В чем хранится энергия

Промышленные устройства хранения электроэнергии

В былые времена получаемая на гидроэлектростанциях электрическая энергия сразу же подавалась к потребителям: лампы светили, моторы работали. Однако сегодня, когда возможности для генерации электричества сильно расширились, всерьез встал вопрос об эффективных способах хранения энергии, вырабатываемой множеством способов, в том числе и различными возобновляемыми источниками.

Как известно, днем человечество расходует значительно больше энергии, чем ночью. Часы пиковых нагрузок в городах приходятся на строго определенные утренние и вечерние часы, тогда как генерирующие установки (особенно солнечные, ветряные и т. д.) вырабатывают некую среднюю мощность, которая в разное время суток и в зависимости от погодных условий сильно варьируется.

В таких обстоятельствах электростанциям неплохо иметь какие-нибудь резервные хранилища электричества, которые были бы в состоянии отдать требуемую мощность в любое время суток. Давайте рассмотрим некоторые из лучших технологий касательно решения поставленной задачи.

Гидроаккумуляторное хранилище энергии

Древнейший способ, по сей день не утративший актуальности. Два больших резервуара для воды расположены один выше другого. Вода в верхнем резервуаре, как любой предмет поднятый на высоту, имеет большую потенциальную энергию, чем вода в нижнем резервуаре.

Когда потребление электроэнергии от электростанции невелико, в это время вода закачивается насосами в верхний резервуар. В часы же пиковых нагрузок, когда станция вынуждена подавать в сеть большую мощность, вода из верхнего резервуара направляется через турбину гидрогенератора, вырабатывая тем самым повышенную мощность.

В Германии проекты такого рода гидроаккумуляторов разрабатываются для последующего их возведения на местах старых угледобывающих шахт, а также на дне океана в специально создаваемых для этой цели сферических хранилищах.

Сохранение энергии в форме сжатого воздуха

Подобно сжатой пружине, нагнетаемый в баллон сжатый воздух способен запасать энергию в потенциальной форме. Технология вынашивалась инженерами давно, но не была реализована по причине дороговизны. Но уже сегодня достижимы очень высокие показатели концентрации энергии при адиабатическом сжатии газа специальными компрессорами.

Идея состоит в следующем: в обычном режиме насос нагнетает воздух в резервуар, а во время пиковой нагрузки сжатый воздух высвобождается из резервуара под давлением, и вращает турбину генератора. В мире существует несколько подобных систем, одним из крупнейших разработчиков которых является канадская компания Гидростар.

Расплавленная соль как термический аккумулятор

Солнечные батареи — не единственный инструмент для преобразования лучистой энергии солнца. Солнечное инфракрасное излучение, будучи надлежащим образом сконцентрировано, способно разогревать и плавить соль и даже металл.

Так работают башенные солнечные электростанции, где множество отражателей направляют солнечную энергию на резервуар с солью, установленный на вершине башни, возведенной в центре станции. Расплавленная соль затем отдает тепло воде, которая превращается в пар, вращающий турбину генератора.

Так, прежде чем превратиться в электричество, тепло сначала хранится в термическом аккумуляторе на основе расплавленной соли. Данная технология реализована например в Арабских эмиратах. В Техническом институте Джорджии разработан еще более эффективный термоаккумулятор на основе расплавленного металла.

Батареи на базе лития для ветряных электростанций — это та же технология, что и у аккумуляторов для смартфонов и ноутбуков, только в составе хранилища для электростанции таких «батареек» будут тысячи. Технологии не нова, сегодня используется в США. Свежий пример такой станции на 4 МВт*ч — недавно возведенная компанией Тесла в Австралии. Станция принципиально способна отдавать в нагрузку пиковую мощность 100 МВт.

Проточные химические аккумуляторы

Если в обычных аккумуляторах электроды не движутся, то в проточных аккумуляторах в качестве электродов выступают заряженные жидкости. Две жидкости движутся через топливную ячейку с мембраной, в которой происходит ионное взаимодействие жидких электродов и генерация электрических зарядов разного знака в ячейке без перемешивания жидкостей. В ячейку вмонтированы неподвижные электроды для подачи электрической энергии, накопленной таким способом, в нагрузку.

