Технологии накопления электроэнергии


Накопление энергии в электросети — как это работает

Накопление энергии в энергосети (или хранение энергии в крупных объемах) – совокупность методов, используемых для хранения энергии в больших объемах с использованием электросетей. Электроэнергия хранится в периоды, когда производство (особенно – от таких электростанций, вырабатывающих ток с перерывами, как ветряные, приливные и солнечные электростанции) превышает потребление, и возвращается в сеть, когда потребление превышает производство.

Технологии накопления электроэнергии

По состоянию на 2016 год самой крупной разновидностью электросети с функцией накопления энергии является электросеть от гидроэлектростанции. Она включает традиционную выработку энергии на гидроэлектростанциях и гидроаккумулирование энергии. В качестве альтернативы накоплению энергии в электросети предлагают использовать пиковые электростанции.

Преимущества аккумулирования и использования пиковой нагрузки

Накопители используются для передачи мощности электрическим сетям при условии, когда потребление энергии превышает ее производство, и это соотношение невозможно изменить сразу. Таким образом, нет необходимости в резком увеличении или уменьшении производства энергии для покрытия кратковременной потребности. Вместо этого передача от группы генераторов и резервных средств поддерживает объем энергии в постоянном диапазоне.

Другим, более сложным способом для достижения эффекта, аналогичного накоплению энергии в электросети, является использование умных электросетей для получения возможности управления спросом на электроэнергию. Обе технологии позволяют изменить передачу и потребление энергии с одной фазы (когда в ней нет потребности) на другую (когда в ней есть крайняя необходимость).

Любая электросеть должна приспособить производство энергии к ее потреблению, так как оба параметра сильно меняются с течением времени. Любое сочетание накопление энергии и управления спросом на электроэнергию обладает следующими преимуществами:

  1. Электростанции на топливных элементах (к примеру, угле, нефти, газе или ядерном топливе) могут быть эффективнее и с меньшим трудом вырабатывать постоянный объем энергии.
  2. Электричество, вырабатываемое (или потенциально вырабатываемое) периодическими источниками, может храниться и использоваться позднее, хотя его можно будет передать с целью продажи в любой точке мира или просто использовать.
  3. Пиковая выработка или пропускная способность может быть ограничена общим напряжением всех аккумулирующих систем и регулируемой нагрузкой, исключающей использование ресурса аккумуляторов
  4. Более стабильное ценообразование. Стоимость хранения и/или управления учитывается при ценообразовании. Таким образом, существует не так много колебаний объема подаваемой потребителям энергии, или (если объем зафиксирован законом) будет меньше потерь при передаче больших объемов дорогостоящей энергии коммунальным предприятиям в случае, когда пиковая потребность должна покрываться за счет импортной энергии.
  5. Аварийная готовность. Жизненно необходимые потребности в энергии могут быть удовлетворены даже при отсутствии мощностей для передачи и производства энергии или в случае отсрочки удовлетворения второстепенных задач.
  6.  Ликвидация перегрузок в сети. В случае работы электросети на полную мощность передача энергии во время пика производства или потребления может приводить к перегрузке линий. При поглощении или высвобождении энергии соответственно рядом с местом производства или потребления соответственно накопитель может помочь избежать перегрузки. После пикового периода, когда на сеть оказывается меньшее давление, энергия из двух накопительных систем передается обратно.

Возобновляемые источники энергии

Энергия, получаемая из фотоэлементов, приливов и ветров, по своей сути является изменчивой, так как объем ее производства зависит ль времени суток, фазы луны, времени года и таких случайных факторов, как погода. Таким образом, возобновляемые источники энергии дают особые проблемы для энергосистем общего пользования. Хотя подключение большого количества отдельных ветрогенераторов решает проблему возможных изменений, солнечная энергетика не будет работать по ночам, за исключением генераторов на расплавах солей, а приливные электростанции зависят от поведения Луны, из-за чего нельзя быть уверенным в том, что энергия будет при максимальной нагрузке.

Также серьезно отличается степень воздействия на любое энергетическое хозяйство. При летнем пике основные потребности может удовлетворять солнечная энергетика. При зимнем пике и более низких температурах ветрогенераторы могут соотноситься с отопительной нагрузкой здания и применяться для того, чтобы взять ее на себя. В зависимости от этих факторов от 20 до 40 % общей выработки ложится на такие неисчерпаемые источники энергии, как фотоэлектричество и ветрогенераторы. В дальнейшем могут потребоваться инвестиции в накопление энергии в электросетях, управление электропотреблением со стороны потребителя или и то, и другое.

В электросетях без возможности накопления энергии источники энергии, связанные с полезными ископаемыми (углем, нефтью, газом, ядерным топливом), должны будут повышать или понижать выработку, чтобы соответствовать росту и падению производства электричества с использованием неисчерпаемых источников. В то время, как нефтяные и газовые заводы могут быстро повысить выработку энергии, если ветер утихнет, угольные и атомные электростанции могут потребовать куда больше времени на загрузку.

Таким образом, коммунальные системы с меньшей долей выработки энергии на газовых или нефтяных электростанциях более зависимы от управления электропотреблением и пропускной способности электросетей.

Французская консалтинговая фирма «Yole Development» предполагает, что рынок «систем долгосрочного хранения» к 2023 году может достичь 13,5 млрд. долларов против менее 1 млрд. в 2015 году.

Управление электропотреблением со стороны потребителя и хранение тока в электросети

Пользователи также могут хранить энергию из электросетей, к примеру, для зарядки электромобилей, запасающих энергию для транспорта и теплоаккумуляторов, накопление энергии для теплоснабжения или охлаждения воздуха обеспечивает возможность теплоаккумуляции для зданий. На сегодняшний день теплоаккумуляция служит только для изменения уровня потребления энергии во внепиковый период, при этом энергия не возвращается в электросеть.

Потребность в накоплении энергии в электросетях для обеспечения пиковой мощности уменьшается за счет ценообразования, связанного с временем использования, что является одним из преимуществ интеллектуальных счетчиков. На уровне дома потребители могут выбрать более дешевые внепиковые часы для использования сушилок и стиральных машин, посудомоечных машин, душа и готовки. Коммерческие и промышленные предприятия получат преимущество, сохранив средства, если отложат выполнение некоторых процессов до внепиковых часов.

Местные влияния от непредсказуемой работы ветряных электростанций создали новую необходимость в согласованном регулировании спроса, в соответствии с которым будет работать хозяйство. Исторически это можно было сделать, лишь сотрудничая с крупными промышленными компаниями, но сейчас это может распространиться на все электросети. К примеру, несколько крупномасштабных европейских проектов связывают изменение выработки энергии ветрогенераторами с изменением загрузки промышленных морозильных аппаратов для продуктов питания, связанным с небольшими изменениями температуры. В случае с целой электросетью небольшое повышение или понижения температуры приведет к мгновенному изменению объема потребления тока по всей сети. До сих пор остается открытым вопрос «Является ли пища глубокой заморозки или нагретая вода формой хранения энергии?».

В декабре 2013 года Министерством энергетики США был опубликован отчет, описывающий потенциальные выгоды накопления энергии и технологий управления потреблением энергии из электросетей:

«Модернизация электросистем поможет стране принять вызов и воплотить в реальность проекты, связанные с потребностями в энергии, в том числе – проекты по увеличению доли энергии из возобновляемых источников, связанные с изменением климата, и по увеличению эффективности получения энергии из невозобновляемых источников. Улучшение электросети должно сохранить ее прочность и гибкость, как системы поставки энергии, а накопление энергии может сыграть значительную роль в преодолении этих проблем путем улучшения пропускной способности сети, уменьшения стоимости, обеспечения высокой надежности, а также – отсрочки и уменьшения размера затрат на инфраструктуру. В конце концов, накопление энергии может сыграть важную роль для аварийной готовности за счет способности обеспечить вспомогательную энергию и обеспечить стабильность электросетей».

Отчет был составлен основной группой исследователей, представляющих Отдел по поставкам электроэнергии и энергетической безопасности, Агентство передовых исследований в области энергетики, Отдел по науке, Отдел по энергосберегающим технологиям и возобновляемой энергии, Сандийские лаборатории и Тихоокеанскую северо-западную национальную лаборатория, которые занимаются разработками в области накопления энергии в электросетях.

Методы накопления энергии в электросети

Сжатый воздух

Еще одним методом накопления энергии в электросети является использование внепикового тока или тока, произведенного из неисчерпаемых источников, для сжатия воздуха, который, как правило, хранится в старом карьере или какой-либо другой геологической структуре. При высокой потребности в электричества, сжатый воздух с небольшой долей природного газа нагревается, после чего – проходит через детандеры, вырабатывающие ток. Как правило, КПД хранения энергии в сжатом воздухе – 60-90 %.

Жидкий воздух

Еще одним способом накопления энергии является сжатие и охлаждение воздуха, что превращает его в жидкость, которую можно хранить и расширять при необходимости, вращая турбину и вырабатывая электричество. КПД такого вида накопления энергии превышает 70 %

Батареи

Накопление энергии в батареях применялось на заре появления постоянного тока. Там, где не могли беспрепятственно работать электросети постоянного тока, отдельные осветительные установки, работающие за счет ветряных турбин или встроенных двигателей внутреннего сгорания, обеспечивали светом и энергией небольшие двигатели. Система батарей могла использоваться для создания нагрузки без запуска двигателя или при слабом ветре. Блок свинцово-кислых батарей в стеклянных сосудах одновременно обеспечивали лампы энергией для свечения и двигатель – для старта перезарядки батарей. Технология накопления энергии в батареях, как правило, имеет КПД в 70-85 %.

Система батарей, присоединенных к преобразователям твердого типа, использовались для стабилизации мощности распределительных сетей. Некоторые батареи электросистем расположены неподалеку от электростанций, вырабатывающих ток за счет возобновляемых источников, и предназначены либо для выравнивания мощности, поставляемой ветряными или солнечными электростанциями, либо для изменения выходной мощности в то время суток, когда электростанции на возобновляемых источниках не могут вырабатывать энергию напрямую. Эти комбинированные системы (производство + накопление) могут или уменьшать нагрузку на сет при соединении с электростанцией, или применяться для достижения самообеспеченности и работы вне системы.

В отличие от электромобилей, батареи для длительного накопления энергии не страдают от ограничений в массе или объеме. Однако за счет больших объемов хранимой энергии и мощности цена за единицу мощности весьма высока. Соответствующей мерой для измерения прибыли от накопления энергии в электросетях является доллар/Вт-ч (или доллар/Вт), чем Вт-ч/кг (или Вт/кг).

Хранение электромеханической энергии в электросетях стало возможным за счет развитие электротранспорта, ставшего причиной быстрого падения цены производства батарей до уровня 300 $/кВт-ч. За счет оптимизации производственной цепочки к концу 2020 года главные производители хотят добиться цены в 150 $/кВт-ч. Эти батареи основаны на использовании литий-ионной технологий, которая годиться для применения в производстве мобильных телефонов за счет высокой цены и высокой плотности. Технологии, оптимизированные для электросетей, должны сосредоточиться на низкой цене и плотности.

Технологии батарей для подпитки сетей

Более дешевой и долговечной альтернативой литий-ионным батареям являются натрий-ионные аналоги, так как натрий гораздо чаще встречается в природе, чем литий, и куда дешевле. Но он обладает меньшей удельной мощностью. Однако этот вид батарей до сих пор находится на ранней стадии разработки. Технологии для автомобилестроения зависят от твердых электродов, обладающих высокой удельной мощностью. Но процесс их производства стоит очень дорого. Жидкие электроды представляют собой дешевую альтернативу с меньшей плотностью, которая не нуждается в обработке.

Батарея с жидким электролитом

Этот вид батарей состоит из двух жидких сплавов металлов, разделенных электролитом. Они просты в производстве, но требуют температуры в несколько сотен градусов Цельсия для поддержания сплавов в жидком состоянии. В этой технологии используются никель-кадмиевые, серно-натриевые и жидкометаллические батареи.

Серно-натриевые батареи используются для накопления энергии в электросетях Японии и США. Электролит состоит из твердого бета-глинозема. Жидкометаллическая батарея, разработанная исследовательской группой во главе с профессором Садовэем, использует жидкие сплавы магния и сурьмы, разделенные изоляционным слоем расплава солей. Разработка находится на стадии прототипа.

Проточная батарея

В перезаряжаемых проточных батареях жидкие электроды состоят из переходных металлов, погруженных в воду комнатной температуры. Их можно применять, как средство накопления энергии с быстрым реагированием. Ванадиевые проточные батареи являются еще одним типом этих устройств. Они установлены на ветряной электростанции «Huxley Hill» в Австралии, «Tomari» в японском Хоккайдо, а также – в отраслях, не предполагающих применение ветряных электростанций. На ветряной электростанции «Sorne Hill» в Ирландии. Была установлена проточная батарея емкостью в 12 МВт-ч. Эти накопительные системы разработаны для смягчения кратковременных изменений ветра. Бромоводород предлагался для использования в проточных батареях для коммунального использования.

Примеры

К примеру, пуэрториканская система емкостью в 20 МВт/15 мин. (4 МВт-ч) стабилизирует частоту производимого на острове тока. В 2003 году в Фэрбенксе, штат Аляска был установлен блок никель-кадмиевых батарей емкостью в 27 МВт/15 мин (6,75 МВт-ч) с целью стабилизировать напряжение на конце длинной линии электропередач.

В 2016 году для накопления энергии в электросети была предложена цинк-ионная батарея. В 2017 году Комиссия по вопросам деятельности коммунальных служб Калифорнии подсоединила 396 крупногабаритных блоков батарей «Tesla» к подстанции Мира Лома в городе Онтарио. В блоках размещено два модуля емкостью в 10 МВт (общая мощность – 20 МВт), каждый из которых может работать 4 часа, добавляя, таким образом, 80 МВт резервной мощности. Установка способна питать 15 000 домов в течение более четырех часов.

