Устройства накопления энергии - это системы, которые хранят энергию в различных формах, таких как электрохимическая, кинетическая, потенциальная, электромагнитная, химическая и тепловая, с использованием, например, топливных элементов, аккумуляторов, конденсаторов, маховиков, сжатого воздуха, гидроаккумуляторов, супермагнитов, водорода и т. д.
Устройства накопления энергии - это важный ресурс, который часто используется для обеспечения бесперебойного электроснабжения либо в качестве поддержки энергосистемы в периоды очень краткосрочной нестабильности. Они также играют важную роль в автономных системах возобновляемой энергии.
Основными критериями устройств накопления энергии, необходимыми для конкретного применения являются:
- количество энергии с точки зрения удельной энергии (в Вт · ч · кг -1 ) и плотности энергии (в Вт · ч · кг -1 или Вт · ч · л -1 );
- электрическая мощность, т.е. требуемая электрическая нагрузка;
- объем и масса;
- надежность;
- долговечность;
- безопасность;
- стоимость;
- возможность вторичной переработки;
- воздействие на окружающую среду.
При выборе устройств накопления энергии следует учитывать следующие характеристики:
- удельная мощность;
- емкость накопителя;
- удельная энергия;
- время отклика;
- эффективность;
- скорость саморазряда / циклы зарядки;
- чувствительность к теплу;
- срок службы заряда-разряда;
- воздействие на окружающую среду;
- капитальные / эксплуатационные расходы;
- обслуживание.
Электрические устройства хранения энергиии являются неотъемлемой частью телекоммуникационных устройств (сотовые телефоны, дистанционная связь, рации и т. д.), резервных систем питания и гибридных электромобилей в виде компонентов хранения (батарей, суперконденсаторов и топливных элементов).
Устройства для хранения энергии, электрические или тепловые, признаны основными технологиями экологически чистой энергии.
Долговременное хранение энергии имеет большой потенциал для мира, в котором энергия ветра и солнца преобладает над добавлением новых электростанций и постепенно вытесняет другие источники электроэнергии.
Ветер и солнце производят только в определенное время, поэтому им нужна дополнительная технология, которая поможет заполнить пробелы.
В мире, где доля периодического, сезонного и непредсказуемого производства электроэнергии растет и увеличивается риск десинхронизации с потреблением, хранение делает систему более гибкой, поглощая любые разности фаз между производством и потреблением энергии.
Накопители служат главным образом в качестве буфера и позволяют упростить управление и интеграцию возобновляемых источников энергии как в сети, так и в зданиях, предлагая определенную автономию при отсутствии ветра и солнца.
В системах с генераторами они могут сэкономить топливо и помочь избежать неэффективной работы генератора, обслуживая нагрузку в периоды низкой потребности в электроэнергии, когда генератор наименее эффективен.
За счет буферизации колебаний выходной мощности возобновляемых источников накопление энергии также может снизить частоту запусков генератора.
В ветро и дизельных системах с высокой проникающей способностью (где установленная ветровая мощность превышает среднюю нагрузку) даже очень небольшой объем накопителя резко снижает частоту запусков дизельного топлива.
Самые распространенные виды промышленных устройств хранения электроэнергии:
Промышленные устройства хранения электроэнергии
Электрохимические устройства накопления энергии
Батареи, в особенности свинцово-кислотные, остаются преобладающим устройством хранения энергии.
Многие конкурирующие типы батарей (никель-кадмиевые, никель-металлогидридные, литий-ионные, натриево-серные, металл-воздушные, проточные батареи) превосходят свинцово-кислотные батареи по одному или нескольким аспектам производительности, таким как срок службы, эффективность, плотность энергии, скорость заряда и разряда, характеристики в холодную погоду или необходимый объем технического обслуживания.
Однако в большинстве случаев их низкая стоимость киловатт-часа емкости делает свинцово-кислотные батареи оптимальным выбором.
Альтернативы, такие как маховики, ультраконденсаторы или водородные накопители могут стать коммерчески успешными в будущем, но в настоящее время встречаются редко.
Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы в настоящее время представляют собой современный источник питания для всех современных бытовых электронных устройств. Объемная плотность энергии призматических литий-ионных батарей для портативной электроники увеличилась в два-три раза за последние 15 лет.
По мере появления нескольких новых приложений для литий-ионных аккумуляторов, таких как электромобили и системы накопления энергии, требования к конструкции и характеристикам элементов постоянно меняются и представляют собой уникальные проблемы для традиционных производителей аккумуляторов.
