Знання про довгострокове зберігання енергії

Оскільки процес декарбонізації світової енергосистеми прискорюється, встановлена потужність і частка нових джерел енергії, таких як вітроенергетика та фотоелектрика, продовжують зростати, а попит на надійну підтримку потужності в енергосистемі продовжує збільшуватися. В останні роки довгострокове зберігання енергії почало привертати увагу громадськості і швидко викликало бум технологічних досліджень та капітальних інвестицій.., довгострокове зберігання енергії почали потрапляти в поле зору громадськості і швидко викликали бум технологічних досліджень та капітальних інвестицій.

Що таке довгострокове зберігання енергії?

На сьогоднішній день довгострокове зберігання енергії все ще залишається новим явищем, і в усьому світі не існує єдиного визначення довгострокового зберігання енергії. В останні роки довгострокове зберігання енергії почало привертати увагу громадськості і швидко викликало бум у технологічних дослідженнях та капітальних інвестиціях. У документі "Issue Brief - Long-duration energy storage", виданому Національною лабораторією Сандія в США, вважається, що довгострокове зберігання енергії - це технологія зберігання енергії з часом безперервної розрядки не менше 4 годин. В останні два роки Міністерство енергетики США опублікує звіт про підтримку довготривалого зберігання енергії, який визначає довготривале зберігання енергії як технології зберігання енергії з часом безперервної розрядки не менше 10 годин і терміном служби 15-20 років. Все більше науковців публікують статті в журналах, визначаючи довгострокове зберігання енергії як технологію зберігання енергії, що охоплює період від дня до сезону. Щоб відрізнити її від 2-годинної системи зберігання енергії, яка зараз широко будується в Китаї, деякі практики також класифікують технології зберігання енергії тривалістю 4 години і більше як довгострокове зберігання енергії.

Навіщо розвивати довгострокове зберігання енергії?

Щоб відповісти на це питання, ми повинні почати з того, навіщо розвивається накопичення енергії. Енергосистема без накопичувачів енергії є відносно нестабільною. Однак на сьогоднішній день енергосистема, що базується переважно на тепловій енергії, все ще має надійну енергетичну підтримку, оскільки теплова енергія, що генерується на вимогу, забезпечує роботу енергосистеми. Однак з поглибленим впровадженням політики скорочення викидів вуглекислого газу в майбутньому частка високо мінливих відновлюваних джерел енергії (переважно сонячної та вітрової енергії) певною мірою збільшиться, і електроенергія буде дефіцитною вночі, коли немає вітру і немає світла. Для підвищення надійності енергосистеми необхідним є розвиток допоміжних систем зберігання енергії. Отже, навіщо розвивати довгострокове зберігання енергії? Наприклад, якщо гідроелектростанція регулює ємність водосховища лише на дві години, то друга половина ночі все одно пройде в темряві; навіть якщо ємності водосховища вистачить на десять годин, ми повинні молитися, щоб наступний день був сонячним. Або вітряним, якщо безвітряний похмурий день затягнеться на два-три дні, доведеться готувати більший резервуар, тобто довготривале зберігання енергії. Звичайно, майбутня енергосистема матиме й інші джерела енергії, окрім вітру. Враховуючи взаємодоповнюючі характеристики генерації електроенергії в поєднанні з довгостроковим зберіганням енергії відповідної тривалості, енергосистема перетвориться на повністю регульовану гідроелектростанцію, про яку можна буде не турбуватися цілий рік. За прогнозами галузевих експертів, до 2040 року у світі буде розгорнуто 85-140 млрд кВт-год систем довготривалого зберігання енергії.

Які технології довгострокового зберігання енергії використовують у Китаї?

Залежно від типу технології, довгострокове зберігання енергії можна класифікувати як механічне, електрохімічне, теплове та хімічне. Далі ми представимо кілька технологій довгострокового зберігання енергії, які широко використовуються в Китаї, а саме: гідроакумулюючі станції, рідинні акумулятори, теплові акумулятори з розплавленою сіллю та акумулятори енергії стисненого повітря.

