Войти
Упрощенная электрическая сеть с накоплением энергии. 
Упрощенный сетевой поток энергии с идеализированным накоплением энергии и без него в течение одного дня. Сетевой накопитель энергии (также называемый крупномасштабным накопителем энергии ) - это набор методов, используемых для накопления энергии в большом масштабе в электрическом электросеть. Электроэнергия накапливается в те времена, когда электричество в изобилии и недорого (особенно от электростанций с перебоями, таких как возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра, энергия приливов, солнечная энергия ) или при низком спросе, а затем возвращается в сеть, когда спрос высок, а цены на электроэнергию обычно выше.
По состоянию на 2017 год самой крупной формой накопления энергии в сети является плотина гидроэлектроэнергия, с использованием как традиционной гидроэлектроэнергии, так и гидроаккумулирующей гидроэлектроэнергии.
Разработки в области аккумуляторного хранения позволили коммерчески жизнеспособные проекты для хранения энергии во время пикового производства и высвобождения во время пикового спроса, а также для использования, когда производство неожиданно падает, давая время для покупок с более медленным откликом в Интернете.
Две альтернативы хранению в сети - это использование пиковых электростанций для восполнения пробелов в предложении и реакции спроса для переключения нагрузки на другое время.
Любые электросеть должна согласовывать производство электроэнергии с потреблением, причем обе ch резко меняются также со временем. Любая комбинация накопления энергии и реагирования на спрос имеет следующие преимущества:
Энергия, используемая из солнечных, приливных и ветровых систем, по своей сути - производимой электроэнергии зависит от времени суток, фазы луны, таких факторов как погода. Таким образом, возобновляемые источники энергии в хранилищах. Хотя подключение многих источников ветра может увеличить общую изменчивость, солнечная энергия надежно недоступна ночью, поэтому слабые приливы происходят в два раза в день.
Насколько это влияет на любую конкретную утилиту, особенно различается. В коммунальном хозяйстве, как правило, может потребляться больше солнечной энергии и соответствоватьу. В коммунальном хозяйстве в меньшей степени коррелирует с потребностью в отоплении и может народ для удовлетворения этого спроса. В зависимости от этих факторов, за пределами примерно 20-40% общей выработки, подключенные к сети прерывистые источники, такие как солнечная энергия и ветряные турбины, как, требуют в объединение сетей, хранение энергии в сети или управление спросом.
В электрической сети без накопления энергии генерации, основанной на энергии, хранящейся в виде топлива (уголь, биомасса, природный газ, ядерная энергия), должна масштабироваться вверх и вниз, чтобы соответствовать росту и падению производства электроэнергии из непостоянных источников (см. нагрузка после электростанции ). В то время как гидроэлектростанции и станции, работающие на природном газе, можно быстро увеличивать или увеличивать, чтобы следовать за ветром, угольным и атомным станциям требуется значительное время, чтобы отреагировать на нагрузку. Таким образом, коммунальные предприятия с меньшим объемом производства природного газа или гидроэлектроэнергии в большей степени полагаются на управление спросом, объединение сетей или дорогостоящие гидроаккумуляторы.
По оценкам французской консалтинговой компании Yole Développement, к 2023 году рынок «стационарных хранилищ» может открыться на 13,5 млрд долларов по сравнению с менее 1 млрд долларов в 2015 году.
хранилище масштаба производства и потребления электроэнергии Сторона спроса также может хранить электроэнергию из сети, например, зарядка аккумуляторного электромобиля устройство для транспортных средств и накопительные нагреватели, накопители централизованного теплоснабжения или накопители льда накопители тепла в зданиях. В настоящее время этот накопитель служит для переключения на потребление непиковое время суток, электроэнергия в сеть не возвращается.
Потребность в сетевом хранилище для обеспечения пиковой мощности снижается за счет спроса цены на время использования, одного преимущества интеллектуальных счетчиков. На уровне домохозяйств пользователи могут выбрать менее дорогое время внепикового периода для стирки и сушки одежды, использования посудомоечных машин, принятия душа и приготовления пищи. Кроме того, коммерческие и промышленные пользователи получат возможность сэкономить, перенеся некоторые процессы на непиковые периоды.
Воздействие непредсказуемой работы ветроэнергетики на региональном уровне создало новую потребность в интерактивном реагировании на спрос, когда коммунальное предприятие взаимодействует с потреблением. Раньше это делалось только в сотрудничестве с крупными промышленными потребителями, но теперь может быть расширено до целых сетей. Например, несколько крупномасштабных проектов в Европе связывают колебания мощности с изменением нагрузки промышленных морозильных камер, вызывая небольшие колебания температуры. Если осуществляется в масштабе всей сети, небольшие изменения системы температуры / охлаждения мгновенно изменят потребление энергии в сети.
В отчете, выпущенном в декабре 2013 г. Министерством энергетики США, далее описываются потенциальные преимущества технологий хранения энергии и энергии для электросети: «Модернизация электрической системы поможет решить задачу прогнозируемых источников энергии, включая проблемы изменения климата путем интеграции большего количества энергии из возобновляемых источников энергии. повышения эффективности процессов возобновляемой энергии. Снижение затрат и обеспечение высокой надежности, а также отсрочки и сокращение инфраструктуры в инфраструктуру. И, наконец, они могут играть роль в усилении чрезвычайной ситуации. Отчет был написан основной группой, представляющих Управление электроснабжения и надежности энергоснабжения, ARPA-E, Управление науки, Управление Энергоэффективности и возобновляемые источники энергии, Сандийские национальные лаборатории и Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория ; все они участвуют в разработке систем хранения энергии.