Для аккумуляторных накопительных электростанций было предложено использовать традиционные технологии типа литий-железо-фосфатных батарей, соединенных параллельно. Самыми большими накопителями энергии в электросетях США являются батареи электростанции Гранд-Ридж (штат Иллинойс) и Бич-Ридж (штат Западная Виргиния) емкостью в 31,5 МВт. В 2015 году в рамках проекта компании «Southern California Edison» строились две батареи общим объемом 400 МВт-ч (100 МВт/4 часа), батарея на острове Кауаи (штат Гавайи) мощностью в 52 МВт-ч с возможностью моментального сдвига до уровня 13 МВт-ч, вырабатываемых солнечной электростанцией к вечеру.

Уже существуют две батареи в городе Фэрбенкс (штат Аляска) (40 МВт/7 мин с использованием никель-кадмиевых элементов) и в населенном пункте Нотрис (штат Техас) (36 МВт/40 мин с использованием свинцово-кислотных батарей). В Германии из старых батарей электромобилей была собрана батарея емкостью в 13 МВт-ч. Ожидаемый срок работы – 10 лет.

В 2015 году в США была установлена батарея емкостью в 221 МВт. К 2020 году ожидается достижение общей емкости до 1,7 ГВт.

Электротранспорт

Компании исследуют возможность использования электротранспорта для удовлетворения пикового спроса. Припаркованный и подключенный к источнику питания, электротранспорт может продавать ток из батареи во время пиковых нагрузок и заряжаться либо ночью (дома), либо во внепиковые часы.

Гибридный транспорт или электромобили могут использоваться за счет своих возможностей по накоплению энергии. Использование технологии подключения транспорта к общей электросети позволит превратить каждое средство с собственным блоком батарей объемом 20-50 кВт-ч в распределенное устройство для выравнивания нагрузок или экстренный источник питания. Это значит, что энергии каждого транспортного средства хватит на 2-5 дней при потребности в 10 кВт-ч в сутки или 3 650 кВт-ч в год. Это количество энергии эквивалентно пути в 40-300 миль (64-483 км), которое преодолевает такой транспорт, потребляя 0,16-0,5 кВт-ч на милю.

Такие значения могут быть достигнуты даже у самодельного электротранспорта. Некоторые коммунальные энергосистемы планируют использовать старые батареи электромобилей (иногда – объединенные в один огромный блок) для хранения электроэнергии. Однако серьезным недостатком использования транспорта для накопления энергии в электросети является факт, что каждый цикл хранения подвергает батарею напряжению, аналогичному одному циклу зарядки-разрядки. Традиционные литий-ионные батареи на основе кобальта приходят в негодность после определенного числа циклов, хотя более современные батареи могут служить гораздо дольше, так как не начинают работать хуже после каждого цикла.

Также есть вариант заново использовать отработанные батареи электромобилей с целью накопления энергии в электросетях, так как ожидаемый срок их работы – около 10 лет. Если подобные накопители будут использоваться в крупных масштабах, тогда разрядившуюся батарею электромобиля, которую уже нельзя применять для движения, будет куда легче заменить по гарантии, так как у старой батареи тут же появится цена и применение.

Маховик

Основой этого метода накопления энергии является механическая инерция. Когда электрическая энергия проходит сквозь устройство, электромотор разгоняет тяжелый вращающийся диск. Мотор работает в качестве генератора, и обратный поток энергии замедляет диск и вырабатывает электричество. Электричество хранится в виде кинетической энергии диска. Трение должно оставаться минимальным для увеличения времени хранения. Это часто достигается благодаря помещению маховика в вакуум и магнитным подшипникам, что делает этот способ дорогим. Большая скорость вращения маховика позволяет добиться большего объема хранимой энергии, но при этом необходимы такие прочные материалы, как сталь или композитные материалы, чтобы преодолеть центробежную силу. Те объемы мощности и энергии, которые можно хранить в маховике, делают технологию экономичной, но неприменимой для обычных энергосистем. Такие системы, вероятно, лучше подойдет для выравнивания нагрузки железнодорожных энергосистем и увеличения качества энергии в таких возобновляемых энергосистемах, как ирландская система мощностью в 20 МВт.

Накопление энергии в маховике используется в тех сферах, где нужны сверхвысокие вспышки энергии в течение кратчайшего времени. Это – эксперименты с токамаком и лазером, где мотор-генератор ускоряется для достижения рабочей скорости и частично замедляется при разрядке.

На данный момент накопление энергии в маховике используется в виде дизельного роторного бесперебойного источника питания для обеспечения таких систем, как крупные датацентры, питанием из резервных источников. То есть, проходит относительно малое количество времени между потерей мощности главной линии и подготовки альтернативного источника типа дизельного генератора.

Потенциальное решение было предложено португальской организацией «EDA» на Азорских островах, в рамках которого предлагается разместить на островах Грасиоза и Флориш системы, использующей маховик мощностью в 18 МВт-с для улучшения качества тока и, таким образом, увеличить использование энергии из возобновляемых источников. Как предполагается из описания, эти системы также разработаны для сглаживания кратковременных изменений тока в цепи, но не для покрытия нехватки тока в течение пары дней.

Австралийская энергетическая компания развивает направления с применением ветряных турбин, маховиков и технологии дизельных двигателей малой загрузки для максимизации входного тока с ветряных электростанций к малым электросетям. Система, установленная в городке Корал Бэй (Западная Австралия), использует ветряные турбины вместе с системой управления на основе маховика и дизельных двигателей малой загрузки для достижения доли ветрогенерации в 60 % для городской электросети.

Водород

Водород также развивается, как средство накопления электрической энергии. Сначала его производят, затем – сжимают или превращают в жидкость, хранят при температуре -252,882 °С, после чего – превращают его в электричество или тепло. Водород можно применять как топливо для транспорта или стабильной выработки энергии. По сравнению с гидроаккумулированием и батареями водород обладает преимуществом, так как у него – высокая удельная энергетическая плотность.

Водород может производиться как посредством паровой конверсии, так и путем электролиза воды на водород и кислород. Паровая конверсия в качестве побочного продукта производит углекислый газ. Высокотемпературный электролиз и электролиз при высоком давлении – это два метода, за счет которых можно повысить эффективность производства водорода. Затем водород преобразовывается в электричество в двигателе внутреннего сгорания или топливном элементе.

КПД хранения переменного тока в водороде находится в пределах 20-45 %, что экономически ограничивает его применение. Соотношение цены покупки и продажи электричества должно быть, по меньшей мере, пропорциональным КПД для того, чтобы система себя окупала. Водородные топливные элементы могут реагировать достаточно быстро, чтобы корректировать быстрые колебания в количестве поставляемой энергии и регулировать частоту. Хотя при этом водород может использовать инфраструктуру для добычи и переработки природного газа, зависимую от строительных материалов сети, стандартов разъемов и давления в хранилище. Среди оборудования, необходимого для накопления энергии в водороде – электролизная фабрика, водородные компрессоры или разжижители и баки для хранения водорода.

Комбинированные микроисточники тепловой и электроэнергии могут использовать водород, как топливо. Некоторые АЭС могут быть способны получать выгоду от симбиоза с производством водорода. Газ высокой (950-1 000 °С) температуры охлаждает реакторы 4 поколения, которые будут способны добывать водород из воды путем электролиза посредством термохимических средств с использованием тепла от ядерной реакции по типу серно-йодного цикла. К 2030 году ожидается появление первых коммерческих реакторов.

В 2007 году появилось сообщество, занимающееся программой с использованием ветряных турбин и водородных генераторов в отдаленной деревушке Рамеа (провинция Нью-Фаундленд и Лабрадор, Канада). Схожий проект продолжается с 2004 года в маленьком норвежском городке Утсира.

Хранение водорода под землей

Хранение водорода под землей – способ хранения водорода в подземных пещерах, соляных куполах и опустошенных нефтяных и газовых меторождениях. Британская компания «Imperial Chemical Industries» без каких-либо трудностей хранит большие объемы газообразного водорода в подземных пещерах много лет. В 2013 году было отмечено, что европейский проект «Hyunder» нуждается в 85 дополнительных пещерах для хранения энергии с ветряных и солнечных электростанций, так как эта потребность не может быть покрыта за счет гидроаккумулирующих электростанций и хранилищ энергии в форме сжатого воздуха.

Преобразование энергии в газ

Преобразование энергии в газ – технология, позволяющая преобразовать электрическую энергию в газовое топливо. Существует 2 метода применения, первый из которых использует электричество для разложения воды и вводит полученный водород в резервуар с природным газом.

Второй, менее эффективный метод используется для преобразования углекислого газа и воды в метан с применением электролиза и реакции Сабатье. Избыточная или внепиковая энергия, производимая ветрогенераторами или солнечными панелями, используется для выравнивания нагрузки в электросети. Используя современную систему снабжения природным газом для водорода, производитель топливных ячеек «Hydrogenics» и компания-дистрибьютор природного газа «Enbridge» объединились для разработки подобной системы в Канаде.

Трубопровод от газораспределительной системы также применяется для хранения водорода. Прежде чем перейти на природный газ, немецкая система газоснабжения работала на коксовом газе, большую часть которого составляет водород. Пропускная способность немецкой системы газоснабжения превышает 200 000 ГВт-ч, этого достаточно для обеспечения потребностей в энергии в течение нескольких месяцев. Для сравнения, емкость всех гидроаккумулирующих электростанций Германии – всего лишь около 40 ГВт-ч. Перенос энергии через газопровод осуществляется с куда меньшими потерями (менее 0,1 %), чем по электросети (8 %). «NaturalHy» исследовала возможность использования существующих газопроводов для поставок водорода.

Проект преобразователя энергии в аммиак

Проект преобразователя энергии в аммиак предлагает безуглеродистый способ накопления энергии с возможностью применениях в самых разных отраслях. При избытке возобновляемой энергии она может быть преобразована в аммиак, применяемый на небольших заводах. Существующая технология может применяться для производства аммиака путем разложения воды на водород и кислород при помощи электричества, использования высокой температуры и давления для преобразования водорода и азота из воздуха в аммиак. При хранении в жидком состоянии аммиак схож с пропаном, в отличие от водорода, который тяжело превратить в жидкость и хранить при температуре -252,882 °С. Как и природный газ, вырабатываемый и хранимый аммиак может использоваться энергокомпаниями в любое время, как топливо для выработки энергии.

Аммиак может храниться в жидком состоянии. Так, стандартный бак в 60 000 м3 содержит около 211 ГВт-ч энергии, что эквивалентно годовой выработке примерно 30 ветрогенераторов. Аммиак можно сжигать без последствий, так как высвобождаются только вода и азот, но не углекислый газ и окислы азота. В дальнейшем аммиак можно применять, как удобрение, химический реактив широкого применения, реактив для удаления окиси азота и энергоноситель. Его гибкость в применении и наличие инфраструктуры для транспортировки, распределения и использования делает аммиак отличным кандидатом для роли безуглеродистого промышленного энергоносителя будущего.

Гидроаккумулирование

В 2008 году объем энергии, выработанной путем гидроаккумулирования, составлял 104 ГВт, хотя другие источника заявляли о 127 ГВт, включающих подавляющее большинство типов накопления энергии в электросетях. Остальные типы в совокупности давали несколько сотен МВт.

Во многих районах гидроаккумулирование используется не только для выработки энергии в дневное время, но и во время внепиковых часов и выходных, когда вода закачивается в резервуары, используя избыточную базовую нагрузку угольных или атомных электростанций. При пиковых часах это вода может использоваться для выработки гидроэлектричества, часто – как ценный резерв для быстрого покрытия кратковременных пиков потребления. Гидроаккумулирование возвращает от 70 до 85 % процентов потребляемой энергии, и на данный момент это – самый эффективный вид накопления энергии в промышленности. Главная проблема гидроаккумулирования – потребность в двух соседних резервуарах различной длины и серьезных капиталовложениях.

Системы гидроаккумулирования обладают высокой скоростью реакции. Это означает, что они могут быть очень быстро (как правило, в течение 15 секунд) подключены, что делает их очень эффективными при поглощении колебаний при поставке тока потребителям. Гидроаккумулирующие электростанции вырабатывают около 90 ГВт энергии, что составляет 3 % от всей мировой выработки энергии из неисчерпаемых источников. Такие системы гидроаккумулирования, как британская электростанция Дайнорвиг, способны вырабатывать ток в течение 5-6 часов, и сглаживать колебания при поставке тока потребителям.

Еще один пример – китайская гидроаккумулирующая электростанция Тянхуангпин, вырабатывающая 1836 МВт энергии. Она обладает резервуаром объемом в 8 млн. м3 (2,1 млрд. американских галлонов, или объем воды, проходящей через Ниагарский водопад за 25 минут) и расстоянием по вертикали в 600 м (1970 футов). Он способен обеспечить 13 ГВт-ч гравитационной потенциальной энергии, преобразовываемой в электричество с КПД в 80 %. Эта величина равна 2 % от ежедневного потребления энергии в Китае. Новый проект системы гидроаккумулирования использует энергию ветра или солнца для закачки воды. Ветряные турбины или элементы солнечных батарей, напрямую управляющие водяными насосами для хранения энергии ветра или солнца в дамбе, могут сделать этот процесс более эффективным, но пока они – ограничены. Такие системы могут лишь увеличить объем движущейся воды при ветреной или солнечной погоде.

Плотина ГЭС

Плотины ГЭС с крупными резервуарами также могут работать для обеспечения выработки энергии в пиковые часы. Вода хранится в резервуаре во время периодов малой загрузкой и проходит через ГЭС при повышении спроса. Конечный результат схож с гидроаккумулированием, но при этом нет потерь при закачке. В зависимости от объема резервуара электростанция может обеспечивать изменение нагрузки в течения дня, недели или сезона.

Многие существующие плотины ГЭС (как плотина Гувера, построенная в 1930-х годах) серьезно устарели, ведь они были спроектированы за несколько десятилетий до появления таких неисчерпаемых источников энергии, как ветер или солнце. Изначально плотины ГЭС строились для обеспечения базисной нагрузки, которая пойдет на генераторы станции, калиброванные под средний объем стока воды в резервуар. Установка новых генераторов на подобную дамбу повысит емкость пиковой исходящей энергии, таким образом, ее емкость вырастет в достаточной степени, чтобы она стала возможным средством накопления энергии в энергосети.