Насосні гідроакумулюючі станції

ГАЕС має два резервуари - верхній і нижній. Для зберігання енергії у верхній резервуар закачується вода з електричною енергією, яка перетворюється на гравітаційну потенційну енергію; для виробництва електроенергії вода випускається в нижній резервуар для приведення в дію турбіни, і гравітаційна потенційна енергія перетворюється на електричну енергію. Гідроакумулюючі електростанції мають великі масштаби будівництва і тривалий період будівництва, але здатні давати більше енергії в енергосистему. В даний час індивідуальна потужність гідроакумулюючих електростанцій становить від 300 000 до 400 000 кіловат, загальна встановлена потужність - від 300 000 до 3 600 000 кіловат, а час зберігання, як правило, становить 4-10 годин.

Рідинна акумуляторна батарея

Рідинний акумулятор - це розміщення електроліту та електричного блоку окремо, а оборотна хімічна реакція відбувається, коли позитивний і негативний електроліт протікає через електричний блок, реалізуючи взаємне перетворення електричної та хімічної енергії. Цикл будівництва рідинного акумулятора короткий, і, регулюючи ємність батареї або електроліту, можна збільшити виробництво електроенергії та ємність накопичення енергії. Поточна встановлена потужність проточної батареї становить 10-100 МВт, а час зберігання енергії, як правило, становить 2-6 годин.

Термосховище розплавленої солі

Теплові накопичувачі на основі розплавленої солі забезпечують зберігання енергії шляхом нагрівання розплавленої солі. У процесі вивільнення енергії високотемпературний теплообмін розплавленої солі генерує пару високої температури і високого тиску, яка приводить в дію парові турбіни для виробництва електроенергії. Накопичувачі енергії з розплавленої солі мають великі масштаби і тривалий термін служби, і на даному етапі вони в основному використовуються на електростанціях з технологією CSP. В даний час встановлена потужність сховищ розплавленої солі становить 10-100 МВт, а час зберігання, як правило, становить 5-15 годин.

Довготривале зберігання енергії стисненого повітря

Для довгострокового зберігання енергії стисненого повітря зазвичай використовують соляні каверни або контейнери для зберігання повітря під високим тиском. Під час процесу зберігання енергії компресор стискає і зберігає повітря, перетворюючи електричну енергію у внутрішню енергію повітря; при вивільненні енергії повітря під високим тиском приводить в рух турбіну для вироблення електроенергії, перетворюючи внутрішню енергію повітря в електричну. Електростанція довгострокового зберігання енергії стисненого повітря має тривалий будівельний цикл і високу безпеку, що належить до механічної технології довгострокового зберігання енергії. В даний час встановлена потужність електростанцій зберігання енергії стисненого повітря становить 10-300 МВт, а час зберігання енергії, як правило, становить 4-10 годин. Крім того, соляні каверни або контейнери можуть використовуватися для зберігання водню для досягнення хімічного зберігання енергії протягом тижнів або навіть сезонів.

Які ще існують дивні технології довгострокового зберігання енергії?

Багато передових технологій довгострокового зберігання енергії все ще перебувають на ранній стадії досліджень і демонстрації, наприклад, зберігання енергії в залізо-повітряних батареях, зберігання енергії в розпечених породах, зберігання енергії в батареях з вуглекислим газом, зберігання енергії в розплавленому алюмінії тощо.

Довготривале зберігання енергії від залізо-повітряних акумуляторів

Залізо-повітряна батарея - це тип метало-повітряної батареї, основний принцип якої заснований на оборотному окисленні (іржавінні) заліза. Коли залізо-повітряна батарея розряджена, кисень у повітрі викликає іржавіння заліза; коли вона заряджається, іржа відновлюється до заліза під дією електричного струму. Єдиною речовиною, що виділяється при цьому процесі, є кисень. Компанія Form Energy, яка винайшла цю технологію, стверджує, що система зберігання енергії, яка використовує акумулятори, може витримати до 100 годин розрядки при вартості, порівнянній з існуючими електростанціями, що працюють на викопному паливі.