Накопители энергии являются ценным активом для электрической сети. Они могут такие преимущества и услуги, как управление нагрузкой, качество электроэнергии и источник бесперебойного питания, чтобы повысить эффективность и надежность энергоснабжения. Это становится все более и более важным в связи с энергетическим переходом и необходимой более эффективной и устойчивой энергетической системы.
Многочисленные технологии накопления энергии (гидроаккумулятор, электрическая батарея, проточная батарея, маховик накопителя энергии, суперконденсатор и т. Д.) Подходят для сетевых приложений, однако их характеристики отличаются. Например, гидроаккумулирующая станция хорошо подходит для управления объемными нагрузками из-за их большой мощности и мощности. Однако подходящие места ограничены, и их полезность теряется при решении локальных вопросов качества электроэнергии. С другой стороны, маховики и конденсаторы наиболее эффективны для поддержания качества электроэнергии, но им не хватает накопительной емкости для использования в более приложениях. Эти ограничения являются естественным ограничением применимости хранилища.
Несколько исследований вызвали и исследовали пригодность или выбор оптимального накопителя энергии для определенных приложений. Литературные обзоры содержат доступную информацию о состоянии дел и сравнивают использование хранилища на основе текущих проектов. Другие исследования делают шаг вперед в оценке накопления энергии друг с другом и ранжируют их пригодность на основе многокритериального анализа решений. В другом документе предложена схема оценки путем исследования и моделирования хранения в виде эквивалентных схем. Подход к индексции также предлагался в нескольких исследованиях, но все еще находится на новой стадии. Для повышения экономического потенциала систем хранения энергии, подключенных к сети, представляет интерес портфель с использованием услуг для одного или нескольких приложений для хранения энергии. Таким образом можно получить несколько доходов с помощью одного хранилища и таким образом, повысить степень использования. Чтобы представить два примера, в разделе обзор частотной характеристики и резервных сервисов, в то время как сглаживание пиковой нагрузки вместе со сглаживанием мощности в.
Одним из методов хранения энергии в сети является использование внепиковой или возобновляемой электроэнергии для сжатия воздуха, который обычно хранится в старой шахте или в другом виде геологической особенности. Когда потребность в электроэнергии высока, сжатый воздух нагревается небольшим количеством природного газа, а затем проходит через турбодетандеры для выработки электроэнергии.
Обычно используется накопитель сжатого воздуха. эффективность около 60–90%.
Еще один метод накопления электроэнергии - это сжатие и охлаждение воздуха, превращение его в жидкий воздух, который можно хранить и расширять при необходимости, превращая турбина, вырабатывающая электроэнергию, с эффективностью хранения до 70%.
Световая установка постоянного тока мощностью 900 Вт, использующая 16 отдельных свинцово-кислотных аккумуляторных элементов (32 В). Аккумуляторные батареи были использованы на заре постоянного тока. В тех случаях, когда электросеть переменного тока была недоступна, изолированные осветительные установки, работающие на ветряных турбинах или двигателях внутреннего сгорания, обеспечивали освещение и питание для небольших двигателей. Аккумуляторную систему можно было использовать для работы с нагрузкой без запуска двигателя или при тихом ветре. Набор свинцово-кислотных батарей в стеклянных банках питание для освещения ламп, а также для запуска двигателя для подзарядки батарейки. Аккумуляторная технология хранения обычно эффективна от 80% до более чем 90% для новых литий-ионных устройств.
Аккумуляторные системы, подключенные к крупным твердотельным преобразователям, использовались для стабилизации сетей распределения электроэнергии. Некоторые сетевые батареи установлены вместе с установками возобновляемой энергии, чтобы либо сгладить мощность, либо перенести выработку электроэнергии на другие часы дня, когда возобновляемая установка не может выполнять электроэнергию напрямую (см. Примеры установки ). Эти гибридные системы (генерация и хранение) могут либо снизить нагрузку на сеть при подключении возобновляемых источников, либо установить достижения самоокупаемости и работы вне сети (см. Автономная энергосистема ).
В отличие от электромобилей, батареи для стационарного хранения не имеют ограничений по массе или объему. Однако из-за большого количества потребляемой энергии и решающее значение имеет стоимость мощности или единицы энергии. Соответствующие метрики для оценки интереса к технологии хранения в масштабе сети - это доллар / Втч (или доллар / Вт), а не Втч / кг (или Вт / кг). Электрохимическое сетевое хранилище стало возможным благодаря развитию электромобиля, вызвавшего снижение энергии на батареях ниже 300 США / кВтч. За счет оптимизации производственной цепочки основные предприятия стремятся к концу 2020 года достичь 150 долларов США за кВт · ч. Эти батареи основаны на технологии литий-ионных, которая подходит для мобильных приложений (высокая стоимость, высокая). Технологии, оптимизированные для сетей, должны быть ориентированы на низкую стоимость и низкую плотность.
Натрий-ионные батареи - дешевая и устойчивая альтернатива литий-ионным, потому что натрия намного больше и дешевле, чем лития, но он имеет более низкую удельную мощность. Однако они все еще находятся на ранней стадии своего развития.
Автомобильные технологии опираются на твердые электроды, которые обладают высокой плотностью энергии, но требуют дорогостоящего производственного процесса. Жидкие электроды предоставить собой более дешевую и плотную альтернативу, так как не требуют обработки.
