Системы хранения энергии: добро пожаловать в будущее электричества

Это может показаться неожиданным, но следующим крупным достижением в электроэнергетике будет не солнечная энергия. Это также не ветер, биомасса или гидроэнергетика. Напротив, это то, что мы делаем после того, как возобновляемые источники энергии производят электричество. Если мы не создадим надежную батарею, которая будет хранить дополнительную энергию, мы потратим впустую электроэнергию и в конечном итоге ограничим развитие технологий возобновляемых источников энергии.

Хранение возобновляемой энергии - это следующий большой технологический прорыв, и крупные компании исследуют, разрабатывают и коммерциализируют технологии хранения энергии. В течение следующих двух десятилетий такие компании, как Tesla, GE и Lockheed Martin, вложат в этот проект 640 миллиардов долларов. 

Давайте поговорим о том, для чего используется технология хранения энергии и почему она может изменить все, что мы знаем об электричестве. 

Почему так важно хранение энергии? 

Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны сначала поговорить об электросети и о том, как она работает. Соединенные Штаты состоят из трех основных электрических сетей: Восточной сети, Западной сети, Техасской (ERCOT) сети. Хотя система чрезвычайно сложна, все три сети управляются основным экономическим принципом спроса и предложения. 

Электроэнергия всегда должна быть равна потребляемой. Другими словами, сколько бы энергии ни было нужно населению Техаса, оно получает. Без исключений. Сеть работает на частоте 60 Гц, но если сеть подвергается нагрузке из-за того, что предложение меньше спроса, частота может немного снизиться для компенсации. Если в сети больше электричества, чем нужно людям, то частота может немного повыситься. Но когда частота сети становится действительно низкой или очень высокой, это начинает вызывать проблемы, главным из которых являются отключения и отключения электроэнергии. 

Возобновляемые источники энергии, особенно ветер и солнце, представляют собой серьезную проблему для нормальной работы энергосистемы на ископаемом топливе. Солнечная и ветровая энергия считаются непостоянными источниками энергии. Поскольку мы не можем контролировать, когда садится солнце или когда подует ветер, они не постоянны, поэтому сеть не может полагаться на них во время стресса. И наоборот, ископаемое топливо можно сжигать в любое время, но оно вредно для окружающей среды и не является устойчивым. 

Это проблема, которую призвано решить хранение электроэнергии: как мы можем использовать электроэнергию из чистых источников энергии, не полагаясь на непредсказуемые погодные условия?

6 типов накопителей энергии, доступных сегодня

Традиционно вы можете думать об аккумуляторах как о накопителе энергии - и вы будете правы! Литий-ионный аккумулятор - это один из шести различных способов резервного питания. К ним относятся: 

  • Накачиваемая гидроэлектростанция : эта форма накопления энергии не только является возобновляемой, но и составляет 94% всех накопителей энергии в Соединенных Штатах сегодня. Электричество качает воду вверх по течению, а затем вода спускается вниз, чтобы вращать турбины, которые вырабатывают электричество, когда оно нам нужно. 
  • Расплавленная соль : высокоэффективный метод, в котором расплавленная соль накапливает тепловую энергию, улавливаемую концентраторами солнечной энергии (CSP). Эти растения используют зеркала с высокой отражающей способностью, чтобы сконцентрировать солнечную энергию и нагреть соль до расплавленного состояния. Когда требуется энергия, соли нагревают воду, чтобы вращать паровые турбины и вырабатывать электричество. Он без выбросов и работает на солнечной энергии. 
  • Батарейки : это гигантские версии металлических трубок, питающих ваш калькулятор. Но вместо того, чтобы обеспечивать несколько вольт, эти батареи накапливают электричество, способное питать тысячи домов. К концу 2018 года в США было 869 МВт установленной мощности и 1236 МВт-ч энергетической мощности. 1
  • Сжатый воздух : когда на электроэнергию больше предложения, чем спроса, этот метод сжимает воздух, который затем может быть выпущен, когда потребность в нем больше. Сжатый воздух обычно хранится под землей в истощенных нефтегазовых резервуарах, и он не содержит выбросов.
  • Жидкий воздух : еще один способ хранения воздуха для энергии, электричество охлаждает воздух до жидкого состояния в нерабочее время. Когда спрос повышается, а предложение низкое, воздух расширяется и испаряется, вращая турбину для выработки электричества.
  • Маховики : маховики накапливают электричество, используя кинетическую энергию. Электричество вращает магнитно-левитирующий ротор десятки тысяч раз в минуту в вакууме. Это обеспечивает среду, в которой практически отсутствует трение, наподобие космоса, которую можно снова преобразовать обратно в электричество при высоком спросе. Из-за своей неэффективности это наименее внедренная технология хранения из шести.

Преимущества разработки технологий хранения энергии

Технология хранения энергии может полностью изменить то, как мы производим, продаем и используем электричество. Министерство энергетики США называет накопление возобновляемой энергии «крупным прорывом» в распределении электроэнергии. 

В прошлом солнечная энергия и ветер не рассматривались как ключевые игроки в удовлетворении пикового спроса на электроэнергию. Решение заключалось в том, чтобы либо изменить использование людей так, чтобы они соответствовали тому, когда возобновляемые источники энергии производили электричество, либо дать нам возможность использовать электроэнергию, когда мы захотим. Благодаря эффективной инфраструктуре хранения энергии солнечная и ветровая энергия могут и будут конкурировать с такими источниками энергии по запросу, как уголь и природный газ. Это только еще больше уведет нас от использования ископаемых видов топлива к более устойчивому и экологичному будущему.

Проблемы развертывания накопителей энергии

Однако будущее не обходится без проблем. В настоящее время нам не хватает всех трех основных этапов реализации: 

  • Исследования и разработки
  • Коммерциализация
  • Утилизация

К счастью, в июле 2020 года Министерство энергетики недавно объявило о грандиозной программе по хранению энергии на сумму 150 миллионов долларов, направленную на решение всех трех проблем. К 2030 году Министерство энергетики стремится создать безопасную внутреннюю цепочку поставок, не зависящую от иностранных источников «критических материалов». 2 Мы предполагаем, что эти важные материалы включают ископаемое топливо. 

Новые технологии, такие как проточные батареи, многослойные блоки и сверхпроводящие магнитные накопители энергии, а также дальнейшие исследования, разработка и внедрение литий-ионных батарей - все это вселяет многообещающие надежды на более светлое и чистое будущее.