Розуміння технологій зберігання енергії: Глобальна перспектива

Зберігання енергії швидко стає вирішальним компонентом сталого глобального енергетичного майбутнього. Оскільки світ переходить до відновлюваних джерел енергії, таких як сонячна та вітрова, непостійний характер цих ресурсів вимагає надійних рішень для зберігання енергії. Цей вичерпний посібник досліджує різноманітний ландшафт технологій зберігання енергії, розглядаючи їхні принципи, сфери застосування, переваги, виклики та майбутні тенденції.

Чому зберігання енергії має значення

Інтеграція відновлюваних джерел енергії створює унікальні виклики для традиційних електромереж. Генерація сонячної та вітрової енергії коливається залежно від погодних умов, що призводить до змінності постачання електроенергії. Зберігання енергії заповнює цю прогалину, накопичуючи надлишкову енергію в періоди високої генерації та вивільняючи її, коли попит перевищує пропозицію. Це забезпечує стабільне та надійне постачання електроенергії, навіть коли відновлювані джерела недоступні.

Крім того, зберігання енергії підвищує стійкість мережі, забезпечуючи резервне живлення під час перебоїв у мережі чи надзвичайних ситуацій. Воно також сприяє впровадженню електромобілів (EV), надаючи зарядну інфраструктуру та пом'якшуючи вплив зарядки електромобілів на мережу.

Типи технологій зберігання енергії

Технології зберігання енергії охоплюють широкий спектр методів, кожен з яких має свої переваги та обмеження. Ці технології можна загалом класифікувати як:

• Електрохімічне зберігання (акумулятори): Це найпоширеніший тип зберігання енергії, який використовує хімічні реакції для зберігання та вивільнення електричної енергії.
• Механічне зберігання: Ці технології зберігають енергію фізичними засобами, такими як підняття води на вищу висоту або стиснення повітря.
• Теплове зберігання: Це передбачає зберігання енергії у вигляді тепла або холоду.

Електрохімічне зберігання (акумулятори)

Акумулятори є найбільш широко використовуваною технологією зберігання енергії, пропонуючи універсальне та масштабоване рішення для різноманітних застосувань.

Літій-іонні акумулятори

Літій-іонні (Li-ion) акумулятори стали домінуючою технологією акумуляторів завдяки їхній високій щільності енергії, тривалому терміну служби та відносно низькій вартості. Вони використовуються в широкому спектрі застосувань, зокрема:

• Електромобілі (EV): Літій-іонні акумулятори живлять переважну більшість електромобілів, забезпечуючи великі запаси ходу та швидкий час зарядки. Наприклад, Gigafactory Tesla в Неваді (США) є чудовим прикладом великомасштабного виробництва літій-іонних акумуляторів для електромобілів та зберігання енергії в мережі.
• Зберігання енергії в мережі: Літій-іонні акумулятори все частіше розгортаються в системах зберігання енергії масштабу мережі для балансування постачання та попиту на електроенергію. Hornsdale Power Reserve Південної Австралії, що працює на акумуляторах Tesla, є примітним прикладом великомасштабного проекту зберігання літій-іонних акумуляторів, який значно покращив стабільність мережі.
• Споживча електроніка: Літій-іонні акумулятори є джерелом живлення для смартфонів, ноутбуків та інших портативних електронних пристроїв.
• Побутове зберігання: Власники будинків все частіше використовують літій-іонні акумулятори в поєднанні з сонячними панелями для зберігання надлишкової сонячної енергії для подальшого використання, зменшуючи свою залежність від мережі. Наприклад, у Німеччині побутові системи сонячної енергії плюс зберігання стають все більш поширеними.