Эти батареи состоят из двух расплавленных металлических сплавов, разделенных электролитом. Они просты в изготовлении, но для поддержания сплава в жидком состоянии требуется температура в несколько сотен градусов Цельсия. Эта технология включает ZEBRA, натриево-серные батареи и жидкий металл. Натриево-серные батареи используются для хранения в энергосистеме Японии и США. Электролит состоит из твердого бета-оксида алюминия. Жидкометаллический аккумулятор, группу Пр. Sadoway использует расплавленные сплавы магния и сурьмы, разделенные электроизоляционным расплавом соли. Он все еще находится на стадии создания прототипа.
В перезаряжаемых проточных батареях жидкие электроды состоят из переходных металлов в воде при температуре. Их можно использовать в качестве носителей информации с быстрым откликом. Ванадиевые окислительно-восстановительные батареи Выбрать собой проточные батареи. На разных площадках устанавливаются различные проточные батареи, в том числе; ветряная электростанция Huxley Hill (Австралия), Tomari Wind Hills в Hokkaidō (Япония), а также в других областях применения, помимо ветряных электростанций. На ветряной электростанции Сорн-Хилл (Ирландия ) должна была быть установлена проточная батарея мощностью 12 МВт · ч. Эти системы хранения предназначены для сглаживания кратковременных колебаний ветра. Бромистый водород был предложен для использования в батареях проточного типа.
В Пуэрто-Рико стабилизируется система мощностью 20 мегаватт в течение 15 минут (5 мегаватт час). частота электроэнергии, производимой на острове. Никель-кадмиевый аккумулятор мощностью 27 мегаватт (6,75 мегаватт-час) был установлен в 2003 году в Фэрбенксе на Аляске для стабилизации напряжения на конце длинной линии электропередачи.
В 2014 году Tehachapi Energy Проект хранения был заказан Southern California Edison.
В 2016 году цинк-ионная батарея была предложена для использования в сетевых хранилищах.
В 2017 году Комиссия по коммунальным предприятиям Калифорнии установила 396 батарей Tesla размером с холодильник на подстанции Мира Лома в Онтарио, Калифорния. Стеки развернуты в виде двух модулей по 10 МВт каждый (всего 20 МВт), каждый из которых может работать в течение 4 часов, что позволяет добавить до 80 МВтч хранилища. Массив способен обеспечивать электроэнергией 15 000 домов в течение более четырех часов.
BYD предлагает использовать обычные потребительские аккумуляторные технологии, такие как литий-железо-фосфатный (LiFePO4) аккумулятор, соединяя несколько аккумуляторов параллельно.
Крупнейшие сетевые аккумуляторные батареи в США включают батарею 31,5 МВт на электростанции Гранд-Ридж в Иллинойсе и батарею 31,5 МВт в Бич-Ридж, Западная Вирджиния. Две батареи, которые строятся в 2015 году, включают проект мощностью 400 МВтч (100 МВт в течение 4 часов) в Южной Калифорнии и проект 52 МВтч на Кауаи, Гавайи, чтобы полностью перенести во времени выработку солнечной фермы мощностью 13 МВт на вечер. Две батареи находятся в Фэрбенксе, Аляска (40 МВт в течение 7 минут с использованием Ni-Cd элементов) и в Нотрисе, Техас (36 МВт в течение 40 минут с использованием свинцово-кислотные батареи ). В Люнене, Германия, в Люнене, Германия, создается аккумуляторная батарея мощностью 13 МВтч, изготовленная из использованных аккумуляторов от автомобилей Daimler Smart electric drive, рассчитанная на второй срок службы - 10 лет.
В 2015 году в США был установлен аккумуляторный аккумулятор мощностью 221 МВт, а в 2020 году его общая емкость должна была достичь 1,7 ГВт.
В 2018 году в Великобритании в Хартфордшире была установлена литий-ионная сеточная аккумуляторная батарея мощностью 50 МВт
.В ноябре 2017 года Tesla установила аккумуляторную систему мощностью 100 МВт, 129 МВтч в Южной Австралии. Австралийский оператор энергетического рынка заявил, что это «и быстрое, и точное по сравнению с услугой, обычно предоставляемой традиционным синхронным генератором».
| Технология | Движущиеся части | Работа. при комнатной температуре | Воспламеняющиеся | Токсичные материалы | В производстве | Редко металлы |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Поток ванадия | Да | Да | Нет | Да | Да | Нет |
| Жидкий металл | Нет | Нет | Да | Нет | Нет | Нет |
| Натрий-ионный | Нет | Нет | Да | Нет | Нет | Нет |
| Свинцово-кислотный | Нет | Да | Нет | Да | Да | Нет |
| Натрий-серные батареи | Нет | Нет | Да | Нет | Да | Нет |
| Ni-Cd | Нет | Да | Нет | Да | Да | Да |
| Ион алюминия | Нет | Да | Нет | Нет | Нет | Нет |
| Литий-ионный | Нет | Да | Да | Нет | Да | Нет |
Nissan Leaf, самый продаваемый в мире электромобиль как 2015 г. Компании изучают возможности использования электромобилей для удовлетворения пикового спроса. Припаркованный и подключенный к электросети электромобиль может продавать электроэнергию от аккумулятора во время пиковых нагрузок и заряжаться либо ночью (дома), либо в непиковое время.