Таким образом, становится неизбежным высокий спрос на безопасную и надежную работу литий-ионных аккумуляторов с высокой энергией и высокой удельной мощностью.
Применение электрохимических устройств накопления энергии в энергетике:
Электрохимические суперконденсаторы
Суперконденсаторы - это электрохимические накопители энергии, которые можно полностью зарядить или разрядить за секунды.
Благодаря более высокой удельной мощности, низкой стоимости обслуживания, широкому диапазону температур и более продолжительному циклу эксплуатации по сравнению с вторичными батареями, суперконденсаторы привлекли значительное внимание исследователей за последнее десятилетие.
Они также обладают более высокой плотностью энергии по сравнению с обычными электрическими диэлектрическими конденсаторами. Накопительная емкость суперконденсатора зависит от электростатического разделения между ионами электролита и электродами с большой площадью поверхности.
Однако более низкая удельная энергия суперконденсаторов по сравнению с литий-ионными батареями является препятствием для их широкого применения.
Улучшение характеристик суперконденсаторов необходимо для удовлетворения потребностей будущих систем, от портативной электроники до электромобилей и крупного промышленного оборудования.
Подробно про суперконденсаторы:
Ионисторы (суперконденсаторы) - устройство, практическое применение, достоинства и недостатки
Хранение энергии сжатым воздухом
Накопитель энергии сжатым воздухом - это способ хранения энергии, произведенной в один момент, для использования в другое время. В масштабе коммунального предприятия энергия, вырабатываемая в периоды низкого спроса на энергию (внепиковый период), может быть высвобождена для удовлетворения периодов повышенного спроса (пиковой нагрузки).
Изотермический накопитель энергии сжатым воздухом (CAES) - это новая технология, которая пытается преодолеть некоторые ограничения традиционных (диабатических или адиабатических) систем.
Криогенные накопители энергии
В Великобритании планируется построить хранилище энергии сжиженного воздуха мощностью 250 МВтч. Оно будет объединен с парком возобновляемых источников энергии и компенсирует их перебои.
Ввод в эксплуатацию запланирован на 2022 год. Криогенные накопители энергии будут работать совместно с парком Trafford Energy возле Манчестера, где часть производства электроэнергии обеспечивается фотоэлектрическими панелями и ветряными турбинами.
Это хранилище позволит компенсировать перебои в использовании этих возобновляемых источников энергии.
Принцип работы этой установки будет основан на двух циклах изменения состояния воздуха.
Электрическая энергия будет использоваться для забора воздуха и последующего охлаждения его до очень низких температур (-196 градусов), пока он не станет жидким. Затем онбудет затем храниться в больших изотермических резервуарах при низком давлении, специально приспособленных для этого использования.
Второй цикл состоится, когда возникнет потребность в электрической энергии. Криогеную жидкость нагревают с помощью теплообменника, чтобы продолжить испарение и вернуть его в газообразное состояние.
Испарение криогенной жидкости вызывает расширение объема газа, который вращает турбины, вырабатывающие электрическую энергию.
Кинетические устройства накопления энергии
Маховик - это вращающееся механическое устройство, которое используется для хранения энергии вращения. Маховик может улавливать энергию от прерывистых источников энергии с течением времени и обеспечивать непрерывную подачу электрической энергии в сеть.
Системы накопления энергии с маховиком используют входную электрическую энергию, которая сохраняется в виде кинетической энергии.
Хотя физика механических систем часто довольно проста (например, вращение маховика или подъем тяжестей в гору), технологии, которые позволяют эффективно и действенно использовать эти силы, особенно продвинуты.
Высокотехнологичные материалы, новейшие компьютерные системы управления и инновационный дизайн делают эти системы пригодными для использования в реальных приложениях.
Коммерческие системы ИБП с кинетическими накопителями состоят из трех подсистем:
- устройства накопления энергии, обычно это маховик;
- распределительного устройства;
- отдельного генератора, который может быть запущен, чтобы обеспечить отказоустойчивость питания сверх емкости накопителя энергии.
Маховик может быть интегрирован с резервным генератором, что повышает надежность за счет прямого соединения механических систем.
Подробнее про эти устройства:
Кинетические накопители энергии для электроэнергетики
Как устроены и работают маховичные (кинетические) накопители энергии
Высокотемпературный сверхпроводящий магнитный накопитель энергии (SMES) для электросетей:
Как устроены и работают системы сверхпроводящего накопления магнитной энергии
Андрей Повный