Бюро мелиорации США доложило, что для улучшения существующих дамб потребуется 69$ за кВт емкости в то время как аналогичные затраты на нефтяные пиковые генераторы превышают 400$ за кВт. Хотя улучшенные плотины ГЭС не хранят избыточную энергию других генераторов напрямую, они проявляют себя аналогично за счет накопление собственного топлива в виде поступающей речной воды во время большого объема производства энергии.

Таким образом, работая, фактически, в качестве накопителя энергии для электросети, улучшенная плотина является одной из самых эффективных форм хранения энергии, так как нет потерь при закачке воды для заполнения, но есть потери при испарении и утечке.

Плотина с крупным резервуаром, соответственно, может хранить и освобождать большее количество энергии, контролируя расход реки и увеличивая или уменьшая уровень воды в резервуаре в пределах нескольких метрах. Ограничения по применению подобных плотин – частый предмет споров в области водного права, призванного ограничить низовой эффект для рек. К примеру, электросети, подпитываемые за счет базовой нагрузки ТЭС, АЭС или ветряных электростанций, производящих избыточную энергию ночью, дамбам все равно необходимо спускать достаточно воды для поддержания нормального уровня воды в реках независимо от того, поставляется ли ток или нет.

Энергия сверхпроводникового магнитного поля

Система сверхпроводниковых магнитных накопителей хранит энергию в магнитном поле, созданную течением постоянного тока в сверхпроводящей катушке, охлажденной криогенным путем до температуры ниже критической температуры сверхпроводимости. Типичная система подобного плана состоит из сверхпроводящей катушки, мощной системы кондиционирования и холодильник с криогенным охлаждением. Как только сверхпроводящая катушка заряжается, ток не ослабевает, и магнитную энергию можно хранить бесконечно долго. Накапливаемая энергия может попадать обратно в сеть после разрядки катушки.

Мощная система кондиционирования работает как инвертор/выпрямитель для преобразования переменного тока в постоянный и обратно. При работе инвертора/выпрямителя теряется примерно 2-3 % при преобразовании в каждую сторону. ССМН теряет меньше всего энергии в процессе накопления по сравнению с другими способами. Системы СМН невероятно эффективны, так как КПД при цикличном движении превышает 95 %. Первым ограничением для коммерческого применения данного метода является высокая цена сверхпроводников.

За счет потребностей энергии для заморозки и ограничений для объема накопленной энергии ССМН сейчас применяется для кратковременного хранения энергии. Вследствие этого данные системы чаще всего используются для увеличения качества энергии. Если бы ССМН использовались для коммунальных нужд, то она бы хранила энергию в течение дня, заряжалась бы ночью за счет базовой нагрузки электростанции и работа в пиковый период в течение дня. Системы сверхпроводниковых магнитных накопителей все еще находятся на стадии теоретической разработки.

Тепловая энергия

В Дании прямое накопление энергии считается слишком дорогим для использования в промышленных масштабах, хотя серьезная доля энергии производится работающей Норвежской ГЭС. Вместо этого предпочтительным путем считается использование существующих емкостей для хранения горячей воды, присоединенных к системам центрального теплоснабжения, нагреваемым как электрокотлами или теплонасосами. Потом накопленное тепло подается в дома по теплотрассам.

Расплавы солей применяют для хранения тепла, собранного гелиоустановками, поэтому их можно использовать для производства электричества в плохую погоду или ночью. Внепиковое электричество можно использовать для превращения воды в лед и его хранения. Лед может применяться для охлаждения воздуха в больших помещений, которые будут использовать переменный ток, смещая нагрузку на внепиковые часы. В других накопительных системах лед используется для охлаждения поступающего в газотурбинный генератор воздуха, следственно, растет пиковая пропускная способность и эффективность.

Система накопления тепла использует высокореверсивные тепловых двигателей или теплонасосов для закачки тепла между двумя накопительными баками, где один – нагревается, а другой – охлаждается. Британская машиностроительная фирма «Isentropic», занятая разработкой данной системы, заявляет, что КПД цикла накопления и высвобождения – 72-80 %.

Накопление гравитационной потенциальной энергии в твердых телах

Согласно журналу «Scientific American», подъемники для лыжников и железнодорожные пути рассматриваются, как способ хранения энергии движения тяжелых предметов вверх и вниз.

Накопление энергии — сколько это стоит

В первую очередь, стандартный тариф на хранение электроэнергии зависит от типа и целей хранения, а уже потом – от регулирования частоты, наличия пиковых электростанций и сезонного аккумулирования.

Утверждается, что использование энергии из аккумуляторов будет стоить 12-17 центов/кВт. Вообще говоря, накопление энергии выгодно при условии, что предельные издержки на электричество будут отличаться сильнее, чем сумма издержек на хранение и восстановление энергии и издержек на потере энергии. К примеру, водохранилище гидроаккумулирующей электростанции может закачать в свой верхний резервуар воду для производства 1 200 МВт-ч после всех учтенных потерь (испарение и протечка в резервуаре, потери эффективности и т.д.).

Если предельная стоимость электричества во внепиковые часы — 15$/МВт-ч, а КПД резервуара — 75 % (потребляется 1 600 МВт-ч, из которых возвращается 1 200 МВт-ч), общая стоимость заполнения резервуара составит 24 000 $. Если вся накопленная энергия будет продана на следующий день за 40$/МВт-ч в пиковые часы, то доход составит 48 000 $. Таким образом, валовая прибыль составит 24 000 $.

Однако, предельные издержки на электричество отличаются из-за отличий в стоимости работы и топлива для генераторов разных классов. С одной стороны, такие базисные электростанции, как угольные или атомные, обладают генераторами с низкими предельными издержками, так как у них – высокие капитальные и эксплуатационные расходы, но малые расходы на топливо.

С другой стороны, у таких пиковых электростанций, как газотурбинные, сжигается дорогое топливо, но они – дешевле в строительстве, работе и обслуживании. Чтобы минимизировать общие затраты на работу генераторов, большинство базисных генераторов почти все время работают в экстренном режиме, в то время как пиковые генераторы работают в таких условиях только при необходимости, в основном – при пиковых запросах на электроэнергию. Это называется «экономичным распределением нагрузки».

Потребности мировых электросетей в энергии варьируются в течение дня и в зависимости от времени. В большинстве случаев потребности в электричестве меняются в зависимости от того, сколько энергии обеспечивается первичными источниками. Однако все больше владельцев хранят дешевую энергию, произведенную ночью, после чего – передают ее электросетям в пиковые периоды, когда она становится более ценной.

В регионах с плотинами ГЭС передача энергии происходит при повышенном спросе. Такая форма хранения энергии широко распространена и может использовать уже существующих резервуаров. Это не является хранением «избыточной» энергии, произведенной где-либо, но конечный результат тот же. Отличие заключается лишь в отсутствии потерь в передаче энергии. Доля таких возобновляемых источников, как энергия ветра или солнца, показывает тенденцию к росту, что увеличивает возможности накопления энергии в электросетях.

Поиск альтернативного рынка для неиспользованной энергии может быть более выгодным, чем попытка сохранить ее. Высоковольтная линия постоянного тока позволяет передавать электричество, теряя лишь 3 % от объема на 1 000 км.

Сглаживание нагрузки

Потребности промышленности и рядовых потребителей в электричестве постоянно меняются по таким категориям: 

  1. Сезонные (во время темной зимы нужно больше электрического освещения и тепла, в то время как в местах с жарким климатом нужно больше ресурсов для охлаждения воздуха.
  2. Еженедельные (большая часть промышленных предприятий закрывается в выходные дни, снижая потребность в энергии)
  3. Ежедневные (пример – утренний пик при открытии офисов, в которых включаются кондиционеры)
  4. Ежечасные (один из способов оценки количества телезрителей в Соединенном Королевстве – оценка пиковых мощностей во время рекламных пауз или программ, когда зрители включают чайник)
  5. Кратковременные (колебания из-за действий отдельных людей, изменения в эффективности передачи мощности и другие малые факторы, которые стоит учитывать)

На сегодня существует три главных способа реагирования на изменение спроса:

  1. Электрические приборы, как правило, имеют рабочий диапазон напряжения, необходимого для работы, чаще всего – 110-120 или 220-240 В. Незначительные изменения нагрузки автоматически сглаживаются за счет небольшого изменения напряжения в системе.
  2. Электростанции могут работать ниже своей нормальной производительности, а также – иметь способность практически мгновенно наращивать объем производства энергии. это называется «горячий реверс».
  3.  Можно задействовать дополнительные мощности. Как правило, это – гидро- или газотурбинные генераторы, которые запускаются за несколько минут.

Проблемой использования запасных газотурбинных генераторов является более высокая стоимость, ведь дорогостоящее оборудование не используется большую часть времени. Горячий реверс также стоит дорого, а электростанции, работающие меньше максимальной мощности, обычно менее эффективны. Накопление энергии в электросети применяется для смещения генерации к внепиковым часам. Электростанции способны работать на своих пиковых мощностях ночью и в выходные.

Управление электропотреблением

Необходимо уменьшить разницу между выработкой и потребностями в энергии, чтобы сохранить стабильность энергоснабжения и справиться с изменяющейся нагрузкой. Если это произойдет через изменение нагрузок, то речь идет об управлении электропотреблением. Десятилетиями электростанции продавали внепиковую энергию крупным потребителям по более низким ценам с целью заставить их сдвинуть нагрузку на внепиковые часы, как это делали телефонные операторы. Обычно эти связанные со временем цены обсуждаются заранее.

Пытаясь сохранить больше денег, некоторые компании экспериментируют, продавая электричество по поминутному тарифу спот, который позволяют этим пользователям следить за оборудованием и обнаруживать потребности в пиковой энергии по мере их появления, экономя свои деньги и деньги компании. Управление электропотреблением может быть ручным или автоматическим, и не ограничиваться лишь крупной промышленностью. В случае с жильем или малым бизнесом контрольные модули могут уменьшить потребление энергии кипятильниками, кондиционерами, холодильниками и другими приборами во время этих периодов за счет их отключения до момента пиковой нагрузки. Управление энергопотреблением включает не только общее уменьшение потребляемой энергии или сдвиг нагрузок к внепиковым часам.

Крайне эффективным способом подобного управления является призыв к потребителям устанавливать больше энергосберегающих приборов. К примеру, многие компании предлагают скидки на приобретение изоляции, утеплителей и энергосберегающих ламп. Некоторые субсидируют покупку геотермальных теплонасосов, которые позволяют уменьшить потребность в энергии летом и сделать кондиционирование воздуха на 70 % эффективнее, а также – уменьшить потребление энергии зимой в сравнении с традиционными воздушными насосами или резистивным нагревом.

Компании с заводами и крупными зданиями также могут устанавливать такие товары, но также они могут покупать такое энергосберегающее промышленное оборудование, как отопительный котел, или применять более эффективные производственные процессы. В качестве стимула для них могут служить скидки на займы от компаний или властей на установку энергосберегающего оборудования.

Портативность

Это – поле для наибольшего успеха нынешних технологий хранения энергии. Одноразовые и перезаряжаемые батареи, обеспечивающие энергией и часы, и машины,  встречаются всюду. Портативная массовая электроника получает немало выгод от уменьшения размера и энергии согласно закону Мура. К сожалению, он не позволяет применять эту энергию для перемещения людей и грузов, так как ее понадобится несравнимо больше, чем для информационных и развлекательных отраслей. Емкость батарей становится все больше, что позволяет говорить о ней, как об альтернативе двигателя внутреннего сгорания для машин, грузовиков, автобусов, поездов, кораблей и самолетов. Для нее потребуется куда большая плотность энергии, чем та, что обеспечивает нынешняя технология. Жидкое углеводородное топливо (бензин и дизтопливо), также как и спирты (метанол, этанол и бутанол) и жиры (подсолнечное масло, биодизель) обладают куда большей плотностью энергии.

Существуют синтетические пути использования электричества для удаления углекислого газа и воды из жидких углеводородов или спиртов. Они начинаются с электролиза воды для образования водорода и удаления углекислого газа и избытка водорода из водяного пара. Среди альтернативных источников углекислого года – бродильные и очистные заводы. Преобразование электроэнергии в жидкое углеродное топливо может обеспечить запас энергии, применимый большим количеством машин и другого оборудования без проблем, связанных с работой на водороде или другом нетрадиционном энергоносителе. Такие синтетические пути могут привлечь внимание в связи с попытками стран, зависимых от импорта бензина, но имеющих мощные ядерные или возобновляемые источники энергии, улучшить энергетическую безопасность, а также – справиться с возможным падением объемов импорта бензина в будущем.

Из-за крайне неэффективного использования бензина транспортом, замена бензинового транспорта на электрический не потребует больших денежных вливаний в течение многих лет.

Надежность

Практически на все электрические приборы плохо влияет внезапное отключение питания. Такие решения, как неисчерпаемые источники энергии или запасные генераторы, выгодны, но дороги. Эффективные способы накопления энергии позволят устройствам иметь встроенный запасной элемент на случай отключения тока, а также – смягчат последствия перебоя в работе электростанции. Существующие примеры – топливные элементы и маховики.

(1 оценок, среднее: 5,00 из 5) Загрузка...

proagregat.com

Аккумулирование энергии - технология, которая перевернет энергетику - Мanufactory-Industry-Design

Аккумулирование энергии (оно же – аккумулирование мощности) – процесс, в ходе которого энергия, выделяемая из внешних источников (солнечных, тепловых, ветряных и осмотических электростанций, а также – кинетической энергии или энергии окружающей среды), захватывается и хранится в небольших беспроводных автономных устройствах, подобных тем, что используются в носимых компьютерах и беспроводных сенсорных сетях.

Аккумуляторы энергии обеспечивают очень мало энергии для энергосберегающей электроники. В то время, как для выработки электроэнергии в больших объемах необходимы полезные ископаемые (нефть, уголь и так далее), источником энергии для аккумуляторов станет окружающая среда.