Переваги літій-іонних акумуляторів:

• Висока щільність енергії
• Тривалий термін служби
• Відносно низька вартість (хоча ціни продовжують знижуватися)

Недоліки літій-іонних акумуляторів:

• Потенційні проблеми з безпекою (наприклад, термічний розгін)
• Екологічні проблеми, пов'язані з видобутком та утилізацією матеріалів акумуляторів
• Обмежена доступність певних сировинних матеріалів (наприклад, літію, кобальту)

Інші технології акумуляторів

Окрім літій-іонних, розробляються та розгортаються й інші технології акумуляторів, зокрема:

• Свинцево-кислотні акумулятори: Зріла та економічно ефективна технологія, але з нижчою щільністю енергії та коротшим терміном служби порівняно з літій-іонними. Досі широко використовуються в системах резервного живлення та автомобільних застосуваннях.
• Нікель-металогідридні (NiMH) акумулятори: Використовуються в гібридних електромобілях (HEV) та деякій портативній електроніці.
• Натрій-іонні акумулятори: Нова технологія, яка пропонує потенційні переваги з точки зору вартості та доступності ресурсів порівняно з літій-іонними.
• Проточні акумулятори: Тип акумулятора, який зберігає енергію в рідких електролітах, пропонуючи тривалий термін служби та масштабованість для застосувань масштабу мережі. Rongke Power у Китаї розробляє та розгортає великомасштабні ванадієві редокс-проточні акумулятори для зберігання енергії в мережі.

Механічне зберігання

Технології механічного зберігання енергії зберігають енергію фізичними засобами.

Насосно-акумулюючі гідроелектростанції (ПАЕС)

Насосно-акумулюючі гідроелектростанції є найбільш зрілою та широко розгорнутою формою великомасштабного зберігання енергії. Вони передбачають перекачування води з нижнього водосховища до вищого під час періодів низького попиту на електроенергію, а потім вивільнення води для генерації електроенергії, коли попит високий.

Переваги ПАЕС:

• Великомасштабна ємність зберігання
• Тривалий термін служби
• Відносно низька вартість за одиницю збереженої енергії

Недоліки ПАЕС:

• Географічні обмеження (потребує відповідного рельєфу та водних ресурсів)
• Вплив на навколишнє середовище (наприклад, зміна режимів течії води)
• Тривалі терміни для розробки та будівництва

Швейцарія, з її гірським рельєфом, має значні потужності насосно-акумулюючих гідроелектростанцій. Китай також активно інвестує в насосно-акумулюючі гідроелектростанції для підтримки своєї зростаючої потужності відновлюваної енергії.

Зберігання енергії за допомогою стисненого повітря (CAES)

Зберігання енергії за допомогою стисненого повітря передбачає стиснення повітря та його зберігання в підземних печерах або резервуарах. Коли потрібна електроенергія, стиснене повітря вивільняється і використовується для приведення в дію турбіни для генерації електроенергії.

Переваги CAES:

• Великомасштабна ємність зберігання
• Тривалий термін служби

Недоліки CAES:

• Географічні обмеження (потребує відповідних геологічних утворень)
• Відносно низька енергетична ефективність
• Потребує використання викопного палива (зазвичай природного газу) для нагрівання стисненого повітря, якщо не використовуються передові адіабатичні системи CAES.

Завод CAES Huntorf у Німеччині був одним із перших комерційних об'єктів CAES. Нові проекти CAES вивчають використання передових адіабатичних систем для підвищення ефективності та зменшення залежності від викопного палива.

Зберігання енергії за допомогою маховиків

Зберігання енергії за допомогою маховиків використовує обертову масу (маховик) для зберігання кінетичної енергії. Енергія зберігається шляхом прискорення маховика до дуже високої швидкості та вивільняється шляхом уповільнення для генерації електроенергії.

Переваги зберігання енергії за допомогою маховиків:

• Висока щільність потужності
• Швидкий час відгуку
• Тривалий термін служби

Недоліки зберігання енергії за допомогою маховиків:

• Відносно низька щільність енергії
• Висока швидкість саморозряду

Зберігання енергії за допомогою маховиків часто використовується для короткотривалих застосувань, таких як регулювання частоти та покращення якості електроенергії. Компанії, як-от Beacon Power у Сполучених Штатах, розгортають системи маховиків для стабілізації мережі.

Теплове зберігання

Теплове зберігання енергії передбачає зберігання енергії у вигляді тепла або холоду. Це може використовуватися для різноманітних застосувань, включаючи опалення та охолодження будівель, промислові процеси та генерацію електроенергії.

