспорту, промисловості та виробництва електроенергії. Японія, наприклад, має амбітні плани щодо використання водню для живлення своєї економіки.

Проблеми: Виробництво, зберігання та транспортування водню все ще є відносно дорогими. Розробка економічно ефективних та дієвих технологій для зберігання водню та паливних елементів є вирішальною для його широкого впровадження.

Глобальне застосування систем зберігання енергії

Системи зберігання енергії впроваджуються в різних сферах по всьому світу:

Зберігання енергії в масштабах мережі: Стабілізація мереж, інтеграція відновлюваних джерел енергії та забезпечення резервного живлення. Країни, такі як Австралія, США та Велика Британія, активно інвестують у мережеві акумуляторні накопичувачі.
Зберігання енергії для житлових будинків: Поєднання сонячних панелей з акумуляторними накопичувачами для зменшення рахунків за електроенергію та підвищення енергетичної незалежності. Це особливо популярно в країнах з високими цінами на електроенергію та значними сонячними ресурсами, таких як Німеччина та Австралія.
Заряджання електромобілів: Забезпечення швидкого та надійного заряджання електромобілів, зменшення тривоги щодо запасу ходу та прискорення впровадження електричного транспорту.
Мікромережі: Надання можливості віддаленим громадам та критично важливим об'єктам працювати незалежно від основної мережі, забезпечуючи надійне електропостачання. Мікромережі є вирішальними в районах з ненадійною інфраструктурою мережі або частими стихійними лихами.
Промислові застосування: Покращення якості електроенергії, зниження витрат на енергію та забезпечення резервного живлення для промислових об'єктів.

Майбутнє зберігання енергії

Майбутнє зберігання енергії є світлим, а поточні дослідження та розробки зосереджені на:

Вдосконалення акумуляторних технологій: Підвищення густини енергії, терміну служби та безпеки при одночасному зниженні витрат. Дослідження зосереджені на розробці нових хімічних складів акумуляторів, таких як твердотільні та натрій-іонні.
Розробка передових систем теплового зберігання енергії: Підвищення ефективності та економічної доцільності теплових накопичувачів для CSP та централізованого тепло- і холодопостачання.
Покращення технологій виробництва та зберігання водню: Зниження вартості виробництва водню та розробка ефективних і безпечних методів його зберігання та транспортування.
Створення розумних мереж: Інтеграція систем зберігання енергії з технологіями розумних мереж для оптимізації потоків енергії та підвищення стійкості мережі.
Зменшення впливу на навколишнє середовище: Вирішення проблем, пов'язаних з екологічним впливом виробництва та утилізації акумуляторів, шляхом переробки та сталого постачання матеріалів.

Практичні поради:

Будьте в курсі: Слідкуйте за останніми досягненнями в технологіях та політиці у сфері зберігання енергії.
Розгляньте можливість зберігання енергії для вашого будинку чи бізнесу: Оцініть потенційні переваги інтеграції систем зберігання енергії у вашу енергетичну систему.
Підтримуйте політику відновлюваної енергетики: Виступайте за політику, що сприяє розвитку та впровадженню відновлюваної енергії та систем її зберігання.

Висновок

Зберігання енергії є невід'ємним компонентом сталого енергетичного майбутнього. Воно уможливлює інтеграцію відновлюваних джерел енергії, покращує надійність мережі, зменшує залежність від викопного палива та дає можливість окремим особам і громадам контролювати свою енергію. З розвитком технологій та зниженням витрат зберігання енергії відіграватиме все більш важливу роль у трансформації світового енергетичного ландшафту.