Подключаемый гибрид или электромобили могут быть использованы для хранения энергии. Технология «автомобиль-сеть» может быть использована, превращая каждое транспортное средство с его 20-50 кВтч аккумуляторной батареей в устройство распределенной балансировки нагрузки или аварийный источник питания. Это составляет от двух до пяти дней на одно транспортное средство при средней потребности домашнего хозяйства в 10 кВтч в день, при условии годового потребления 3650 кВтч. Это количество энергии эквивалентно диапазону от 60 до 480 километров (от 40 до 300 миль) в таких транспортных средствах, потребляющих от 0,1 до 0,3 киловатт-часов на километр (от 0,16 до 0,5 кВтч / милю). Таких цифр можно достичь даже при переоборудовании самодельных электромобилей . Некоторые электроэнергетические компании планируют использовать старые сменные автомобильные аккумуляторные батареи (иногда приводящие к гигантской аккумуляторной батарее) для хранения электроэнергии.Однако большим недостатком использования транспортного средства для хранения энергии в сети было бы, если бы каждый цикл хранения нагружал аккумулятор за одну полную зарядку-разряд. цикл. Тем не менее, одно крупное исследование показало, что разумное использование межсетевого накопителя на самом деле увеличивает срок службы аккумуляторов. Обычные литий-ионные батареи (на основе кобальта) выходят из строя с количеством циклов - более новые литий-ионные батареи не выходят из строя значительно с каждым циклом, и поэтому имеют гораздо более длительный срок службы. Один из подходов состоит в том, чтобы повторно использовать ненадежные автомобильные аккумуляторные батареи в выделенных сетевых хранилищах, поскольку ожидается, что они будут служить в этой роли в течение десяти лет. Если такое хранение осуществляется в больших масштабах, становится намного проще гарантировать замену автомобильного аккумулятора, вышедшего из строя при мобильном использовании, поскольку старый аккумулятор имеет ценность и незамедлительно используется.
Маховик NASA G2 В основе этого метода хранения лежит механическая инерция. Когда электроэнергия поступает в устройство, электродвигатель ускоряет тяжелый вращающийся диск. Двигатель действует как генератор, когда поток энергии меняется на противоположный, замедляя диск и производя электричество. Электричество сохраняется в виде кинетической энергии диска. Трение должно быть сведено к минимуму, чтобы продлить время хранения. Это часто достигается помещением маховика в вакуум и использованием магнитных подшипников, что делает метод дорогостоящим. Более высокие скорости маховика обеспечивают большую емкость хранения, но требуют использования прочных материалов, таких как сталь или композитные материалы, чтобы противостоять центробежным силам. Однако ряд технологий хранения энергии и энергии, делающих этот метод экономичным, делает маховики непригодными для использования в обычных энергосистемах; они, вероятно, лучше всего подходят для приложений выравнивания нагрузки в железнодорожных энергосистемах и для улучшения качества электроэнергии в системах возобновляемой энергии, таких как система 20 МВт в Ирландии.
Приложения в которых используется накопитель на маховике, - это те, которые требуют очень больших всплесков мощности в течение очень коротких периодов времени, такие как эксперименты с токамаком и лазером, в которых двигатель-генератор раскручивается до рабочей скорости и частично замедляется во время выписки.
Накопитель на маховике в настоящее время также используется в виде Дизельного вращающегося источника бесперебойного питания для обеспечения систем бесперебойного питания (например, в больших центрах обработки данных ) для постоянной мощности, необходимой во время переключения, то есть относительно короткий промежуток времени между отключением питания от сети и прогревом альтернативного источника, такого как дизель-генератор.
Это возможное решение было реализовано EDA на Азорских островах на островах Грасиоза и Флорес. В этой системе используется маховик на 18 мегаватт-секунд для улучшения качества электроэнергии и, таким образом, увеличения использования возобновляемых источников энергии. Как следует из описания, эти системы снова предназначены для сглаживания переходных колебаний в электроснабжении и никогда не могут быть использованы для устранения перебоев в работе более чем на пару дней.
Powercorp в Австралии разрабатывает приложения с использованием ветряных турбин, маховиков и технологии дизельного топлива с малой нагрузкой (LLD), чтобы максимально увеличить ветровую нагрузку на небольшие сети. Система, установленная в Корал-Бей, Западная Австралия, использует ветряные турбины в сочетании с системой управления на основе маховика и LLD. Технология маховика позволяет ветряным турбинам время от времени обеспечивать до 95 процентов энергоснабжения Корал Бэй, при этом общее годовое проникновение ветра составляет 45 процентов.
Водород разрабатывается как носитель электрической энергии. Производится водород, затем его сжимают или сжижают, криогенно хранят при -252,882 ° C, а затем снова преобразуют в электрическую энергию или тепло. Водород можно использовать в качестве топлива для портативных (транспортных средств) или стационарных источников энергии. По сравнению с гидроаккумулирующими устройствами и батареями водород имеет то преимущество, что он является топливом с высокой плотностью энергии.
Водород может быть получен либо реформингом природного газа с паром, либо электролиз воды на водород и кислород (см. производство водорода ). При риформинге природного газа в качестве побочного продукта образуется диоксид углерода. Высокотемпературный электролиз и электролиз высокого давления - это два метода, с помощью которых можно повысить эффективность производства водорода. Затем водород преобразуется обратно в электричество в двигателе внутреннего сгорания или топливном элементе.