Так, к примеру, перепады температур появляются при работе двигателя внутреннего сгорания и в городских условиях, а больное количество электромагнитной энергии в окружающей среде из-за радио- и телевещания.

Одним из самых первых применений энергии, собранной из электромагнитного излучения окружающей среды, стал детекторный приемник.

Принципы аккумулирования энергии из фонового электромагнитного излучения могут быть продемонстрированы с помощью основных компонентов.

Эксплуатация

Аккумуляторы, преобразующие энергию окружающей среды в электричество, вызывают большой интерес как у военной, так и у коммерческой отрасли.

Некоторые системы, преобразующие кинетическую энергию, в частности – энергию океанических волн, электричество, могут применяться океанографическими датчиками контроля для автономной работы. В будущем такие аккумуляторы могут применяться для высокомощных устройств выдачи (или их антенн), развернутых в удаленной местности и служащих в качестве надежных электростанций для крупных систем.

Также аккумуляторы можно применять для носимой электроники, где с их помощью можно будет заряжать или перезаряжать сотовые телефоны, портативные компьютеры, радиотехнические средства связи и тому подобное. Все эти устройства должны быть достаточно надежными, чтобы переносить неблагоприятные условия окружающей среды, и иметь достаточно широкий уровень динамической чувствительности, чтобы использовать целый спектр волновых движений.

Накопление энергии

Энергия также может накапливаться в мощных миниатюрных автономных датчиках, подобных тем, что разработаны с использованием микроэлектромеханической технологии. Они зачастую очень малы и нуждаются в малых объемах энергии, но их применение ограничено из-за опоры на мощность батареи.

Аккумулирование энергии из колебаний окружающей среды, ветра, тепла или света может дать способность умным датчикам работать бесконечно долго. Несколько научных и коммерческих групп вовлечены в анализ и разработку аккумулирования энергии из колебаний.

В их числе – Группа по контролю над Управляющими Мощностями, Группа по разработке Оптических и Полупроводниковых устройств при Имперском колледже Лондона, ИМЕК и сотрудничающий Центр Хольста, компании «Adaptive Energy», «LLC», «ARVENI», Массачусетский технологический институт, Викторианский институт в Веллингтоне, Технологический институт Джорджии, Калифорнийский университет в Беркли, Саутгемтонский университет, Бристольский Университет, Лаборатория микроэнергетических систем при Токийском университете, Наньянский технологический университет, компании «Perpetuum» и «ReVibe Energy», Вестфолльский университетский колледж, Национальный университет Сингапура, Научно-исследовательская лаборатория при Университете Перуджи, Колумбийский университет, Автомномный университет Барселоны, Лаборатория по исследованию экологически чистой энергии при университете в Ульсане (Южная Корея). Национальный научный фонд также поддерживает совместный научно-исследовательский центр при Политехническом университете Виргинии и Техасском университете в Далласе. Он известен, как Центр по исследованию материалов и систем аккумулирования энергии.

Как правило, доступная удельная мощность аккумуляторов энергии сильно зависит от конкретной отрасли (влияя на размер генератора) и самой конструкции генератора. В целом, устройства, преобразующие движение в энергию, как правило, способны производить несколько мкВт/см3, работая от движений человеческого тела, и несколько сотен мкВт/см3 – работая с механизмом. Большинство аккумуляторов энергии для носимой электроники вырабатывают крайне малую мощность.

Хранение энергии

В основном, энергия может храниться в конденсаторе, ионисторе или батарее. Конденсаторы применяется в случае необходимости обеспечения крупных энергетических всплесков. Из батареи просачивается меньше энергии, поэтому ее используют, если устройству нужен стабильный ток.

Использование энергии

На данный момент аккумулирование энергии в малых объемах представляет интерес для независимых сенсорных сетей. В этой отрасли аккумуляторы энергии будут брать запасенную в конденсаторе энергию, изменять ее мощность посредством второго конденсатора или батареи, чтобы использовать ее в микропроцессоре. Эта энергия может быть использована датчиками или накопителями данных, или же, вероятнее всего, для передачи беспроводным путем.

Причины

История аккумулирования энергии уходит к ветряным мельницам и водяным колесам. Люди десятилетиями искали способы сохранения энергии из тепла и колебаний. Движущей силой для поиска новых устройств для накопления энергии стало стремление к созданию мощных сенсорных сетей и мобильных устройств без батарей. Также причиной развития этой отрасли стала стремление обратить внимание на вопрос изменения климата и глобальное потепление.

Устройства

Существует много источников энергии малой мощности, которые в, большинстве своем, не могут быть применены в промышленных масштабах:

  • Некоторые наручные часы, работающие за счет кинетической энергии (известны, как часы с автоматическим заводом), где используется движение рук. За счет движений рук происходит скручивание спусковой пружины. Последний концепт, предложенный компанией «Seiko», использует ход магнита из электромагнитного генератора вместо мощности кварцевого элемента. Движение обеспечивается частотой изменения потока, из-за чего создается небольшая электродвижущая сила в катушках. Концепт тесно связан с законом электромагнитной индукции.
  • Фотовольтаика – способ выработки электроэнергии путем преобразования солнечного излучения (как в помещении, так и на открытом воздухе) в постоянный ток с использованием полупроводников, обладающих фотоэлектрическими свойствами. Фотовольтаика осуществляется при помощи солнечных панелей, состоящих из многочисленных ячеек с фотоэлементами. Примечательно, что фотовольтаика может применяться в промышленных масштабах, так как существуют достаточные крупные солнечные фермы.
  • Термоэлектрические генераторы (ТЭГи), состоящие из сплавов двух различных материалов и работающие за счет перепада температур. Большое напряжение на выходе возможно, если последовательно соединить электрические элементы, а и параллельно – тепловые. Как правило, переход дает напряжение в 100-300 мкВ/Кл. Такой способ выработки энергии можно использовать для того, чтобы собирать микроватты энергии от промышленного оборудования, систем или даже от человеческого тела. Как правило, они соединены с поглотителями тепла для увеличения перепада температур.
  • Малая ветряная турбина применяется для аккумулирования энергии ветра, присутствующего и в окружающей среде, и в виде формы кинетической энергии, и предназначена для питания таких электронных устройств малой мощности, как узлы беспроводной сенсорной системы. Когда воздух обтекает лопасти турбины, из-за разницы над лопастями и под ними создается разница в давлении. В результате создается подъемная сила, в свою очередь, вращающая лопасти. Так же, как и в случае с фотовольтаикой, уже существуют ветряные электростанции промышленных масштабов, что может позволить им вырабатывать существенные объемы электроэнергии.
  • Пьезоэлектрические кристаллы или волокна, создающие ток с малым напряжением после каждой механической деформации. Стимуляция пьезоэлектриков может произойти как от вибраций двигателя, так и от нажатия на кнопку или шагов в обуви.
  • Специальные антенны, способные накапливать энергию из радиопомех. Также ее функция может выполнять антенна с выпрямителем или даже наноантенна (при работе с сверхвысокочастотным ЭМИ).
  • Энергия от нажатия на клавиши во время использования портативной электроники или устройств с дистанционным управлением, используемая магнитными, катушечными или пьезоэлектрическими преобразователями, может использоваться в качестве вспомогательного источника питания.

Источники фонового изучения

Одним из возможных источников энергии могут стать распространенные радиопередатчики. Исторически сложилось так, что при большой области аккумулирования или близости к источнику беспроводной передачи электричества необходимо много энергии. Наноантенна – одно из изобретений, которое предлагает преодолеть это ограничение через преобразование энергии фонового излучения (к примеру, солнечного).

Теоретически можно использовать радиовещание для подпитки устройств с дистанционным управлением, так как сейчас широко распространены система пассивной радиочастотной идентификации (РИ), но Федеральная комиссия по связи США (как и ряд аналогичных структур по всему миру) ограничили максимальную мощность, которая может быть передана этим путем для гражданского пользования. Этот метод используется для усиления индивидуальных узлов в беспроводной сенсорной сети.

Движение потока жидкости или газа

Энергия из воздушных потоков тоже может быть аккумулирована при помощи различных генераторов с турбинами и без них. К примеру, малая ветряная турбина «Windbeam» собирает энергию для перезарядки батарей и подпитки электроники из воздушных потоков, создаваемых ветрами со скоростью менее 2 миль/ч. Кровоток может использоваться для подпитки приборов. К примеру, в Университете Берна был разработан кардиостимулятор, использующий кровоток для завода пружины, запускающей микроэлектрогенератор.

Фотовольтаика

Беспроводная технология накопления энергии с использованием фотоэлементов предлагает серьезные преимущества в сравнении с проводной или исключительно аккумуляторной технологиями хранения энергии. Среди них – практически неисчерпаемый источник энергии без негативных для окружающей среды последствий. Современные системы фотоэлементов, расположенные в помещении, набирают мощность за счет специального покрытия из некристаллического силикона, используемого также в калькуляторах на солнечных батарейках. В последние годы появились новые технологии в области фотовольтаики, в частности – ячейки Гретцеля. Краситель поглощает свет также, как хлорофилл в растениях. Освободившиеся электроны попадают на слой оксида титана, откуда распространяются по всей площади электролита. Краска может быть создана так, что при видимом свете она производит намного больше энергии. К примеру, ячейка Гретцеля при освещенности в 200 люкс способна обеспечить более 10мкВт/см2 энергии.

Пьезоэлектричество

Пьезоэлектрический эффект позволяет преобразовать механическое воздействие в электрический ток или напряжение. Воздействие может появиться за счет множества разных источников. Среди повседневных примеров – движение человека, низкочастотные сейсмические колебания и акустический шум. За редким исключением, пьезоэлектрический эффект связан с переменным током, требующим периодически сменяющегося значения механического резонанса для эффективной работы.

Большинство источников пьезоэлектричества вырабатывают мощность, измеряемую в мВт (милливаттами), которой недостаточно для систематического использования, но достаточно для таких наручных устройств, как некоторые коммерческие модели часов с автоматическим заводом.

Также предлагается использовать пьезоэлектрик в таких малогабаритных устройствах, как микронакопитель гидравлической энергии. В нем поток находящейся под давлением гидравлической жидкости будет управлять поршнем возвратно-поступательного хода, поддерживаемым тремя пьезоэлектрическими элементами, преобразующими изменения давления в переменный ток.

Так как аккумулирование энергии с помощью пьезоэлектриков начало изучаться только с конца 1990-х годов, эта технология развивается до сих пор. Несмотря на это, инженерный колледж при Научном институте прикладных исследований (связанном, в свою очередь, с компанией «Arveni») сделал немало интересных открытий, связанных с переключателями с автономным источником питания. В 2006 году была создана первая беспроводная кнопка для дверного звонка, работающая без батареи.

Так же недавно было доказано, что обычный беспроводной переключатель можно запитать от пьезоэлектрического аккумулятора. Остальные возможности применения в промышленности (примеры – аккумулирование энергии из колебаний или ударов с подающими датчиками) появились в 2000-2005 годах.

Пьезоэлектрические системы могут преобразовывать движение человека в энергию. Управление перспективных исследовательских проектов при Министерстве обороны США финансировало программы по преобразованию движений рук и ног, шагов в обуви, и кровяного давления в энергию, необходимую для маломощных имплантируемых или носимых датчиков.

Еще одним примером пьезоэлектрических аккумуляторов энергии являются нанощетки, которые можно вшить в одежду. Многие другие наносистемы использовались для создания устройства для аккумулирования энергии. Так, например, однокристальный ПМЯ-ИТ нанопояс был создан и преобразован в пьезоэлектрический аккумулятор энергии в 2016 году. Для того, чтобы до предела уменьшить дискомфорт человека, такие устройства нуждаются в тщательном проектировании.

Эти источники накапливаемой энергии будут также влиять и на тело. Еще одним проектом, который старается создать устройство для аккумулирования энергии из колебаний и движения окружающей среды, стал «Vibration Energy Scavenging». Для накопления энергии дыхания можно использовать микропояс. Наконец, удалось создать пьезоэлектрический накопитель энергии величиной в несколько миллиметров.

Использование пьезоэлектриков для аккумулирования энергии уже стало популярным. Они способны преобразовывать энергию механического воздействия в электрический заряд. Пьезоэлементы уже монтируют в покрытия аллей, чтобы собирать энергию из человеческих шагов.

Также их можно встроить в обувь для накопления «энергии от прогулок». В 2005 году исследователи из Массачусетского технологического университета разработали первый микроскопический пьезоэлектрический накопитель энергии с использованием тонкой пленки из цирконат-титаната свинца.

Арман Хаджати и Сан Гук Ким изобрели сверхширокополосный микроскопический пьезоэлектрический накопитель энергии, используя нелинейную жесткость двух резонаторов микроэлектромеханических систем. Сила деформации, направленная к двунаправленным лучам, приводит к изменяемой жесткости, обеспечивающей пассивную обратную связь, а позднее – резонанс.

Энергия из «умных дорог» и пьезоэлектричество

В 1880 году братья Пьер и Жак Кюри представили идею пьезоэлектричества. Пьезоэлектрический эффект позволяет преобразовать энергию механического воздействия в электричество, что дает возможность вырабатывать энергию от шагов, веса, колебаний и изменений температуры.

Пленки из цирконат-титаната свинца привлекли внимание, как перспективные компоненты для датчиков силы, акселерометров, гироскопов, исполнительных устройств, настраиваемой оптики, микроскопических насосов, сегнетоэлектрических ОЗУ, дисплеев и умных дорог.

Ведь при ограниченности источников энергии важную роль для окружающей среды будет играть именно аккумулирование энергии. Умные дороги также могут сыграть серьезную роль в выработке энергии. Вмонтированные в дорожное покрытие пьезоэлектрики могут преобразовывать давление движущихся автомобилей в напряжение и электричество.

Умная система транспортировки

Пьезоэлектрические датчики – самые полезные элементы, которые можно использовать для создания интеллектуальных систем «умных дорог», а также – увеличения их эффективности при продолжительной работе.