Так, в рамках проекта brine4power в Германии цистерны с электролитами (используются ванадий, соленая вода, раствор хлора или цинка) планируют установить под землей, и возвести проточную аккумуляторную батарею на 700 МВт*ч в местных пещерах. Главная цель проекта заключается в уравновешивании распределения возобновляемой энергии в течение суток, дабы избежать перебоев с электричеством, вызванным отсутствием ветра или пасмурной погодой.

Динамическая система хранения на базе супермаховика

Принцип основан на преобразовании электроэнергии сначала – в форму кинетической энергии вращения супермаховика, а при необходимости — обратно в электрическую энергию (маховик вращает генератор).

Изначально маховик разгоняется мотором небольшой мощности, пока потребление нагрузкой не является пиковым, а когда нагрузка становится пиковой — запасенная маховиком энергия может быть отдана с многократно большей мощностью. Эта технология не нашла широкого промышленного применения, однако считается перспективной для использования в мощных источниках бесперебойного питания.

Энергоэффективность и хранение энергии

Мировой рынок хранения энергии

Повсеместное распространение возобновляемых источников энергии ведет к тому, что проблема сохранения излишков электричества, полученного в часы пикового производства, для использования их затем в часы недостаточной выработки (что особенно актуально для солнечной и ветряной генерации), все более остро встает как в частном, так и в промышленном масштабе.

Так, в первой половине 2017 года штату Калифорния в США пришлось избавиться от 300 тыс магаватт электроэнергии из возобновляемых источников, потому что ее негде было хранить. По данным BNEF, Китай по этой же причине теряет порядка 17% произведенной электроэнергии.

Хранилища энергии промышленного масштаба

По данным доклада IRENA, в настоящий момент уже существует рынок вспомогательных сервисов промышленного масштаба, которые обеспечивают бесперебойную работу энергосистем, и он будет все активнее развиваться. На оптовом уровне появляется все больше конкурентных проектов. Так, в недавнем аукционе властей Великобритании определились победители, готовые обеспечить хранилища электроэнергии объемом от 225 МВт. Американская компания Tesla к декабрю 2017 года построила хранилище энергии объемом 100 МВт в Южной Австралии. Аналогичные проекты развиваются также в Германии.

Автономные энергохранилища необходимы для обеспечения бесперебойных поставок энергии из возобновляемых источников в районах, удаленных от общих сетей, например, на небольших островах или в трудонодоступных местах Крайнего Севера. Ранее подобные локации могли рассчитывать только на электроэнергию, произведенную дизельными генераторами, и были крайне зависимы от внешних поставок топлива.

Vehicle-to-grid (V2G): Технология сетевого хранения электроэнергии в аккумуляторах электромобилей

Технология сетевого хранения электроэнергии в аккумуляторах электромобилей, иначе называемая концепцией динамической зарядки, или «Электомобиль-сеть» — Vehicle-to-grid (V2G), основана на использовании электромобилей и гибридных электромобилей для создания виртуальных систем хранения энергии, подключенных к общей сети.

Домашние системы хранения энергии

С точки зрения развития мировой экономики важным является дальнейшее удешевление домашних систем хранения энергии. По состоянию на конец 2016 года, 55 млн домохозяйств или 275 млн человек использовали электроэнергию от домашних PV-систем или районных микроэлектростанций благодаря значительному снижению цен на солнечную электроэнергию. В Германии за несколько последних лет около 40% всех домашних фотоэлектрических систем было оборудовано блоками для хранения энергии при небольшой финансовой поддержке со стороны государства. В Австралии в 2016 году без какой-либо государственной помощи было установлено около 7 тыс аккумуляторных систем.

Рынок аккумуляторов для хранения энергии достиг объема около 1 ГВт в 2016 году, благодаря благоприятной политике государств и снижению стоимость батарейного оборудования, по данным доклада МЭА по оценке успехов в области внедрения технологий возобновляемой энергетики в мире Tracking Clean Energy Progress 2017.