. Было показано, что эффективность хранения водорода по переменному току составляет порядка 20%. 45%, что накладывает экономические ограничения. Соотношение цен между покупкой и продажей электроэнергии должно быть, по крайней мере, пропорционально эффективности, чтобы система была экономичной. Водородные топливные элементы могут реагировать достаточно быстро, чтобы корректировать быстрые колебания спроса или предложения электроэнергии и регулировать частоту. Возможность использования водорода в инфраструктуре природного газа зависит от строительных материалов сети, стандартов на стыки и давления хранения.
Оборудование, необходимое для хранения энергии водорода, включает электролизную установку, водородные компрессоры или ожижители и резервуары для хранения.
Биоводород - это исследуемый процесс получения водорода с использованием биомассы.
Микрокомбинированное производство тепла и электроэнергии (microCHP) может использовать водород в качестве топлива.
Некоторые атомные электростанции могут извлечь выгоду из симбиоза с производством водорода. Высокотемпературные (от 950 до 1000 ° C) ядерные реакторы поколения IV с газовым охлаждением обладают потенциалом для электролиза водорода из воды термохимическими методами с использованием ядерного тепла, как в серо-йодном цикле. Первые коммерческие реакторы ожидаются в 2030 году.
Пилотная программа на уровне общины с использованием ветряных турбин и генераторов водорода была начата в 2007 году в отдаленных районах Рамеа, Ньюфаундленд и Лабрадор. Аналогичный проект реализуется с 2004 года в Утсира, небольшом норвежском островном муниципалитете.
Подземное хранение водорода - это практика хранения водорода в пещерах, соляных куполах и истощенной нефти. и газовые месторождения. Imperial Chemical Industries (ICI) в течение многих лет без каких-либо проблем хранила большие количества газообразного водорода в пещерах. Европейский проект указал в 2013 году, что для хранения энергии ветра и солнца необходимы дополнительные 85 каверн, поскольку они не могут быть покрыты системами PHES и CAES.
Энергия на газ - это технология, которая преобразует электрическую энергию в газ топливо. Существует 2 метода, первый - использовать электричество для разделения воды и закачивать полученный водород в сеть природного газа. Второй менее эффективный метод используется для преобразования диоксида углерода и воды в метан (см. природный газ ) с использованием электролиза и Реакция Сабатье. Избыточная мощность или внепиковая мощность, генерируемая ветряными генераторами или солнечными батареями, затем используется для балансировки нагрузки в энергосистеме. Используя существующую систему природного газа для производства водорода, производитель топливных элементов Hydrogenics и дистрибьютор природного газа Enbridge объединились для разработки такой газовой системы в Канаде.
Трубопроводное хранилище водорода, где сеть природного газа используется для хранения водорода. До перехода на природный газ газовые сети Германии работали на газе, который большей частью состоял из водорода. Емкость газовой сети Германии составляет более 200 000 ГВт · ч, чего хватает на несколько месяцев потребности в энергии. Для сравнения, мощность всех немецких гидроаккумулирующих электростанций составляет всего около 40 ГВт · ч. Транспортировка энергии по газовой сети осуществляется с гораздо меньшими потерями (<0.1%) than in a power network (8%). The use of the existing трубопроводы природного газа для водорода были изучены NaturalHy
Концепция превращения в аммиака предлагает путь безуглеродного хранения энергии с разнообразной палитрой приложений. Иногда, когда есть избыток низкоуглеродной энергии, ее можно использовать для производства аммиака топливо. Аммиак может быть произведен путем расщепления воды на водород и кислород с помощью электричества, затем высокая температура и давление используются для объединения азота из воздуха с водородом, в результате чего образуется аммиак. В качестве жидкости он похож на пропан, в отличие от одного водорода, который трудно хранить в виде газа под давлением или криогенно сжижать и хранить при -253 ° C.
Как и природный газ, хранящийся аммиак можно использовать в качестве теплового топлива для транспорта и выработки электроэнергии или использовать в топливный элемент. Стандартный бак жидкого аммиака объемом 60 000 м3 содержит около 211 ГВтч энергии, эквивалентно ежегодному производству примерно 30 ветряных турбин. Аммиак можно сжигать чисто: выделяются вода и азот, но нет CO 2 и мало или совсем нет оксидов азота. Аммиак имеет множество применений помимо того, что он является энергоносителем, он является основой для производства многих химикатов, наиболее распространенным применением является удобрение. Учитывая эту гибкость использования и учитывая, что инфраструктура для безопасной транспортировки, распределения и использования аммиака уже существует, это делает аммиак хорошим кандидатом на роль крупномасштабного неуглеродного энергоносителя будущего.
Мингтаньская гидроаккумулирующая гидроэлектростанция плотина в Наньтоу, Тайвань В 2008 году мировые гидроаккумулирующие генераторы мощность была 104 ГВт, в то время как другие источники заявляют о 127 ГВт, что составляет подавляющее большинство всех типов сетевых аккумуляторов электроэнергии - все остальные типы вместе взятые составляют несколько сотен МВт.
Во многих местах гидроаккумулирующая гидроэлектроэнергия используется для выравнивания суточной генерирующей нагрузки путем закачки воды в высокий водохранилище в непиковые часы и в выходные дни, используя избыточную мощность базовой нагрузки от угольных или ядерных источников. В часы пик эта вода может использоваться для выработки гидроэлектроэнергии, часто в качестве высокоценного резерва быстрого реагирования для покрытия переходных пиков спроса. Насосные аккумуляторы восстанавливают от 70% до 85% потребляемой энергии и в настоящее время являются наиболее экономически эффективной формой массового накопления энергии. The chief problem with pumped storage is that it usually requires two nearby reservoirs at considerably different heights, and often requires considerable capital expenditure.