Многие десятилетия ученые и эксперты спорили о том, как лучше преодолеть пробки при помощи таких интеллектуальных транспортных систем, как датчики на обочинах, нужные для измерения плотности транспортного потока и синхронизации работы светофоров для его контроля.

Но из-за цены эти технологии очень ограничены. Существуют также умные технологии, которые уже готовы к быстрому развертыванию и эксплуатации, но большинство из них все еще находятся на стадии разработки и не могут быть воплощены на практике, как минимум, в ближайшие пять лет.

Пироэлектричество

Пироэлектрический эффект преобразовывает изменения температуры в электричество или напряжение так же, как и в случае с пьезоэлектрическим эффектом, являющимся разновидностью сегнетоэлектричества.

Пироэлектрик требует периодически изменяющегося входного сигнала и, как правило, отличается током крайне малой мощности на выходе, которой не хватает для аккумулирования.

Однако, ключевым преимуществом пироэлектрики над термоэлектрикой является стабильность многих пироэлектриков при температуре свыше 1200 °С, что позволяет использовать их для аккумулирования энергии из высокотемпературных источников, и в дальнейшем – увеличить их термодинамическое КПД.

Одним из способов превратить израсходованное тепло в электричество является осуществление цикла Ольсена с пироэлектриками. Цикл Ольсена состоит из двух изотермических и изоэлектрических полей, в которых происходят процессы по смещению электрического поля.

Основой цикла Ольсена является заряд конденсатора через охлаждение в маломощном электрическом поле и разряд – при нагревании или мощном электрическом поле. Для реализации цикла Ольсена было разработано несколько пироэлектрических преобразователей, использующих проводимость, конвекцию или излучение. Также существует теоретическое обоснование того, что пироэлектрическое преобразование основано на регенерации тепла, используемой в колеблющейся рабочей жидкости, а за счет цикла Ольсена можно достичь КПД цикла Карно между горячим и холодным тепловым резервуаром.

Более того, недавние исследования показали, что полимеры на основе поливинилденфторид-трифторэтилена или керамика на основе цирконат-титанат свинца могут стать перспективными пироэлектриками, которые будут применяться для в преобразователях энергии за счет своей большой плотности энергии, создаваемой при низких температурах. К тому же, недавно был представлен пироэлектрический накопитель энергии, не нуждающийся периодически меняющегося входного сигнала.

Аккумулятор энергии использует деполяризуемое электрическое поле нагретого пироэлектрика для преобразования тепловой энергии в механическую вместо извлечения электрического тока из двух электродов, прикрепленных к граням кристалла.

Термоэлектричество

В 1821 году Томас Иоганн Зеебек открыл, что перепад температур, созданный между двумя различными проводниками, вырабатывает напряжение.

В основе эффекта термоэлектричества – факт того, что перепад температур в проводнике приводит к появлению теплового потока, что, в свою очередь, к диффузии переносчика заряда. Поток в переносчике заряда между горячим и холодным пространствами, в свою очередь, создает напряжение.

В 1834 году Жан Шарль Атаниз Пельтье обнаружил, что движение электрического тока через соединение двух разных проводников, в зависимости от его направления, может служить как для нагрева, так и для охлаждения.

Поглощаемое или выделяемое тепло пропорционально току, и эта постоянная известна, как коэффициент Пельтье. Сегодня за счет сведений об эффекте Зеебека и Пельтье, термоэлектрики могут применяться, как нагреватели, охладители и генераторы (ТЭГи)

Идеальный термоэлектрик обладает высокими коэффициентом Зеебека и электропроводимостью и низкой теплопроводностью.

Она необходима для поддержки высокого перепада температур в переходе. Стандартные термоэлектрические модули, производимые сегодня, состоят из двух полупроводников из теллурита висмута (положительного и отрицательного), расположенных между двумя металлизированными керамическими пластинами. Пластины добавляют системе жесткости и изоляции. Полупроводники соединены последовательно в электрической схеме и параллельно – в тепловой.

Были разработаны миниатюрные термоэлементы, преобразующие тепло тела в электричества и вырабатывающие 40 мкВт и 3 В электричества при разнице температур в 5 градусов, в то время, как более крупные аналоги сейчас применяются в радиоизотопных термоэлектрических генераторах.

Примеры практического воплощения – пальчиковый тахокардиометр от «Holst Center» и термогенератор от немецкой компании «Fraunhofer».

Преимущества термоэлектрики:

  • Никаких подвижных частей, что позволяет использовать прибор много лет. Компания-производитель термоэлектрики «Tellurex Corporation» заявляет, что их устройства способны работать более 100 000 часов.
  • В термоэлектрике нет никаких материалов, которым необходима перезаправка.
  • Процесс нагревания и охлаждения может быть обращен.

Недостатком преобразования тепла в электричество является низкий КПД (на данный момент – меньше 10 %). Сейчас происходит разработка материалов, способных работать при больших перепадах температуры и проводить электричество без тепла, что еще недавно считалось невозможным. Подобные разработки обещают увеличить КПД.

Предстоящие работы в этой области позволят преобразовывать потраченное тепло, к примеру, от двигателя внутреннего сгорания, в электричество.

Электростатика (емкостный накопитель)

Этот тип аккумулирования энергии основан на изменении емкости конденсаторов, преобразующих колебания в электричество. Колебания отделяют платы заряженного конденсатора переменной емкости, и механическая энергия преобразуется в электрическую.

Электростатические накопители энергии нуждаются в источнике поляризации для работы и преобразования механической энергии колебаний в электричество. Источник поляризации должен давать ток напряжением в несколько сотен вольт, что серьезно осложняет питание управляющей схемы.

Другое решение – использование электретов, представляющих собой электрически заряженные диэлектрики, способные хранить поляризацию конденсатора много лет. Для этой цели можно переделать схемы обычных генераторов электростатической индукции, извлекающих энергию различного емкостного сопротивления.

Получившиеся в итоге устройства будут способны к самозарядке, зарядке батарей и выработке энергии с напряжением, растущим в геометрической прогрессии, для хранения в конденсаторах, откуда ее будут периодически извлекать преобразователи постоянного тока.

Магнитная индукция

Магниты, качающиеся на консолях, чувствительны к малейшим колебаниям и создают токи малой мощности при движении относительно проводников благодаря закону электромагнитной индукции Фарадея.

После разработки устройства подобного типа в 2007 году, команда ученых из Саутгемптонского университета сделала возможной установку таких устройств в окружающей среде, которым не потребуется электричество извне. Датчики, установленные в недоступных местах, уже сейчас могут вырабатывать энергию сами и передавать данные внешним приемникам.

Одним из главных ограничений для накопителей энергии из магнитных колебаний, разработанных в Саутгемптонском университете, является размер генератора (в данном случае – около 1 см3), который слишком велик для установки в современные мобильные устройства.

Собранный генератор включает в себя схему размером 4х4х1 см, сравнимую с устройством «iPod nano». Последующее уменьшение габаритов станет возможным через интеграцию новых, более гибких материалов для консольного стержня. В 2012 году исследовательская группа из Северо-западного университета разработала генератор, получающий энергию из колебаний.

Он был собран из полимеров и имел форму струны. Это устройство было способно определять те же частоты, что и аналог из Сатугемптона на кремниевой основе, но его балка была на треть короче.

Также для аккумулирования энергии на основе магнитной индукции был предложен новый подход в виде использования феррожидкости.

Статья из журнала под названием «Электромагнитный накопитель энергии на основе феррожидкости» обсуждает использование феррожидкости для накопления энергии низкочастотных (менее 2.2 Гц) колебаний с выходной мощностью около 80мВ/г.

Коммерчески успешные накопители энергии из колебаний получили свое развитие после появления прототипов в Саутгемптонском университете.

Они были достаточно велики для производства необходимой беспроводным сенсорным узлам энергии, но не могли нормально применяться в областях, требующих взаимодействия механизмов. Эти накопители на данный момент распространены в больших количествах для подпитки беспроводных сенсорных узлов, созданных компаниями типа «General Electrics» или «Emerson», или вмонтированной в поезд системы проверки от компании «Perpetuum».

Беспроводные датчики линий электропередач могут использовать магнитную индукцию для аккумулирования энергии напрямую с контролируемого проводника.

Сахар в крови

Другой путь аккумулирования энергии – окисление сахара в крови. Эти накопители энергии называют биобатареями.

могут быть использованы для питания таких имплантированных электронных устройств, как кардиостимулятор, имплантированные биодатчики для диабетиков или активные системы РЧИ и других. На данный момент Майнтирская группа при Университете в Сент-Луисе создала энзимы, которые можно будет применять для генерации энергии из сахара в крови.

Однако каждые несколько лет их нужно будет вводить заново. В 2012 в Университете Кларксона под управлением доктора Евгения Катца удалось запитать кардиостимулятор от введенных биохимических топливных элементов.

Электроника, встроенная в деревья

Аккумулирование энергии из метаболизма в деревьях относится к биологическому способу.

Проект «Voltree» был разработан, как метод аккумулирования энергии из деревьев. Эти накопители используются для питания дистанционно управляемых датчиков и узловых сетей, как основы развернутой долгосрочной системы мониторинга лесных пожаров и погоды. Их веб-сайт утверждает, что срок службы такого устройства может быть ограничены лишь длительностью жизни самого дерева, где оно было установлено.

Недавно они развернули малую тестовую сеть в лесу Национального парка США.

Среди других источников энергии из деревьев – улавливание движения деревьев генератором.

Теоретический анализ этого источника показал некоторые перспективы для питания малых электронных устройств. Устройство, основанное на этой теории, было создано и успешно питало сенсорный узел в течение года.

Накопитель энергии на основе метаматериалов способен без использования проводов преобразовывать микроволны частотой в 900 МГц в постоянный ток напряжением в 7,3 В (больше, чем необходимо для USB-устройства).

Также оно может быть настроено для накопления энергии из таких сигналов, как Wi-Fi, спутникового или даже звукового. Экспериментальный образец использует ряж из пяти стеклопластиковых и медных проводников. КПД преобразования достигает 37 %.

Когда обычные антенны находятся слишком близко друг к другу, то они создают помехи друг другу, но, так как мощность радиоволны падает в отношении к кубу расстояние, количество энергии оказывается крайне малым.

Несмотря на то, что заявленные 7,3 В являются достаточно крупным значением, это измерение актуально только для незамкнутого контура. Так как энергия – крайне мала, то при подключении может не вырабатываться практически никакого тока.

Изменения атмосферного давления

В отличие от герметичной камеры, для обеспечения энергией механических часов типа «Atmos clock» используется изменения в атмосферном давлении, причиняемые изменениями температуры или синоптической ситуацией.

Энергия человека

Атлет способен произвести 300-400 Вт механической энергии за час, что примерно равно 1/3 кВтч или 0,5 л.с., в то время, как взрослый с хорошим физическим здоровьем – около 50-150 Вт за час энергичных упражнений (0,1 кВтч).

Здоровый работник может примерно за 8 часов обеспечить 75 Вт энергии (0,5 кВтч). Вследствие этого самым подходящим способом производства энергии для краткосрочных заданий, не нуждающихся в больших затратах энергии, является энергия от нажатия на педали.

Вспомогательная аппаратура для тела

Также уже появились биомеханические накопители энергии. Один из таких образцов, который пристегивается к колену, был создан Максом Донеланом. Устройства подобного типа позволяет вырабатывать 2,5 Вт энергии, чего достаточно для зарядки пяти мобильных телефонов. Футбольный мяч «Soccket», разработанный канадской компанией «Bionic Power», способен вырабатывать и хранить до 6 Вт энергии.

Также энергия, извлекаемая из тела, может использоваться для кардиостимуляторов.

Мостовые

Компания «PaveGen» выпустила специальную брусчатку для мостовых, способную к выработке электричества. Помимо стационарной установки, она также была продемонстрирована на таких мероприятиях, как Олимпиада 2012 года в Лондоне и Марафон в Париже

Энергия от нажатия на педали

Энергия от нажатия на педали является простым, эффективным и практичным методом получения энергии. По сути, существует всего две схемы подобных аппаратов – педаль с возвратно-поступательным движением и система ведущих звезд, вращающих педаль.

Стационарные устройства типа деревообрабатывающих станков использовались несколько тысячелетий (по меньшей мере, с Бронзового века) и точно такой же возвратно-поступательный механизм с небольшими улучшениями был использован для швейной машинки, запатентованной Айзеком Зингером в 1851 году.

Энергия от нажатия на педали чаще всего применяется в велосипедах или трициклах, которые пользуются большой популярностью с конца XIX века. Но квадроцикл, запатентованный в 1853 году, показал, что энергия может вырабатываться несколькими велосипедистами сразу.

Педальные электрогенераторы

Некоторые велотренажеры снабжены генераторами и батареями, и, по меньшей мере, один из них – запатентован американцами. Как правило, количество выработанной или накопленной полезной электроэнергии – мало, так как ни генераторы, ни батареи не обладают высоким КПД, а много энергии тратится на то, чтобы преобразовать мускульную силу во вращающую. Преодолимость этих проблем показали концепты, способные долгое время вырабатывать энергию мощностью в 120 Вт.

Генератор «Dynapod»

В 1980 году Добровольцами по оказанию технической помощи (ВИТА, штат Мэриленд, США) было предложено устройство для выработки энергии, названное ими «Dynapod». Их идея заключалась в том, чтобы оборудовать такую бытовую технику, как миксер, шлифовальный станок, ручная дрель и деревообрабатывающий станок, маломощными (меньше 1 л.с. или 500 – 1 000 Вт) электромоторами, используемыми в короткие промежутки времени.

Так как большинство бытовых приборов используют в относительно постоянных условиях, где часто очень важен контроль скорости рабочего органа, педальные механизмы могут одновременно передать мускульную силу и отлично управлять скоростью там, где это необходимо. При этом можно также обеспечить комфортное сидячее место для оператора и освободить обе руки для управления устройством.