Перспективы мирового рынка хранения энергии

На рынок в ближайшие 30 лет будет выведено порядка 360 ГВт аккумуляторов для хранения энергии, призванных уравновесить пики и отсутствие выработки электроэнергии, характерные для солнечной и ветряной генерации. В том числе будет развиваться сегмент динамической зарядки электромобилей, который предполагает, что батареи транспортных средств подсоединяются к сети и используются для аккумуляции энергии во время пикового производства и передачи ее в сеть в моменты пикового потребления.

Компании по всему миру до 2050 года инвестируют в производство средств для хранения энергии 843 млрд долл США.

Рынок домашнего хранения энергии имеет потенциал в 250 млрд долларов США, и его экстенсивное развитие в ближайшие годы приведет к значительному снижению стоимости литий-ионных аккумуляторов. Исходя из прогноза спроса на батареи такого типа, аналитики BNEF ожидают снижение средней их стоимости до 94 долл США за кВ/ч в 2024 году и 62 долл за кВ/ч в 2030 году. По данным доклада IRENA, резкое падение стоимости средств для хранения энергии привести к росту установки частных систем хранения в 17 раз.

Наибольшую конкуренцию традиционным литий-ионным аккумуляторам составят в ближайшее время аккумуляторы с твердым электролитом, хотя наряду с ними часто упоминаются аккумуляторы на графеновых анодах и аккумуляторы ультрабыстрой зарядки. Однако для внедрения этих и других инновационных технологий потребуется достаточно много времени. Аккумуляторы с твердым электролитом не смогут завоевать более или менее крупную долю рынка раньше конца 2020-х гг.

Как хранить энергию. Расплавленная соль, сжатый воздух и супермаховик

Электроэнергетика — одна из немногих областей, в которой нет масштабного хранения произведенной «продукции». Промышленное хранение энергии и производство различного рода накопителей — следующий шаг в большой электроэнергетике. Сейчас эта задача стоит особенно остро — вместе со стремительным развитием возобновляемых источников энергии. Несмотря на бесспорные достоинства ВИЭ, остается один важный вопрос, который необходимо решить, прежде чем массово внедрять и применять альтернативные энергоносители. Хотя энергия ветра и солнца является экологически чистой, ее выработка имеет «прерывистый» характер и требуется хранение энергии для последующего использования. Для многих стран особенно актуальной задачей было бы получение технологий сезонного хранения энергии — из-за больших колебаний в ее потреблении. Издание Ars Technica подготовило список лучших технологий хранения энергии, мы расскажем о некоторых из них.

Гидроаккумуляторы

Самая старая, отлаженная и распространенная технология хранения энергии в больших объемах. Принцип работы гидроаккумулятора следующий такой: имеется два резервуара для воды — один расположен над другим. Когда спрос на электроэнергию невелик, энергия использутеся для закачки воды в верхний резервуар. В пиковые часы потребления электричества вода сливается вниз, на установленный там гидрогенератор, вода крутит турбину и вырабатывает электричество.

В будущем Германия планирует использовать старые угольные шахты для создания гидроаккумуляторов, а немецкие исследователи работают над созданием гигантских бетонных сфер для гидронегерации, размещенных на дне океана. В России есть Загорская ГАЭС, расположенная на реке Кунье у поселка Богородское в Сергиево-Посадском районе Московской области. Загорская ГАЭС — важный инфраструктурный элемент энергосистемы центра, участвует в автоматическом регулировании частоты и перетоков мощности, а также покрывая суточные пиковые нагрузки.

Как рассказал Игорь Ряпин, начальник департамента Ассоциации «Сообщества потребителей энергии» в рамках конференции «Новая энергетика»: Internet of Energy, организованной Энергетическим центром бизнес-школы «Сколково», установленная мощность всех гидроаккумуляторов в мире — порядка 140 ГВт, к преимуществам этой технологии относятся большое количество циклов и длительный срок работы, эффективность порядка 75-85%. Однако для установки гидроаккумуляторов требуются особые географические условия и она является дорогостоящей.