Pumped water systems have high возможность диспетчеризации, то есть они могут подключаться очень быстро, обычно в течение 15 секунд, что делает эти системы очень эффективными при поглощении изменчивости спроса на электроэнергию со стороны потребителей. В мире действует более 90 ГВт гидроаккумулирующих систем, что составляет около 3% мгновенной глобальной генерирующей мощности. Системы хранения с насосом воды, такие как система хранения Dinorwig в Великобритании, выдерживают пять или шесть часов генерирующей мощности и используются для сглаживания колебаний спроса.
Другой пример - 1836 МВт Тяньхуанпинская гидроаккумулирующая гидроэлектростанция в Китае, емкость резервуара которой составляет восемь миллионов кубических метров (2,1 миллиарда галлонов США или объем воды более Ниагарский водопад за 25 минут) с вертикальным расстоянием 600 м (1970 футов). Резервуар может обеспечить около 13 ГВт · ч накопленной гравитационной потенциальной энергии (преобразуемой в электричество при КПД около 80%), или около 2% ежедневного потребления электроэнергии в Китае.
Новая концепция гидроаккумулирует энергия ветра или солнечная энергия для перекачивания воды. Ветровые турбины или солнечные элементы, которые непосредственно приводят в действие водяные насосы для накопления энергии ветра или солнца плотиной, могут сделать этот процесс более эффективным, но их возможности ограничены. Такие системы могут увеличивать кинетический объем воды только в ветреные и дневные периоды.
Плотина гидроэлектростанции Фецуй в Нью-Тайбэй, Тайвань.Плотины гидроэлектростанций с большими водохранилищами также могут использоваться для обеспечения пиковой выработки в периоды пиковый спрос. Вода хранится в резервуаре в периоды низкой потребности и выпускается через установку, когда потребность выше. Чистый эффект такой же, как и при перекачке, но без потерь при перекачке. В зависимости от емкости резервуара установка может обеспечивать ежедневную, еженедельную или сезонную нагрузку.
Многие существующие плотины гидроэлектростанций довольно старые (например, плотина Гувера была построена в 1930-х годах), а их первоначальная конструкция на десятилетия предшествовала появлению более новых источников прерывистой энергии, таких как ветер и солнце.. Плотина гидроэлектростанции, изначально построенная для обеспечения базовой мощностью, будет иметь генераторы, размеры которых соответствуют среднему потоку воды в водохранилище. Обновление такой плотины с помощью дополнительных генераторов увеличивает ее пиковую выходную мощность, тем самым увеличивая ее способность работать как виртуальный сетевой накопитель энергии. Бюро мелиорации США сообщает об инвестиционных затратах в размере 69 долларов США на киловатт мощности для модернизации существующей плотины по сравнению с более чем 400 долларов США на киловатт для пиковых генераторов, работающих на жидком топливе. Хотя плотина гидроэлектростанции с завышенной мощностью не накапливает напрямую избыточную энергию от других энергоблоков, она ведет себя эквивалентно, накапливая собственное топливо - поступающую речную воду - в периоды высокой выработки от других энергоблоков. Функционируя таким образом как виртуальный сетевой накопитель, повышенная плотина является одной из наиболее эффективных форм накопления энергии, поскольку она не имеет насосных потерь для заполнения своего резервуара, а только увеличивает потери на испарение и утечку.
Плотина, которая наполняет большой водохранилище, может накапливать и выделять соответственно большое количество энергии, контролируя сток реки и поднимая или опуская уровень своего водохранилища на несколько метров. Ограничения действительно применяются к эксплуатации плотин, их попуски обычно регулируются государством регулируемыми правами на воду для ограничения воздействия на реки вниз по течению. Например, есть ситуации с энергосистемой, когда тепловые станции с базовой нагрузкой, атомные или ветряные турбины уже вырабатывают избыточную мощность в ночное время, плотины по-прежнему должны выпускать достаточно воды для поддержания адекватного уровня реки, независимо от того, производится электричество или нет. И наоборот, есть предел пиковой мощности, которая, если она будет чрезмерной, может вызвать наводнение реки на несколько часов каждый день.
Сверхпроводящие магнитные накопители энергии (SMES) хранят энергию в магнитное поле, создаваемое потоком постоянного тока в сверхпроводящей катушка, которая была криогенно охлаждена до температуры ниже ее сверхпроводящей критической температуры. Типичная система SMES состоит из трех частей: сверхпроводящей катушки, системы кондиционирования энергии и холодильника с криогенным охлаждением. Как только сверхпроводящая катушка заряжена, ток не затухает, и магнитная энергия может храниться бесконечно. Накопленная энергия может быть возвращена в сеть путем разряда катушки. Система согласования мощности использует инвертор / выпрямитель для преобразования мощности переменного тока (AC) в постоянный ток или преобразование постоянного тока обратно в мощность переменного тока. Инвертор / выпрямитель дает около 2–3% потерь энергии в каждом направлении. SMES теряет наименьшее количество электроэнергии в процессе накопления энергии по сравнению с другими методами накопления энергии. Системы СМЭС высокой эффективной эффективностью; КПД в оба конца 95%. Высокая стоимость метода накопления энергии.