Перспективные направления

Для аккумулирования энергии были предложены электроактивные полимеры. Они обладают большим коэффициентом деформации, большой энергетической плотностью и высоким КПД преобразования энергии. Предполагается, что общий вес систем на основе ЭАП (электроактивных полимеров) будет значительно ниже, чем у их аналогов на основе пьезоэлектриков.

Наногенераторы, подобные тем, что были созданы в Технологическом университете Джорджии, могут предложить новый путь для обеспечения энергией устройств без батарей. По состоянию на 2008 год, они могут вырабатывать ток мощностью лишь в несколько десятков нВт, что слишком мало для практического применения.

Итальянскими учеными был предложен шум в качестве источника энергии. Предполагается, что из различных низкочастотных колебаний можно будет извлекать и аккумулировать энергию за счет нелинейного динамического механизма, способного улучшить КПД накопителя в 4 раза по сравнению с традиционными линейными накопителями.

Сочетание различных типов накопителей энергии в дальнейшем может уменьшить зависимость от батарей, в частности – в тех условиях, где периодически меняются виды доступной в окружающей среде энергии. Этот тип взаимодополняющего и сбалансированного аккумулирования энергии обладает потенциалом для увеличения надежности беспроводных сенсорных систем для структурной дозиметрии.

www.tehnohacker.ru

Как технологии накопления энергии изменят мир

Возможность накопления электроэнергии в промышленных масштабах выгодна всем участникам рынка: производителям, поставщикам, потребителям и регулятору

Последний аналитический отчет исследовательских организаций GTM Research and ESA’s U.S. Energy Storage Monitor говорит о рекордном объеме инвестиций в проекты по разработке и созданию накопителей энергии. Объем венчурных инвестиций и проектного финансирования в данном секторе в третьем квартале 2016 года достиг $660 млн при годовом прогнозе в $812 млн. Мы видим, что в развитых странах технологии накопления энергии выходят на стадию «предкоммерческого» использования.

Проблема сохранения

Основным отличием электроэнергетики от любой другой «физической» отрасли является невозможность хранения производимого ею товара в промышленных масштабах. В каждую единицу времени в этой отрасли должно производиться ровно столько электроэнергии, сколько нужно потребителю.

Чтобы обеспечить такую возможность, необходимы или дорогие резервные генерирующие мощности, или сложные географически распределенные энергосистемы. Нельзя иметь в энергосистеме только атомные электростанции (АЭС), которые не умеют быстро сбрасывать и набирать нагрузку, или только возобновляемые источники энергии (ВИЭ) — солнце и ветер, например, могут не светить и не дуть в нужный момент. Поэтому значительная доля генерации осуществляется за счет традиционных ископаемых ресурсов (угля, газа), обеспечивающих и надежность, и необходимую маневренность.

Режим работы любой энергосистемы определяется в первую очередь степенью нагрузки на нее со стороны потребителей. Как правило, ночью потребление электроэнергии значительно снижается, а утром и вечером — превышает уровень дневного потребления. И вообще, независимо от времени суток электрическая нагрузка непрерывно меняется. Эти постоянные колебания осложняют задачу сохранения баланса между производством и потреблением и приводят к тому, что генерирующие мощности значительную часть времени работают в экономически неоптимальном режиме.

Существует три традиционных типа электростанций: атомные, тепловые (ТЭС) и гидроэлектростанции (ГЭС). АЭС по соображениям безопасности не регулируют свою нагрузку. ГЭС для работы с неравномерным графиком нагрузки подходят гораздо лучше, но они есть далеко не в каждой энергосистеме, а если и есть, то не всегда в необходимом количестве. Таким образом, основная нагрузка по покрытию неравномерности суточного электропотребления ложится на ТЭС. Это, в свою очередь, приводит к их работе в неэкономичном режиме, увеличивает расход топлива и, как следствие, стоимость электроэнергии для потребителей.

Все вышеперечисленные проблемы, а также ряд других могут быть решены с помощью технологий промышленного накопления энергии.

Эффекты от накопления

1. Эффект для генерации: использование накопителей позволит оптимизировать процесс производства электроэнергии за счет выравнивания графика нагрузки на наиболее дорогое генерирующее оборудование, а также избавить дорогую тепловую генерацию от роли регулятора. В свою очередь, это неизбежно приведет к сокращению расходов углеводородного топлива, повышению коэффициента использования установленной мощности электростанций, увеличит надежность энергоснабжения и снизит потребности в строительстве новых мощностей.

2. Эффект для государственного регулирования: накопители позволяют создать энергетический резерв без избыточной работы генерирующих мощностей, оптимизировать режим работы электростанций, обеспечить спокойное прохождение ночного минимума и дневного максимума нагрузок.

3. Эффект для потребителей: электроэнергия становится дешевле, повышается надежность энергоснабжения, можно обеспечить работу критического оборудования при перебоях с питанием и создать резерв на случай аварий.

4. Эффект для электросетевого комплекса: накопители снижают пиковую нагрузку на электрические подстанции и затраты на модернизацию сетевой инфраструктуры, повышают качество и надежность энергоснабжения потребителей.

Дополнительные эффекты

Сейчас одним из главных трендов мировой энергетики является развитие ВИЭ-генерации. Среди стран, развивающих «зеленую» энергетику, наиболее ярким примером являются Дания, вырабатывающая 140% общенационального спроса на энергию с помощью ВИЭ, и Германия, где на ВИЭ приходится около 50% установленной мощности электростанций (94 из 182 ГВт) и эта доля продолжает неуклонно расти. В отдельные часы ВИЭ уже могут обеспечить до 100% потребности в электроэнергии. При этом и тепловым, и атомным электростанциям приходится выполнять резервную функцию, поскольку выработка ВИЭ-генерации непостоянна. Накопители электроэнергии могут стать выходом для продолжения успешной интеграции ВИЭ в энергосистемы различных стран, они позволят сгладить колебания выработки ВИЭ и выровнять график нагрузки.

Другим трендом является развитие распределенной энергетики. Потребители хотят минимизировать свои затраты и устанавливают собственные генерирующие источники (например, солнечные батареи или ветрогенераторы). В странах, где доля распределенной генерации высока, возникает проблема интеграции таких потребителей в рыночную систему. Поскольку сам потребитель забирает от своего источника столько электроэнергии, сколько ему нужно в данный момент времени, у него могут возникать излишки. Проблема продажи этих излишков в сеть может быть решена с помощью накопителей. Помимо этого они могут использоваться и для создания индивидуальных резервов.

Конкуренция технологий

На сегодняшний день 99% промышленного накопления и хранения электроэнергии (около 132,2 ГВт) обеспечивают гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). На все прочие технологии накопления приходится 1%, в основном речь идет о накопителях на сжатом воздухе, сульфидных натриевых аккумуляторных батареях и литиевых аккумуляторных батареях. Наиболее проверенными из накопителей являются ГАЭС и устройства, работающие на технологии сжатого воздуха. Остальные технологии пока еще находятся в процессе развития.

При этом если ГАЭС и устройства, использующие технологии сжатого воздуха, могут хранить достаточно большие объемы электроэнергии в течение нескольких часов, они достаточно ограничены в плане подвода большого количества энергии для поддержки или противодействия различным краткосрочным колебаниям.

Что касается аккумуляторных батарей, то текущие оценки затрат на их установку варьируются от $200 до $800 за 1 кВт установленной мощности. Наименьшие затраты соответствуют свинцово-кислотным аккумуляторам, поскольку они находятся на более высокой стадии технологического развития. Этот диапазон соответствует нижней границе стоимости для ГАЭС, но он гораздо ниже, чем у других потенциальных и новых технологий хранения. Однако основным недостатком свинцово-кислотных и других АБ является их низкая продолжительность жизни по сравнению с ГАЭС, которые имеют гораздо более длительные сроки эксплуатации. Срок службы АБ существенно различается в зависимости от частоты применения, скорости разрядки и количества циклов глубокой разрядки.

Нужны ли России технологии хранения энергии?

Хранение электроэнергии названо McKinsey Global Institute одной из 12 прорывных технологий, которые существенным образом изменят глобальную экономику. По оценкам BCC Research, совокупный среднегодовой темп роста рынка аккумуляторных батарей всех типов составит за ближайшие десять лет 18,7%: с $637 млн в 2014 году до $3,96 млрд в 2025 году.

Мощность электрических накопителей в странах ЕС, США и Китае, по различным сценариям Международного энергетического агентства, к 2050 году возрастет от двух до восьми раз. В России после 2022 года прогнозируется новый инвестиционный цикл в энергетике. Потенциальная ниша для новых энергообъектов оценивается в 15–30 ГВт. Инвестиции могут составить $500–​700 млрд к 2035 году. При этом выиграть от применения накопителей смогут практически все участники рынка.

www.rbc.ru

Публикации

Авторы: Потапенко А.М., Мельников В.Д.

Системы накопления энергии в системах электроснабжения промышленных предприятий

Потапенко Антон Михайлович, технический директор

Мельников Викентий Дмитриевич, инженер технической поддержки

ТИК «Системы накопления энергии»

г. Новосибирск

Интенсивное развитие технологий преобразование энергии в последние десятилетия, а также снижение стоимости аккумуляторных батарей привело к созданию новых систем накопления энергии (СНЭ). Предлагаемые решения обладают такой мощностью, энергоемкостью, КПД и быстродействием, которые уже сейчас могут обеспечить их эффективное применение как на объектах электросетевого комплекса, так и в системах электроснабжения предприятий.

В настоящее время за рубежом СНЭ уже активно применяются, имея множества преимуществ и для конечных потребителей электроэнергии, и для всего электросетевого комплекса.  По прогнозам экспертов, к 2025 году суммарная установленная мощность накопителей (исключая ГАЭС) в мире составит 6 ГВт.

В 2017 году Министерством энергетики РФ была утверждена Концепция развития рынка систем хранения электроэнергии в Российской Федерации. Кроме того, конкретные этапы реализации пилотных проектов с применением систем накопления энергии в России обозначены в дорожной карте EnergyNetв составе долгосрочной комплексной программе Национальной технологической инициативы.

Система накопления энергии предназначена для накопления, хранения и отдачи электроэнергии в сеть или нагрузку с целью поддержания функционирования энергосистемы с обеспечением требуемого качества электроэнергии и реализации необходимых режимов.

Структура системы накопления энергии и её основные подсистемы представлены на Рисунке 1.

Рисунок 1 – Структура системы накопления энергии и её основные подсистемы

Подсистемы СНЭ: • Подсистема управления. Предназначена для обеспечения требуемых алгоритмов работы, обеспечения человеко-машинного интерфейса, мониторинга и связи с АСУ ТП верхнего уровня (АСУ ТП объекта). • Подсистема преобразования. По команде системы управления осуществляет двунаправленное преобразование энергии из звена постоянного тока (накопителя) в звено переменного тока и обратно. Основной элемент подсистемы – двунаправленный инвертор. • Подсистема хранения энергии. Комплектуется аккумуляторными батареями и/или батареями суперконденсаторов. Управление процессом заряда и мониторинг состояния элементов осуществляется системой управления BMS (battery management system).

• Подсистема распределения. Имеет в составе коммутационные аппараты, согласующие трансформаторы, аппараты релейной защиты.

Принципиальным отличием СНЭ от традиционных источников бесперебойного питания является то, что система накопления подключается не последовательно между сетью и нагрузкой, а параллельно с сетью. Это позволяет, помимо функции обеспечения бесперебойного питания, реализовать еще ряд полезных функций. СНЭ, по сути, обладает двумя ключевыми возможностями: потребление электроэнергии от генератора (или сети) и возврат электроэнергии в нагрузку или сеть. Современные алгоритмы управления потоками мощности в преобразователе напряжения позволяют широко раскрыть указанные возможности, применяя их для решения большого списка задач, часть из которых представлена ниже.

Рисунок 2 – Внешний вид системы накопления энергии в шкафном исполнении (выставочный образец)

Повышение эффективности собственной генерации и компенсация резкопеременной нагрузки Работа некоторых предприятий обусловлена неравномерностью технологического процесса, что обуславливает возникновение резких набросов и/или сбросов нагрузки. При питании от централизованной сети это приводит к переплатам за установленную мощность, а при наличии собственной генерации – к необходимости завышать количество и мощность генераторных установок, следствием чего является большие капитальные затраты и перерасход топлива. Применение систем накопления энергии позволяет использовать генераторы меньшей установленной мощности. При этом значительно снижается расход топлива (более, чем в два раза), увеличивается межсервисный интервал за счет сокращения времени работы генераторов (отключение при низкой нагрузке) и его оптимальной загрузке.

Повышение качества электроэнергии Включение и отключение мощных электроприемников приводит к снижению напряжения сети электроснабжения, а в некоторых случаях и частоты. Снижается качество электроэнергии и, как следствие, стабильность работы чувствительного оборудования (вплоть до отключения ответственных электроприемников). СНЭ способна компенсировать все пусковые процессы, обеспечивая стабильное качество электроэнергии.

«Горячий» резерв Разница между вырабатываемой энергией и текущей нагрузкой покрывается за счет «горячего» резерва, который СНЭ может обеспечить практически мгновенно (быстродействие – не более 5 мсек). Таким образом, обеспечивается надежное энергоснабжение, снижаются издержки на поддержание резерва традиционными способами.

Снижение стоимости технологического присоединения График нагрузки предприятий зачастую характеризуется достаточной неравномерностью. При этом время потребления максимальной мощности, которая и является установленной мощностью технологического присоединения, составляет от одного до трех часов в день. СНЭ, накапливая энергию в ночное время (при низком трафике), способна выдавать ее при повышении мощности нагрузки заданной установки, позволяя значительно снизить установленную мощность технологического присоединения.

Компенсация реактивной мощности и функции активного фильтра СНЭ способна компенсировать реактивную мощность в пределах полной мощности установки, а также гармонические составляющие тока и напряжения (функция активного фильтра). Это позволяет повысить качество электроэнергии, снизить потери и увеличить срок службы оборудования. 

