Современные технологии накопления энергии

Современные технологии накопления энергии

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. 

Subscription to the analytical newsletter (800x100)

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

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

три × пять =

Пролистать наверх