Накопители энергии сжатого воздуха

Этот способ хранения энергии по принципу работы похож на гидрогенерацию — однако вместо воды в резервуары нагнетается воздух. При помощи двигателя (электрического или иного) воздух закачивается в накопитель. Для получения энергии сжатый воздух выпускается и вращает турбину.

Недостаток такого рода накопителей — низкий КПД из-за того, что часть энергии при сжатии газа переходит в тепловую форму. Эффективность не более 55%, для рационального использования накопитель требует много дешевой электроэнергии, поэтому на данный момент технология используется преимущественно в экспериментальных целях, общая установленная мощность в мире не превышает 400 МВт.

Расплавленная соль для хранения солнечной энергии

Расплавленная соль удерживает тепло в течение длительного времени, поэтому ее размещают на солнечных тепловых установках, где сотни гелиостатов ( больших сконценирированных на солнце зеркал) собирают тепло солнечного света и нагревают жидкость внутри — в виде расплавленной соли. Затем она направляется в резервуар, далее посредством парогенератора приводит во вращение турбину, так вырабатывается электроэнергия. Одним из плюсов является то, что расплавленная соль функционирует при высокой температуре — более 500 градусов по Цельсию, что способствует эффективной работе паровой турбины.

Эта технология помогает продлевать рабочее время, либо обогревать помещения и давать электричество в вечернее время.

Подобные технологии используются в солнечном парке имени Мохаммеда ибн Рашида Аль Мактума — самая крупной в мире сети солнечных электростанций, объединенных в едином пространстве в Дубаи.

Проточные редокс-системы

Проточные батареи представляют собой огромный контейнер с электролитом, который пропускается через мембрану и создает электрический заряд. Электролитом может служить ванадий, а также растворы цинка, хлора или соленая вода. Они надежны, просты в эксплуатации, у них долгий срок службы.

Пока нет коммерческих проектов, общая установленная мощность — 320 МВт, в основном в рамках исследовательских проектов. Главный плюс — пока единственная технология на батареях с длительной выдачей энергии — более 4 часов. Среди недостатков — громоздкость и отсутствие технологии утилизации, что является общей проблемой для всех батарей.

Немецкая электростанция EWE планирует построить в Германии крупнейшую в мире проточную батарею на 700 МВт/ч в пещерах, где раньше хранили природный газ, сообщает Clean Technica.

Традиционные аккумуляторы

Это батареи, подобные тем, что работают в ноутбуках и смартфонах, только промышленного размера. Tesla поставляет такие батареи для ветряных и солнечных станций, а компания Daimler использует для этого старые автомобильные аккумуляторы.

Термальные хранилища

Современный дом необходимо охлаждать — особенно в регионах с жарким климатом. Термальные хранилища позволяют в течение ночи заморозить хранящуюся к цистернах воду, днем лед тает и охлаждает дом, без использования привычного всем дорогостоящего кондиционера и лишних расходов электроэнергии.

Калифорнийская компания «Ice Energy» разработала несколько подобных проектов. Их идея заключается в том, что лед производится только во время непиковой нагрузки на электросети, а затем, вместо расхода дополнительной электроэнергии, используется лед для охлаждения помещений.

«Ice Energy» сотрудничает с австралийскими фирмами, которые собираются внедрять технологию «ледяного аккумулятора« на рынке. В Австарлии из-за активного солнца развито использование солнечных батарей. Сочетание солнца и льда увеличит общую энергоэффективность и экологичность домов.

Маховик

Супермаховик — это инерционный накопитель. Запасенную в нем кинетическую энергию движения можно преобразовать в электричество с помощью динамо-машины. Когда возникает потребность в электричестве, конструкция вырабатывает электрическую энергию за счет замедления маховика.

Источники:

https://electricalschool.info/energy/2137-promyshlennye-ustroystva-hraneniya-elektroenergii.html
https://renewnews.ru/market/energy-storage/
https://www.forbes.ru/biznes/353097-kak-hranit-energiyu-rasplavlennaya-sol-szhatyy-vozduh-i-supermahovik