СНЭ в активно-адаптивных системах (smart grid) и ВИЭ Эффективность возобновляемых источников энергии (в основном солнечных панелей и ветряных установок), а также источников бестопливной распределенной генерации (утилизационных тепловых установок) с каждым годом растет, при этом стоимость таких решений снижается, открывая новые возможности для их применения. При своей экономической эффективности такие установки характеризуются неравномерным графиком генерации мощности, что значительно усложняет их применение. Решение с использованием системы накопления в качестве буфера позволяет полностью использовать потенциал генерации, снижая срок окупаемости, а также значительно повышая эффективность и стабильность работы всей системы электроснабжения.

Системы накопления энергии являются эффективным устройством повышения экономичности, надежности и качества электроэнергии.

Технологическая инжиниринговая компания «Системы накопления энергии» осуществляет полный комплекс работ под ключ: обследование энергообъекта, моделирование системы электроснабжения, выбор оптимального решения по созданию установки СНЭ, производство, пусконаладка и сервисное обслуживание. Запуск серийного производства установок запланирован на начало 2018 года, в течение которого планируется масштабное внедрение установок на промышленных предприятиях, в том числе на объектах электросетевого комплекса (сетевые накопители энергии большой мощности).

ТИК ООО «Системы накопления энергии»

630007, Новосибирск, ул. Серебренниковская, д.14/1 тел.: 8-800-707-66-50, www.estorsys.ru

estorsys.ru

Технологии накопления электроэнергии

Н. Н. Хренков, советник генерального директора ГК «ССТ», главный редактор журнала «Промышленный электрообогрев и электроотопление», кандидат технических наук, член-корреспондент АЭН РФ

По материалам статьи Д. Шапошникова и А. Батракова «Как технологии накопления энергии изменят мир» РБК № 8 (2505), 19.01.2017 и по материалам из интернета о сверхпроводящих накопителях.

Хранение электроэнергии — одна из 12 прорывных технологий, которые существенным образом изменят глобальную экономику.

Проблема сохранения

Основное отличие электроэнергетики от других промышленных отраслей — невозможность хранения производимого ею товара в промышленных масштабах. В каждую единицу времени в этой отрасли должно производиться ровно столько электроэнергии, сколько нужно потребителям.

Режим работы любой энергосистемы определяется в первую очередь степенью нагрузки на нее со стороны потребителей. Ночью потребление электроэнергии значительно снижается по сравнению с дневным, а утром и вечером — превышает уровень среднего дневного потребления. Постоянные колебания нагрузки приводят к тому, что генерирующие мощности значительную часть времени работают в экономически неоптимальном режиме.

Чтобы обеспечить возможность компенсации пиковых нагрузок, необходимы или дорогие резервные генерирующие мощности, или сложные географически распределенные энергосистемы.

Существуют три традиционных типа электростанций: атомные (АЭС), тепловые (ТЭС), гидроэлектрические (ГЭС). В последние годы к ним прибавляются электростанции на возобновляемых источниках: ветряные, солнечные, термальные. АЭС по соображениям безопасности не регулируют свою нагрузку, ГЭС подходят для работы с неравномерным графиком нагрузки, но не во всех энергосистемах есть ГЭС достаточной мощности. Основная нагрузка по покрытию неравномерности суточного потребления ложится на ТЭС. Это приводит к их работе в неэкономичном режиме, увеличивает расход топлива, повышает стоимость электроэнергии.

Эффекты от накопления

  1. Использование накопителей позволит оптимизировать график нагрузки на наиболее дорогое генерирующее оборудование, что приведет к сокращению расхода углеводородного топлива, увеличит надежность электроснабжения.
  2. Накопители позволят создать энергетический резерв без избыточной работы генерирующих мощностей. Обеспечат спокойное прохождение ночного минимума и дневного максимума нагрузок.
  3. Исключаются перебои в питании, создается резерв на случай аварий. Электроэнергия становится дешевле.
  4. Появляется возможность накапливать излишки энергии от источников распределенной генерации и для индивидуальных резервов.

Существующие методы накопления

На сегодняшний день 99 % промышленного накопления и хранения электроэнергии обеспечивают гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). В ночные часы излишки энергии используются ГАЭС для перекачки воды в водохранилища, а в моменты потребности в электроэнергии ГАЭС используют накопленную воду для генерации. Однако, их строительство требует больших капитальных затрат и не везде возможно географически.

К тому же инерционность ГАЭС не позволяет сглаживать кратковременные пики нагрузки.

Используются также накопители на аккумуляторных батареях, например, на телефонных станциях в качестве резервных источников питания. Дизельные подводные лодки накапливают электроэнергию в аккумуляторах, а расходуют при движении под водой.

Следует также упомянуть емкостные накопители, но они обладают малой удельной емкостью.

Предельная накопленная энергия в конденсатных батареях не превышает 10 МДж. Накопители на суперконденсаторах получили распространение как источники питания для запуска мощных дизельных двигателей, но они способны накопить не более 0,6 МДж.

Накопление энергии может осуществляться не только в конденсаторах, но также и в катушках индуктивности. Эта накопленная энергия может быть использована для создания импульсов тока апериодической формы в генераторах импульсных токов. Всем известный пример индуктивного накопителя — катушка зажигания в автомобиле.

Будущее накопителей электроэнергии

Наиболее перспективным направлением следует признать создание сверхпроводящих индуктивных накопителей. Сверхпроводящие накопители энергии (СПИНЭ) запасают энергию в магнитном поле индукционной катушки, в которой ток циркулирует без потерь. Важнейшим преимуществом индуктивного накопителя является его быстродействие, достигающее единиц миллисекунд, что позволяет реагировать на самые внезапные аварии в энергосистеме.

В конструкции СПИНЭ можно условно выделить три основных конструктивных узла: собственно, магнитная система, криогенная система и система связи с внешней сетью, т.н. преобразователь-инвертор. Метод накопления электроэнергии с помощью СПИНЭ отличается экологической чистотой. Не используются вредные материалы, никаких химических реакций не происходит. Отходы производства отсутствуют.

Сверхпроводящие индуктивные накопители электромагнитной энергии представляют собой пример одного из уникальных технических использований явления сверхпроводимости. Это соленоиды, специально предназначенные для накопления и выдачи токов по требованию. Плотность энергии, запасенной в магнитном поле накопителя, на два порядка больше, чем в емкостном накопителе (конденсаторной батарее), а отдаваемые импульсные мощности могут достигать величин в десятки миллионов киловатт. Время вывода энергии из сверхпроводящего накопителя в зависимости от конструкции и запасенной энергии — от тысячных долей секунды до часов.

В настоящее время созданы сверхпроводящие индуктивные накопители на энергию 30 МДж. Обычно они отдают энергию в виде импульсов. Современные сверхпроводящие накопители имеют максимальный ток в импульсе 10000 А и напряжение 50 кВ, максимальную мощность 500 МВт при длительности импульса 5 мс.

sst.ru

Развитие технологий накопления электрической энергии



В этой статье рассмотрены различные виды энергии. Особое внимание уделено электрической, механической и химической энергии. Представлены основные методы хранения энергии каждого типа, а также преобразования одного вида в другой. Сравнивается производительность трех технических решений для хранения электрической энергии: маховик, суперконденсаторы и литий-ионные батареи. Если электричество станет энергоносителем будущего, необходимо будет иметь системы хранения, которые будут соответствовать параметрам сети и потребителей. При этом эти системы хранения должны отвечать требованиям по энергоээфективности и энергобезопасности.

Ключевые слова: энергия, хранение энергии, аккумуляторная батарея, суперконденсаторы, сверхпроводники

Электрическая энергия является энергетическим вектором. Это означает, что электричество можно производить, передавать и хранить. Физически электричество определяется перемещением электронов в проводнике. В силу динамической природы, его хранение затруднительно. Существует два пути хранения электрической энергии. Первым вариантом является применение некоторого технологического решения, позволяющего сохранить энергию в электростатическом или электродинамическом виде. Вторым путем является преобразование электрической энергии в другие виды энергии. Единицей измерения энергии является или Джоуль, или Ватт час. Известно, что один Ватт час составляет 3600 Джоулей.

Различные классы энергии представлены на рисунке 1. Помимо электрической энергии существуют механическая, химическая, тепловая и лучистая энергия. Кроме этого, можно добавить шестой класс — ядерную энергию.

Описывая эти различные виды энергии и их компоненты, в данной работе описываются основные методы хранения энергии. Затем в статье рассмотрены принципы хранения электрической энергии. В заключении приведено сравнение эффективности различных видов хранения энергии и дан прогноз энергетического баланса завтрашнего дня.

Рис. 1. Классы энергий и виды перехода из одного типа в другой

1 Классы энергии

1.1. Механическая энергия

Механическая энергия существует в двух формах — кинетическая и потенциальная. Все движущиеся объекты обладают кинетической энергией, пропорциональной массе объекта m и квадрату его скорости.

Любой неподвижный объект на Земле может прийти в движение, особенно из-за силы тяжести. Иными словами, он содержит потенциальную механическую энергию, пропорциональную массе m, ускорению свободного падения g (9,81 м/с2 на поверхности Земли) и высоте h между его центром тяжести и расстоянием до поверхности Земли:

1.2. Химическая энергия

Химическая энергия — это энергия, проявляющаяся при химических реакциях. Она обеспечивает связь между атомами материала, состоящего из молекул. Так как химическая реакция разрушает эти связи, энергия высвобождается. Например, при горении, часть этой энергии переходит в тепло.

1.3. Тепловая энергия

Этот виды энергии обусловлен броуновским движением в веществе. Чем выше температура, чем больше пространства между атомами, тем дальше они могут передвигаться и тем большим запасом кинетической энергии они обладают. Эта тепловая энергия пропорциональна массе m, разности температур ΔT и коэффициенту С, зависящему от свойств материала. Этот коэффициент называется теплоемкость материала.

Таким образом, охлажденный объект (соответственно нагретый) будет терять (набирать) определенное количество тепловой энергии, значение которой дается уравнением (3).

1.4. Лучистая и ядерная энергия

Лучистая энергия включает в себя все формы энергии, передаваемой излучением. Если фотоны, переносящие эту энергию обладают длиной волны видимого спектра, то эта энергия называется видимым излучением. Для упрощения, энергия и длина волны связаны соотношением:

где h — это постоянная Планка, равная 6,626*10–34 Дж/с.

Наконец, ядерная энергия представляет собой силу, содержащуюся в атомах. В случае деления атома или спонтанно (радиоактивные материалы) испускаются различные виды частиц (альфа-частицы, состоящие из двух нейтронов и двух протонов, бета-частиц, состоящих из электрона, гамма-излучения, испускаемые по длинам нанометровые и пикометрические волны).

2. Хранение электрической энергии, преобразованной в другие виды энергии

Поскольку существует множество видов энергии, которые могут храниться. Поэтому электрическую энергию возможно хранить в преобразованном виде. На рисунке 1 описаны основные технические решения для преобразования энергии из одной формы в другую. В этой статье рассмотрено только хранение энергии в электрических, механических и химических формах.

2.1. Механическая энергия

С помощью электродвигателя электрическая энергия преобразуется в механическую. Одной из самых древних систем накопления энергии в механической форме, еще со времен Античной Греции, является маховик.

Маховик представляет собой вращающуюся массу, которая приводится в движение электродвигателем или вручную. Его кинетическая энергия определяется как функция массы, ее угловой скорости ω и момента инерции J:

Когда источник энергии отключается, маховик продолжает вращение по инерции. Если к маховику подводится электрическая энергия, то он возвращает ее обратно в сеть в силу обратимости электродвигателя. Самые маленькие маховики позволяют накапливать несколько киловатт часов, тогда как самые большие маховики накапливают сотни мегаватт часов [1].

Кроме этого, существует второй способ хранения механической энергии — в потенциальной форме. Такой метод используется в гидроаккумулирующих электростанциях [2]. В частности, необходимо наличие двух резервуаров с водой, располагающихся на различной высоте H. Для того чтобы запасать электрическую энергию воды, из резервуара 1, находящегося на меньшей высоте, закачивается воду с помощью насосов в другой резервуар 2. Для высвобождения энергии этот запас воды сбрасывается в резервуар 1, при этом проходя через турбину, генерирующую электрическую энергию за счет сброса воды. Мощность, вырабатываемая в Ваттах пропорциональная напору воды H, расхода воды Q и коэффициенту полезного действия турбины (0,93–0,96 %):

Этот метод иногда используется для накопления избыточной энергии тепловых или атомных электростанций. Другие решения включают в себя хранение сжатого воздуха в естественных полостях или старых шахтах, как в Хунторфе в Германии, который имеет емкость 290 МВт. Это хранилище сжатого воздуха (CAES) работает с конца 1970-х годов [3].

2.2. Химическая энергия

Хранение энергии в химической форме является наиболее естественным способом хранения на Земле. В зависимости от массовой плотности энергии — количества энергии, накопленной на единицу массы, химическое соединение может содержать более или менее эквивалентную энергию для той же массы. Ископаемые виды топлива имеют очень высокие массовые энергии, что объясняет их нынешнее господство. Например, массовая энергия бензина составляет 13,13 кВтч/кг. Водород можно использовать не только в качестве топлива вместо бензина, но также и в топливных элементах. Наиболее эффективными для этого являются углеводородные виды топлива. Сжатый при 700 бар, водород имеет плотность энергии 36,79 кВтч/кг, в то время как древесина составляет всего 4,5 кВтч / кг.

Для того чтобы преобразовать химическую энергию в другую, более легко используемую форму, самым простым решением является сжигание материала для получения энергии в тепловой форме. Затем эта тепловая энергия может быть преобразована в другой вид энергии, а затем в электрическую энергию. Химическая энергия также может быть преобразована в электрическую энергию непосредственно, когда хранение выполняется электрохимически в батареях или аккумуляторах.

3. Прямое хранение электрической энергии

Чаще всего электрическая энергия преобразуется в химическую энергию для хранения. Однако она может быть запасена в своей первоначальной форме в потенциальном или кинетическом виде.