Из-за требований к энергии охлаждение и ограничения на общую энергию, которая может быть сохранена, SMES в настоящее время используется для кратковременного хранения. Поэтому СМИ чаще всего посвящены улучшению качества электроэнергии. Если бы СМЭС использовалось для коммунальных предприятий, это было бы дневное запоминающее устройство, заряжаемое от нагрузки ночью и отвечающее пиковой нагрузке днем.
Технические проблемы сверхпроводящего магнитного накопителя энергии еще предстоит решить, чтобы он стал практическим.
В Дании прямое хранение воспринимается как слишком дорогое для очень крупномасштабного использования, хотя в степени используются норвежские гидроэнергетические установки. Вместо использования этого резервуара для хранения горячей воды, подключенных к схемам централизованного теплоснабжения, которые нагреваются электродными котлами или тепловыми насосами, рассматриваются как предпочтительный подход. Затем накопленное тепло передается в жилище по трубам централизованного теплоснабжения.
Расплавленная соль используется для хранения тепла, собираемого солнечной электростанцией, чтобы его можно было использовать для выработки электроэнергии в плохую погоду или ночью.
Отопление и обогрев зданий Системы охлаждения можно установить для хранения тепловой энергии либо в массе здания, либо в специальных резервуарах для хранения тепла. Этот накопитель тепла может обеспечивать переключение нагрузки или даже более сложные вспомогательные услуги за счет увеличения энергопотребления (зарядка накопителя) в непиковые периоды и снижения энергопотребления (разрядка накопителя) в периоды пиковой нагрузки по более высокой цене. Например, внепиковое электричество можно использовать для изготовления льда из воды, а лед можно хранить. Накопленный лед можно использовать для охлаждения воздуха в большом здании, где обычно использовался электрический ток переменного тока, тем самым смещенная электрическая нагрузка в непиковые часы. В других системах лед используется для охлаждения всасываемого воздуха газовой турбины генератора, тем самым увеличивая пиковую генерирующую мощность и пиковую эффективность.
A Накопительное теплоаккумулирующее устройство В системе используется один и тот же охлаждающий насос между двумя резервуарами-накопителями. Британская инжиниринговая компания Isentropic, разрабатывающая эту систему, заявляет, что потенциальный КПД от подачи электричества к выходу электроэнергии составляет 72–80%.
Альтернативы включают накопление энергии путем перемещения больших твердых масс вверх против силы тяжести. Это может быть достигнуто внутри старых шахтных стволов или в специально построенных башнях, где тяжелые грузы поднимаются лебедкой для хранения энергии и позволяет контролируемому спуску высвобождать ее. В накопителе энергии на железнодорожном транспорте железнодорожные вагоны, несущие большой весному транспорту, перемещаются вверх или вниз по наклонному рельсовому пути, в результате накапливая или высвобождая энергию; При хранении потенциальной энергии в вышедших из употребления нефтяных скважин веса или опускаются в глубокой выведенной из эксплуатации нефтяной скважине.
нормированная стоимость хранения электроэнергии сильно зависит от типа и цели хранения; в качестве субсекундного регулирования частоты, пиковых электростанций в масштабе минут / часов или сезонного хранения в дневном / недельном масштабе.
Использование аккумуляторов стоит 120-170 долларов за кВтч.
Вообще говоря, хранение энергии является экономичным, когда предельная стоимость изменяется больше, чем затраты на хранение и извлечение энергии плюс цена энергии, потерянной в процессе. Например, предположим, что гидроаккумулирующий резервуар может перекачивать в свой верхний резервуар объем воды, способный выполнить 1200 МВт · ч после учета всех потерь (испарение и просачивание в резервуар, потери эффективности и т. д.). Если предельные затраты на электроэнергию во внепиковые периоды составляют 15 долларов США за МВт · ч, водохранилище работает с КПД 75% (т. Е. Потребление 1600 МВт · час и извлекается 1200 МВт · час энергии), тогда общие затраты заполнения резервуара составляют 24000 долларов США. Если накопленная энергия будет продана на следующий день в часы по средней цене 40 долларов за МВт · ч, то выручка из резервуара составит 48 000 в день, что даст валовую прибыль в размере 24 000 долларов.
Однако предельные затраты на электроэнергию различаются из-за различных эксплуатационных затрат на топливо для разных классов генераторов. С одной стороны, электростанции с нагрузкой, такие как угольные электростанции и атомные электростанции, являются генераторами с низкими маржинальными затратами, поскольку у них большой капитал и большой объем техническое обслуживание. затраты но низкие затраты на топливо. С другой стороны, пиковые электростанции, такие как газотурбинные газовые установки, сжигают дорогое топливо, но их дешевле строить, эксплуатировать и обслуживать. Чтобы свести к минимуму общие эксплуатационные расходы на выработку электроэнергии, генераторы нагрузки чаще всего отправляются как правило, при пиках потребления энергии. Это называется «экономическая диспетчеризация».
Спрос на электричество из различных мировых сетей меняется в течение дня и от сезона к сезону. Для большей части потребления на электроэнергию удовлетворяется изменением количества электроэнергии, подаваемой из первичных источников. Однако все чаще операторы накапливают более дешевую энергию, произведенную в ночное время, а затем отправляют ее в сеть в пиковые периоды дня, когда она более ценная. В районах, где существуют плотины гидроэлектростанций, сброс может быть отложен до тех пор, пока спрос не возрастет; эта форма хранения является распространенной и может использовать устройство резервуары. Это не хранение «избыточной» энергии, произведенной где-либо еще, но чистый эффект такой же, хотя и без потерь эффективности. Возобновляемые источники энергии с переменным производством, такие как ветер и солнечная энергия, имеют тенденцию увеличивать чистое изменение электрической нагрузки, увеличивая возможности для хранения энергии в сети.