Зберігання теплоти з фазовим переходом (Sensible Heat Storage)

Зберігання теплоти з фазовим переходом передбачає зберігання енергії шляхом підвищення температури матеріалу, такого як вода, олія або розплавлена сіль.

Прихована теплота (Latent Heat Storage)

Зберігання прихованої теплоти передбачає зберігання енергії шляхом зміни фазового стану матеріалу, такого як танення льоду або випаровування води. Це забезпечує вищу щільність зберігання енергії порівняно зі зберіганням теплоти з фазовим переходом.

Термохімічне зберігання

Термохімічне зберігання передбачає зберігання енергії шляхом зворотних хімічних реакцій. Це пропонує потенційно дуже високі щільності зберігання енергії.

Сонячні електростанції концентрованої сонячної енергії (CSP) часто використовують теплове зберігання для накопичення сонячної енергії, зібраної протягом дня, і генерації електроенергії вночі. Наприклад, електростанція Noor Ouarzazate у Марокко використовує теплове зберігання розплавлених солей для постачання електроенергії протягом кількох годин після заходу сонця.

Сфери застосування зберігання енергії

Технології зберігання енергії мають широкий спектр застосувань у різних секторах:

• Стабілізація мережі: Балансування постачання та попиту на електроенергію, регулювання частоти та забезпечення підтримки напруги.
• Інтеграція відновлюваної енергії: Згладжування коливань генерації сонячної та вітрової енергії.
• Зарядка електромобілів: Надання зарядної інфраструктури для електромобілів та пом'якшення впливу зарядки електромобілів на мережу.
• Резервне живлення: Забезпечення резервного живлення під час перебоїв у мережі або надзвичайних ситуацій.
• Реагування на попит: Зміщення попиту на електроенергію на позапікові години для зменшення пікового попиту та зниження витрат на електроенергію.
• Мікромережі: Забезпечення розробки незалежних та стійких енергетичних систем для громад або підприємств.
• Автономне живлення: Забезпечення електроенергією віддалених районів або островів, які не підключені до основної мережі.

Переваги зберігання енергії

Розгортання технологій зберігання енергії пропонує численні переваги:

• Підвищена надійність та стійкість мережі: Забезпечення стабільного та надійного постачання електроенергії, навіть у періоди високого попиту або перебоїв у мережі.
• Зменшення залежності від викопного палива: Сприяння більшій інтеграції відновлюваних джерел енергії та зменшення викидів парникових газів.
• Зниження витрат на електроенергію: Оптимізація споживання електроенергії та зменшення платежів за піковий попит.
• Покращення якості повітря: Зменшення викидів від електростанцій, що працюють на викопному паливі.
• Підвищена енергетична безпека: Диверсифікація джерел енергії та зменшення залежності від імпортного палива.
• Економічний розвиток: Створення нових робочих місць та галузей у секторі зберігання енергії.

Виклики зберігання енергії

Незважаючи на численні переваги, широке впровадження технологій зберігання енергії стикається з кількома викликами:

• Високі витрати: Технології зберігання енергії, особливо акумулятори, можуть бути дорогими, хоча ціни швидко знижуються.
• Технологічні обмеження: Деякі технології зберігання енергії мають обмеження щодо щільності енергії, терміну служби або ефективності.
• Регуляторні бар'єри: Регуляторні рамки можуть бути не придатними для адаптації зберігання енергії, створюючи невизначеність для інвесторів та розробників.
• Виклики з отриманням дозволів та розміщенням: Отримання дозволів та пошук відповідних місць для проектів зберігання енергії може бути складним і тривалим.
• Обмеження ланцюжка поставок: Доступність сировини для виробництва акумуляторів, такої як літій та кобальт, може викликати занепокоєння.
• Проблеми безпеки: Деякі технології зберігання енергії, такі як літій-іонні акумулятори, мають потенційні ризики безпеки, які потребують вирішення.