3.1. Электрохимическая форма

Электрохимический накопитель предусматривает накопление положительных и отрицательных электрических зарядов посредством химической реакции (окисление и восстановление). В упрощенной форме в химии окисление представляет собой потерю электрона в атоме. Эта форма хранение применяется в аккумуляторах, формирующих аккумуляторные батареи. Это объясняется тем, что величины напряжения и тока единичного аккумулятора могут не отвечать требованиям специфики потребителя, который будет получать накопленную электрическую энергию. В аккумуляторе или ячейке электрические заряды накапливаются на обкладках двух электродов, которые разделены электролитом, как показано на рисунке 2. Мембрана служит для того, чтобы предотвратить перемещение ионов с одного электрода на другой, при этом пропуская беспрепятственно электроны.

Рис. 2. Процесс разряда батареи

На рисунке 2, иллюстрирующем процесс разряда батареи, медный электрод собирает положительные заряды — ионы Cu +. Когда внешняя нагрузка потребляет ток, аккумулятор разряжается. Это приводит к уменьшению числа ионов Cu + за счет восстановления, окислению другого электрода, происходящему из-за возникновения ионов Zn + на этом электроде из цинка. Батарея будет полностью разряжена, если в ней больше не останется ионов Cu +.

Работа аккумулятора основана на том же принце. Однако, разряжаясь (извлечение энергии, содержащейся в нем в электрохимической форме) аккумулятор также может быть перезаряжен подачей внешнего тока. Поэтому химические реакции должны быть обратимыми. Это достигается путем выбора материалов электродов. Сочетание этих материалов дает конкретную разность потенциалов для каждого типа аккумулятора — напряжение холостого хода (Uxx).

Существует три основных типа аккумуляторов: свинцовый, щелочной или литий-ионный. Для свинцового аккумулятора напряжение холостого хода Uxx составляет 2.1 В. Это обусловлено электродами аккумулятора данного типа — оксид свинца (IV) для отрицательного электрода PbO2 и Pb свинец или Pb3O4 для положительного электрода. Электролитом является серная кислота h3SO4. Щелочные батареи реализованы из никеля или кадмия, или из комбинации редкоземельных металлов и металлов переходной группы. Из этих металлов выполнены электроды. В качестве электролита выступает гидроксид калия (KOH). Напряжение холостого хода Uxx для данного типа составляет 1.2 В. Наконец, литий-ионные батареи используют ионы лития для переноса зарядов от одного электрода к другому. В данном типе аккумуляторов отрицательный электрод выполнен из графита, положительный электрод и электролит могут быть разной природы. Согласно положительному электроду, напряжение холостого хода Uxx варьируется от 3.2 до 3.8 В.

3.2. Электростатическая форма

Существует возможность напрямую хранить электрическую энергию за счет положительных и отрицательных электрических зарядов, не прибегая к химической реакции. Этот принцип реализован в суперконденсаторах.

Суперконденсатор представляет собой специфический технологический конденсатор, который может обладать емкостью в несколько тысяч Фарад в объеме, сравнимом с аккумулятором. Он состоит из двух электродов, разделенных электролитом. Электроды изготовлены из проводящего полимера, оксида металла или активированного угля. В отличие от обычного конденсатора, электролит суперконденсатора имеет проводящий и недиэлектрический характер, причем изоляционная функция возникает на границе раздела электролита-электрода. Активированный уголь обладает свойством адсорбции — увеличение концентрации молекул вещества у поверхности раздела двух фаз вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на разделе фаз. Поэтому достаточно приложить энергию слабой величины, разрушающую эти связи, и, таким образом, освободить накопленную энергию.

3.3. Электродинамическая форма

Наконец, существует возможность накапливать электрическую энергию в кинетической форме с помощью применения технологии хранения энергии в магнитном поле сверхпроводников (проводники в которых отсутствуют электрические потери). Суть метода заключается в протекании постоянного тока через катушку, выполненную из сверхпроводящего провода, которая охлаждена до критической температуры. Затем производится режим короткого замыкания. Это приводит к тому, что закрытая сама по себе магнитная цепь становится источником постоянного магнитного потока. Критическая температура — это такая температура, при которой сверхпроводник имеет нулевое удельное сопротивление. Только сверхпроводники, критическая температура которых близка к температуре окружающей среды, могут быть использованы в данном методе. Например, диборид магния MbB2 становится сверхпроводящим ниже -39 ° К (-234 ° C). Однако эта технология должна в первую очередь рассматриваться как источник импульсного тока, а не для массового хранения электрической энергии.

4. Применение

Плотность энергии батарей в настоящее время невысока: порядка 35 Втч / кг для свинцовых аккумуляторов и до 250 Втч / кг для литий-ионных. Текущие исследования направлены на повышение эффективности этих систем хранения, поскольку, по сравнению с ископаемым топливом, они имеют неоспоримое преимущество обратимости. Действительно, когда литр бензина или дизельного топлива сжигается, для перемещения автомобиля примерно на 15 километров, обратный процесс невозможен — бензобак не заполнится. Когда потребляется киловатт-час электрической энергии от батареи, можно перезарядить батарею, изменив направление электрического тока.

4.1. Сравнение основных характеристик

Классическим методом представления и сравнения характеристик различных режимов хранения энергии в зависимости от их плотности энергии и плотности мощности является диаграмма Рагона [4]. Согласно этому методу при одинаковой мощности маховики имеют в среднем плотность энергии в четыре раза выше, аккумуляторы в сорок и углеводороды в восемьсот раз выше, чем у суперконденсаторов. Это отчасти объясняет, почему сегодня производители приступили к технологическому прорыву и замене бензина электрохимическими батареями в качестве источника энергии транспортных средств.

Также возможно сравнить альтернативные методы хранения энергии. На рисунке 3 сравниваются механический режим (маховик), электрохимический режим (литий-ионный аккумулятор) и электростатический режим (суперконденсатор) [5].

Для каждого вида максимальная производительность изображена выделенной сплошной линией, минимальная — пунктирной линией. Значение 1 объясняется лучшей производительностью. Цикличность соответствует количеству циклов перезарядки разряда, которые может обеспечить устройство хранения. Суперконденсатор можно использовать до миллиона раз, маховик может поддерживать более 100 000 циклов, в то время как батарея может выдерживать только несколько тысяч циклов [6]. Ожидаемая продолжительность жизни также учитывает так называемое «старение» (естественное старение, происходящее даже в состоянии покоя). Для аккумуляторов оно составляет порядка 5 лет, в три-четыре раза меньше, чем в двух других методов. Саморазряд позволяет определить потери. Батарея теряет менее 3 % заряда в месяц, конденсатор может потерять до трети своего заряда в день, а маховик остановится через несколько часов из-за трения. Маховик может работать при более высоких температурах, в то время как батареи и суперконденсаторы не применяются при температуре выше шестидесяти градусов по Цельсию. В целом общая энергетическая эффективность зависит в основном от того, как устройство перезаряжается. Во всех случаях она составляет выше 90 %.

Рис. 3. Сравнение параметров методов хранения энергии

Таким образом, маховик подходит только для кратковременного хранения энергии. Это, может быть случай для трамваев или троллейбусов, штанги которых отсоединены от контактных воздушных линий, когда транспортное средство проезжает перекресток. Суперконденсатор возможно использовать дольше и чаще, чем батареи. Однако батареи являются наиболее эффективными для хранения электрической энергии в течение длительного времени.

4.2. Аккумулирование электроэнергии

Сегодня стационарные аккумуляторы применяются как встроенные источники питания: в электромобилях и во всевозможные мобильных электронных устройствах (телефоны, смартфоны, ноутбуки и др.). При этом развитие таких систем хранения электрической энергии продолжится по двум причинам. Во-первых, производство электроэнергии движется в направлении большей децентрализации, а именно применению микро энергетических систем — автономных электрических сетей, объединяющих несколько локальных потребителей и источников энергии. Такие сети возможно использовать для производства, хранения и потребления электроэнергии в труднодоступных географических зонах и в зонах, в которых подключение к сети труднореализуемого [7]. Это приведет к повышенному спросу систем хранения электроэнергии. Во-вторых, чтобы лучше управлять сетями и микросетями, внедрение систем хранения данных может минимизировать или даже устранить пики ежедневного потребления [8]. Кроме этого, ожидается, что доля электрической энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии (солнечная энергия, ветер...), с каждым годом будет возрастать. Однако пики производства электроэнергии солнечными электростанциями не соответствуют пикам потребления, которые соответствуют вечернему времени. Таким образом, необходимо хранить избытки выработанной электроэнергии в течение дня, для того чтобы потреблять ее ночью и вечером.

4.3. Взлет электрической энергии

В настоящее время принято считать, что образ жизни человечества в глобальном формате не может продолжаться устойчиво. В целях сохранения окружающей среды крайне важно сократить выбросы CO2в атмосферу, которые способствует увеличению парникового эффекта, путем резервирования в долгосрочной перспективе использования ископаемого топлива для других целей.

Для этого необходимо воспользоваться всеми потенциальными энергиями, которые находятся в пределах нашей досягаемости, свободными, универсальными, экологически чистыми и возобновляемыми: солнечной энергией, ветром, приливным потоком, приливами, геотермальной энергией и др. Генерируемая такими источниками энергия в виде постоянного тока (DC), а не AC (AC). Проект Super-grid нацелен на изучение того, как энергосистема может в более или менее короткие сроки переключиться на DC, разрешив все технические проблемы, связанные с использованием DC [9]. В качестве примера, появление больших токов короткого замыкания происходит гораздо быстрее в сети DC, чем в AC [10], важно определить их внешний вид и отключить потребителей от сети до того, как авария распространится по всей сети.

Использование электричества в качестве основного вектора энергии не возможно, если электричество, о котором идет речь, не производится без использования углеводородного топливо. Было бы не разумно производить электрическую энергию из углеводорода для того, чтобы зарядить батареи электромобиля. Не говоря уже о потерях при переходе из одного режима энергии в другой. Действительно, поскольку энергия является так называемой глобальной величиной (в отличие от так называемых локальных величин, таких как электрический потенциал или температура, например, которые существуют только в локальном контексте), она остается инвариантной. Это означает, что количество исходной электрической энергии E1 будет преобразовано в количество запасенной энергии E2, сопровождающееся потерями, чаще всего эффектом Джоуля, количества E3:

Таким же образом, если потребителю поставляется некоторое количество электрической энергии E4, последний фактически будет использовать только количество энергии E5, так как часть E6 подаваемой энергии будет потеряна.

Ограничивая преобразования между энергетическими формами, потери уменьшаются. Поэтому, поскольку энергия будет потребляться в будущем в основном в виде электричества, представляется целесообразным производить ее также в ее электрической форме.

5. Заключение

В ближайшем будущем для аккумулирования электроэнергии электрическим операторам придется прибегать к банку хранилищ, содержащему устройства различной природы, чтобы использовать преимущества каждого отдельного решения. Действительно, если накопитель энергии в магнитном поле со сверхпроводниками может быть эффективным в связи с его очень низкими потерями и быстродействию. Другие решения, не представленные здесь, такие как единичные накопители большой мощности, установленные в непосредственной близости с потребителем. В дополнение к существующим гидроаккумулирующим электростанциям [11] необходимо разработать олеопневматические хранилища. Наконец, на объектах, где источниками электроэнергии служат возобновляемые ресурсы, целесообразно применять аккумуляторы для дальнейшего распределения энергии в сеть [12].

Таким образом, предполагается, что энергетический микс в будущем будет состоять в основном из источников, не содержащих углерода, возобновляемых источников, регулируемых системами хранения как на производственных площадях, так и в местах потребления.

Литература:

  1. M. Farhadi and O. Mohammed, Energy storage technologies for high-power applications, IEEE Transactions on Industry Applications, 52 pp. 1953–1961 (2016).
  2. K. H. Tseng, C. K. Shum, J. W. Kim, X. Wang, K. Zhu and X. Cheng, Integrating landsat imageries and digital elevation models to infer water level change in hoover dam, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, (2016).
  3. Zschocke, Compressed Air Energy Storage, one promising technology in the future energy storage business, E.ON Innovation Center Energy Storage, IPHE Workshop, Sevilla (2012).
  4. Lièvre, Développement d’un système de gestion de batterie lithium-ion à destination de véhicules mild-hybrid, détermination des indicateurs d’état SoC, SoH, SoF, Université Claude Bernard de Lyon 1, 2015, French.
  5. L. Lu, X. Han, J. Li, J. Hua and M. Ouyang, A review on the key issues for lithium-ion battery man-agement in electric vehicles, Journal of Power Sources (2013).
  6. C.Savard, PhD Thesis, Amélioration de la disponibilité opérationnelle des systèmes de stockage de l’énergie électrique multicellulaires, INSA de Lyon, Université de Lyon 1, november 2017, French.
  7. S. Ci, N. Lin and D. Wu, Reconfigurable battery techniques and systems: a survey, IEEE Access, 4, pp. 1175–1189 (2016).
  8. S. Whittingam, History, evolution and future status of energy storage, Proceedings of the IEEE, 100, pp. 1518–1534 (2012).
  9. M. Laly, E. Cheriyan and A. Mathew, Soft computing optimization based optimal operation of po-wergrid with renewable energy sources and storage systems, 2016 IEEE International Conference on In-dustrial Technology (ICIT), Taipei, pp. 564–569, 2016.
  10. W. Leon-Garcia, P.Tixador and B. Raison, Full-selective protection strategy for MTDC grids based on R-type superconducting FCLs and mechanical DC circuit breakers, RGP 2016, London.
  11. Silver, 4 new ways to store renewable energy with water, IEEE Spectrum, p.11 (2017).
  12. T. Thang, A. Ahmed, C. Kin and J. Park, Flexible system architecture of stand-alone pv power generation with energy storage device, IEEE Transactions on Energy Conversion, 30, pp. 1386–1396 (2015).

Основные термины (генерируются автоматически): электрическая энергия, химическая энергия, батарея, система хранения, энергия, механическая энергия, тепловая энергия, холостой ход, вид энергии, аккумулятор.

moluch.ru


Смотрите также