Довготривале зберігання енергії з гарячих порід

Компанія, що займається технологіями зберігання, працює над технологією зберігання електричної енергії у вигляді тепла в камені, яка отримала назву GridScale. Енергосховище GridScale складається з одного або декількох комплектів сталевих резервуарів, заповнених щебенем. Щебінь - це базальтова порода, подрібнена до розміру горошини і здатна витримувати багаторазове нагрівання. Зарядка і розрядка здійснюється за допомогою компресорно-турбінної системи, яка перекачує теплову енергію з резервуара, наповненого холодним камінням, в резервуар, наповнений гарячим камінням. Камені в холодному резервуарі стають холоднішими, а в гарячому - гарячішими, досягаючи температури до 600 градусів за Цельсієм. Енергія може зберігатися в камінні протягом багатьох днів, і коли мережа потребує електроенергії, теплова енергія повертається з гарячого бака до холодного через турбіни, виробляючи електроенергію. Це ефективне рішення для довгострокового зберігання енергії завдяки низьким втратам енергії, а кількість накопичувачів можна вибрати відповідно до необхідного часу зберігання та потужності.

Довготривале зберігання енергії вуглекислотних батарей

Італійська компанія Energy Dome стверджує, що її вуглекислотні акумулятори можуть забезпечити швидке і дешеве зберігання енергії в масштабах мережі. Принцип роботи подібний до системи довготривалого зберігання енергії на основі стисненого повітря. Генератор стискає вуглекислий газ у рідину і зберігає її, а також зберігає відпрацьоване тепло, що виробляється стисненим газом; коли виникає потреба у підтримці енергосистеми, рідкий вуглекислий газ випаровується з попередньо збереженим відпрацьованим теплом для приведення в дію другого набору турбін. Виробляється електроенергія, а вуглекислий газ повертається в повітряну подушку. За даними Energy Dome, повнорозмірна вуглекислотна батарея має потужність до 25 мегават і зберігає від 100 до 200 мегават-годин енергії з оптимальним циклом заряду/розряду від 4 до 24 годин, що робить її ідеальною для щоденних і денних циклів; її ефективність перетворення досягає 75 %, термін служби батареї, як очікується, становитиме близько 25 років, а приведені витрати (LCOS) через кілька років можуть бути на рівні $50-60/МВт-год. Energy Dome порівняла свою технологію з накопичувачами енергії стисненого повітря (CAES) і накопичувачами енергії рідкого повітря (LAES) і дійшла висновку, що вуглекислотні батареї мають від 10 до 30 разів більшу щільність зберігання енергії, ніж CAES, хоча лише дві третини від LAES, але вони не потребують низьких температур і можуть зберігатися при температурі навколишнього середовища.

Довготривале зберігання енергії з розплавленого алюмінію

Експериментальна технологія шведської компанії Azelio - довгострокове зберігання енергії з розплавленого алюмінію - була встановлена в сонячному комплексі потужністю 580 МВт в Марокко (510 МВт CSP і 70 МВт PV). Технологія використовує фазозмінний матеріал, виготовлений з переробленого алюмінієвого сплаву, в якості теплоаккумулюючого середовища, одним способом за допомогою електроенергії для нагрівання переробленого алюмінію до 600°C за допомогою резистивного нагрівача, а іншим способом - за допомогою концентрованої сонячної теплової системи, яка плавить алюмінієвий сплав за допомогою тепла, що генерується системою, таким чином зберігаючи енергію у вигляді тепла. Коли енергію потрібно вивільнити, сплав охолоджується і знову твердне, а вивільнене тепло спрямовується в двигун для виробництва електроенергії за допомогою мастила-теплоносія. Відпрацьоване тепло при температурі 65°C можна також продавати промисловим споживачам або місцевим системам централізованого теплопостачання. Система довгострокового зберігання енергії з розплавленого алюмінію За словами Азеліо, ефективність процесу становить 90 відсотків в обох напрямках, коли використовується як електроенергія, так і відпрацьоване тепло; технологія дозволяє зберігати електроенергію до 13 годин, може бути встановлена модульно і може забезпечувати тепло на вимогу, в спекотну або холодну погоду Її можна використовувати в будь-яких кліматичних умовах, а термін служби системи, як очікується, складе до 30 років. При цьому схему можна масштабувати від 100 кіловат до 100 мегават, а перероблений алюмінієвий накопичувач можна використовувати знову і знову, не зменшуючи його ємності з часом. Загалом, все більше і більше компаній приєднуються до досліджень і розробок технологій довгострокового зберігання енергії та конкуренції. Однак майбутнє довгострокового зберігання енергії все ще потребує безперервних досліджень і розвідок.