Майбутні тенденції в зберіганні енергії

Очікується, що ринок зберігання енергії швидко зростатиме в найближчі роки, стимулюючись зростаючим впровадженням відновлюваної енергії та електромобілів. Ключові тенденції, що формують майбутнє зберігання енергії, включають:

• Зниження вартості акумуляторів: Очікується, що подальші досягнення в технології акумуляторів та виробничих процесах сприятимуть зниженню вартості акумуляторів, роблячи зберігання енергії більш доступним.
• Розробка нових технологій акумуляторів: Науково-дослідні роботи зосереджені на розробці нових технологій акумуляторів з вищою щільністю енергії, тривалішим терміном служби та покращеною безпекою. Твердотільні акумулятори та літій-сірчані акумулятори є перспективними кандидатами для майбутніх технологій акумуляторів.
• Збільшення розгортання зберігання енергії масштабу мережі: Системи зберігання енергії масштабу мережі відіграватимуть все більш важливу роль у балансуванні постачання та попиту на електроенергію та інтеграції відновлюваних джерел енергії.
• Зростання побутового та комерційного зберігання: Більше власників будинків та підприємств будуть використовувати системи зберігання енергії, щоб зменшити свою залежність від мережі та знизити витрати на електроенергію.
• Інтеграція зберігання енергії з зарядною інфраструктурою електромобілів: Системи зберігання енергії будуть інтегровані із зарядними станціями для електромобілів для забезпечення швидкої зарядки та пом'якшення впливу зарядки електромобілів на мережу.
• Розробка передових систем управління зберіганням енергії: Складні програмні та керуючі системи будуть використовуватися для оптимізації продуктивності систем зберігання енергії та їх безперебійної інтеграції в мережу.
• Посилена увага до сталості та циркулярної економіки: Будуть докладені зусилля для покращення сталості виробництва акумуляторів та процесів переробки, зменшуючи вплив зберігання енергії на навколишнє середовище.

Глобальні приклади розгортання зберігання енергії

Різні країни та регіони активно розгортають технології зберігання енергії для задоволення своїх специфічних енергетичних потреб:

• Сполучені Штати: Каліфорнія лідирує у розгортанні зберігання енергії масштабу мережі, що зумовлено її амбітними цілями щодо відновлюваної енергії та сприятливою політикою.
• Австралія: Південна Австралія стала світовим лідером у зберіганні енергії за допомогою акумуляторів, з численними великомасштабними проектами акумуляторів, розгорнутими для покращення стабільності мережі та підтримки інтеграції відновлюваної енергії.
• Німеччина: Німеччина має високе проникнення побутових систем сонячної енергії плюс зберігання, що зумовлено державними стимулами та високими цінами на електроенергію.
• Китай: Китай активно інвестує в насосно-акумулюючі гідроелектростанції та зберігання енергії за допомогою акумуляторів для підтримки своєї зростаючої потужності відновлюваної енергії.
• Японія: Японія зосереджена на розробці та розгортанні передових технологій акумуляторів для зберігання енергії в мережі та електромобілів.
• Індія: Індія сприяє впровадженню зберігання енергії для покращення надійності мережі та підтримки своїх амбітних цілей щодо відновлюваної енергії.

Висновок

Технологія зберігання енергії готова відіграти трансформаційну роль у глобальному енергетичному ландшафті. Оскільки світ переходить до чистішого та сталого енергетичного майбутнього, зберігання енергії буде необхідним для забезпечення широкого впровадження відновлюваних джерел енергії, підвищення надійності мережі та зменшення викидів парникових газів. Хоча виклики залишаються, постійні інновації та сприятлива політика прокладуть шлях для широкого розгортання технологій зберігання енергії, створюючи більш стійке та стале енергетичне майбутнє для всіх.

Практичні висновки:

• Для політиків: Впроваджуйте сприятливу політику та регуляторні рамки для стимулювання розгортання зберігання енергії та усунення бар'єрів для входу.
• Для бізнесу: Досліджуйте можливості інвестування в технології зберігання енергії та розробляйте інноваційні рішення для стабілізації мережі, інтеграції відновлюваної енергії та зарядки електромобілів.
• Для споживачів: Розгляньте можливість використання побутових або комерційних систем зберігання енергії, щоб зменшити вашу залежність від мережі та знизити витрати на електроенергію.
• Для дослідників: Продовжуйте розробляти та вдосконалювати технології зберігання енергії, щоб збільшити їхню щільність енергії, термін служби та ефективність, а також зменшити їхню вартість.