Системы накопления энергии, вероятно, в ближайшем будущем будут определять успех и неудачу перехода на экологически чистую энергию. Хранение энергии рассматривается в качестве ключевой технологии для реализации Парижского соглашения по защите климата.
Но какие технологии подходят для этого и какие преимущества и недостатки предлагают отдельные разработки: панели солнечных батарей, ветряные турбины и контейнеры для хранения энергии? Разработка, строительство и интеграция новых систем накопления энергии в энергоснабжении считаются самым сложным инженерным творчеством.
Хранение энергии — физико-техническое определение
С физической точки зрения запас энергии — это система, которая служит для накопления энергии в форме кинетической, потенциальной и внутренней формах. Технически накопитель энергии представляет собой контейнер, в котором хранится соответствующий источник энергии. Для каждого устройства накопления энергии цикл хранения состоит из трех подпроцессов, каждый из которых выполняется один раз:
- Зарядка или преобразование;
- Хранение или удержание накопленной энергии;
- Высвобождение.
В зависимости от типа и конструкции накопителя энергии для процесса накопления и отвода энергии могут потребоваться вспомогательные системы.
Физическая классификация накопителей энергии
Физическая и энергетическая классификация накопителей энергии основана на различии типов накопления энергии. Различают:
- механическое и термомеханическое накопление энергии;
- накопление электрической энергии;
- накопление электрохимической энергии;
- накопление химической энергии;
- накопление тепловой энергии.
Существует также дифференциация на краткосрочное хранение с периодом снятия менее 24 часов и долгосрочное с периодом снятия более 24 часов.
Механическое и термомеханическое накопление энергии
Механические и термомеханические устройства накопления энергии используются для долговременного накопления электрической энергии путем преобразования ее в другую форму энергии. Эта форма хранения энергии включает в себя:
- насосные электростанции;
- хранение сжатого воздуха;
- хранение энергии жидкого воздуха;
- накопление теплового потенциала.
ГАЭС
На насосных электростанциях для хранения энергии используется разность потенциальной энергии воды между низко и высоколежащим резервуаром. Для накопления энергии вода из нижнего бассейна перекачивается в верхний бассейн через напорные трубы. Эффективность крупных насосных электростанций составляет около 80 процентов.
Сжатый воздух
Для хранения энергии сжатого воздуха электрическая энергия накапливается, например, путем сжатия окружающего воздуха и хранения его в соляных пещерах. Энергия, необходимая для сжатия, может быть частично восстановлена путем расширения запасенного воздуха.
Тепловой потенциал
В накопителях теплового потенциала энергия хранится при температуре от 500 до 800 C в форме тепловой энергии. Высокие температуры необходимы для поддержания энергетических потерь. Системы аккумулирования термопотенциала пригодны для использования в качестве среднесрочных систем аккумулирования энергии и сопоставимы по емкости аккумулирования энергии с электростанциями, работающими на сжатом воздухе и насосах.
Накопление электроэнергии
Накопители электроэнергии хранят электроэнергию без предварительного преобразования. Устройства накопления электрической энергии включают двухслойные конденсаторы и сверхпроводящие устройства накопления магнитной энергии. В двухслойном конденсаторе электрическая энергия сохраняется в статическом электрическом поле между электродами конденсатора в электролите. Поскольку плотность энергии в двухслойных конденсаторах низкая, а плотность мощности очень высокая по сравнению с батареями, конденсаторы в основном используются в высокопроизводительных системах и системах кратковременного хранения. Сверхпроводящие накопители магнитной энергии накапливают энергию в магнитных полях катушек. Однако достижимая плотность энергии является относительно низкой даже при очень сильных магнитных полях. Кроме того, существуют так называемые потери в режиме ожидания из-за системы охлаждения, необходимой для охлаждения змеевиков. Поэтому эти системы не подходят для хранения энергии в течение длительного периода времени.
Электрохимическое накопление энергии
Электрохимические системы хранения представляют собой перезаряжаемые электрохимические элементы, в которых электрическая энергия накапливается с помощью окислительно-восстановительной реакции. Хранение происходит путем изменения состояния заряда носителя хранения. Электрическое напряжение может быть увеличено путем последовательного соединения элементов, а сила тока может быть увеличена путем параллельного подключения. Накопители электрохимической энергии обычно подают постоянное напряжение. Кроме того, системы управления батареями необходимы для контроля и регулирования элементов. Запасы электрохимической энергии включают в себя:
Литий-ионные и литий-полимерные батареи
Для литий-ионных и литий-полимерных батарей положительный электрод состоит из легированного литием оксида металла и отрицательного электрода из слоистого графита. Литиевые соли служат электролитом. Основные области применения: мобильные телефоны и накопители энергии для электромобилей. В литий-ионных аккумуляторах можно использовать различные электролиты и различные комбинации электродных материалов. Разработка идеального аккумулятора еще далека от завершения, и пока не ясно какая концепция будет преобладать для использования.
Никель-кадмиевые и никель-металлогидридные батареи
Аккумуляторы, изготовленные из никель-кадмиевого (NiCd) и никель-металлогидридного (NiMH) материала, позволяют использовать высокую емкость при высоких значениях тока и высокой зарядной емкости. Эти аккумуляторы используются в портативных устройствах и гибридных автомобильных аккумуляторах.
Свинцово-кислотные аккумуляторы
Свинцово-кислотные аккумуляторы являются наиболее передовыми типами аккумуляторов. Они используются в качестве кратковременных и среднесрочных систем накопления энергии, например, в качестве стартерных батарей и тяговых батарей для транспортных средств, а также для источников бесперебойного питания (ИБП). Свинцово-кислотные батареи в основном конкурируют с литиевыми батареями и по-прежнему превосходят их с точки зрения инвестиционных затрат и рентабельности инвестиций.
Серо-натриевые батареи
Анод натриево-серных ячеек (Na-S) состоит из расплавленного натрия. Катод представляет собой графитовую ткань, пропитанную жидкой серой. В качестве электролита используется Al-оксид алюминия, который становится проводящим для ионов натрия при температуре выше 300 С. Натриевые высокотемпературные аккумуляторы обеспечивают высокую стабильность и сравнительно длительный срок службы. Высокотемпературные натриевые батареи выгодны для использования с более длительным временем снятия и в сетях среднего напряжения.
Батарея с окислительно-восстановительным потоком
Ванадий, полисульфид бромид, цинк-бром и другие батареи с окислительно-восстановительным потоком сокращенно RFB, сохраняют электрическую энергию путем восстановления или окисления химических соединений. Основное отличие от других типов батарей состоит в том, что в батареях с окислительно-восстановительным потоком блок зарядки / разрядки отделен от системного накопителя. Эти батареи способны к глубокому разряду, обеспечивают длительный срок службы и высокую стабильность цикла. Затраты на их производство пока еще достаточно высоки, а плотность энергии довольно низкая. Эти батареи не подходят для мобильных устройств и использования в электромобилях.
Атмосферная кислородная батарея — металл-воздушные батареи
Металло-воздушные батареи используют кислород, взятый из окружающего воздуха, в качестве реагента. Теоретически может быть достигнута более высокая объемная и удельная плотность мощности, по сравнению с другими типами батарей. Металлические воздушные батареи в настоящее время в основном используются в виде цинково-воздушных для небольших электронных устройств, например, для слуховых аппаратов.
ОСОБЕННОСТИ ХИМИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
СПОСОБЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ
Как соляная кислота реагирует с алюминием