Может быть более экономичным будет альтернативный рынок неиспользованной электроэнергии, чем пытаться хранить ее. Постоянный ток высокого напряжения передать электроэнергию с потерей всего 3% на 1000 км.
Международная база данных по хранению энергии Министерства энергетики США предлагает бесплатный список проектов по хранению энергии в многих из демонстрирующих источников и источников финансирования.
спрос на электроэнергию со стороны потребителей и промышленности постоянно меняется в основном в пределах следующих категорий:
да работы с изменяющимся спросом:
Проблема с резервными газовыми турбинами - более высокая стоимость, дорогое генерирующее оборудование большую часть времени не используется. Вращения также имеет свою цену: заводы, работающие ниже максимальной производительности, обычно менее эффективны. Накопление энергии в сети используется для переключения генерации с периодов пиковой нагрузки на часы непиковой нагрузки. Электростанции могут работать с максимальной эффективностью ночью и в выходные дни.
Стратегии выравнивания спроса и предложения предназначены для снижения стоимости поставки пиковой мощности или для компенсации периодической генерации ветровой и солнечной энергии.
Чтобы обеспечить бесперебойность поставок и дело с изменяемыми электрическими нагрузками, необходимо уменьшить разницу между производством и спросом. Если это делается путем изменения нагрузки, это называется управлением на стороне спроса (DSM). На протяжении десятилетий пользователи получают большую потребляемую мощность по более низким ценам, чтобы побудить этих пользователей переключить свои нагрузки на непиковые часы, так же, как телефонные достижения с отдельными клиентами. Обычно эти зависящие от времени цены оговариваются заранее. Пытаясь сэкономить больше денег, некоторые коммунальные предприятия экспериментируют с продажей электроэнергии по поминутной спотовой цене, что позволяет использовать имеющее оборудование для мониторинга, обнаруживать пики спроса по мере их возникновения и спрос для экономии как пользователя, так и коммунальные платежи. Управление спросом может быть ручным или автоматическим и не ограничивается крупными промышленными заказчиками. Например, в жилых домах и малых предприятиях модули управления бытовой техникой могут снизить потребление энергии водонагревателями, кондиционерами, холодильниками и другими устройствами в эти периоды, отключив их на некоторая часть времени пикового или за счет уменьшения потребляемой мощности. Управление спросом на общее включает в себя больше, чем сокращение энергопотребления или переносок на непиковые часы. Особенно эффективный метод управления спросом на включение потребителей электроэнергии к установке более энергоэффективного оборудования. Например, многие коммунальные предприятия предоставляют скидки при покупке изоляционного материала, герметизирующего материала, а также приборов и электрических ламп, которые являются энергоэффективными. Некоторые коммунальные предприятия субсидируют покупку геотермальных тепловых насосов своими клиентами, чтобы снизить потребность в электроэнергии в летние месяцы за счет повышения эффективности кондиционирования воздуха до 70%, а также для снижения спроса на электроэнергию зимой по сравнению с обычными воздушными тепловыми насосы или резистивный нагрев. Компании с заводами и большими зданиями также могут устанавливать такие энергоэффективное промышленное оборудование, как котлы, или использовать более эффективные процессы для производства продуктов. Компании могут получать такие стимулы, как скидки или ссуды под низкие проценты от коммунальных предприятий или правительство за установку энергоэффективного промышленного оборудования. Объекты могут изменить свой спрос, привлекая третью сторону для предоставления хранения энергии в услугах (ESaaS).
Это область наибольшего успеха для современных технологий хранения энергии. Одноразовые и перезаряжаемые батареи распространены повсеместно и устройства с такими же разнообразными требованиями, как цифровые часы и автомобили. Прогресс в технологии аккумуляторов, как правило, был медленным, и большая часть увеличения срока службы аккумуляторов, использованных потребителей, используя эффективное управление питанием. Портативная бытовая электроника значительно выиграла от уменьшения размера и мощности, связанного с законом Мура. К сожалению, закон Мура не применяется к перевозке людей и грузов; основные потребности в энергии для транспорта остаются намного выше, чем для информационных и развлекательных приложений. Емкость внутреннего аккумуляторов стала проблемой, поскольку растет потребность в сгораниях двигателям сгорания в автомобилях, грузовиках, автобусах, поездах, кораблях иах. Эти применения требуют гораздо большей плотности энергии (количества энергии, хранящейся в заданном объеме или весе), чем может обеспечить современная технология аккумуляторов. Жидкое углеводородное топливо (например, бензин / бензин и дизельное топливо ), а также спирты (метанол, этанол и бутанол ) и липиды (прямое растительное масло, биодизель ) имеют гораздо более высокую плотность энергии.
Существуют синтетические способы использования электричества для преобразования двуокиси углерода и воды в жидкое углеводородное или спиртовое топливо. Эти пути начинаются с электролиза воды с образованием водорода, а затем восстановления диоксида углерода избыточным водородом в вариантах обратной реакции конверсии водяного газа. Неископаемые источники диоксида углерода включают ферментационные заводы и очистные заводы. Преобразование электрической энергии в жидкое топливо на основе углерода имеет потенциал для создания портативных аккумуляторов энергии, которые можно использовать в большом существующем парке автомобилей и другого оборудования с приводом от двигателя, без трудностей, связанных с водородом или другим экзотическим энергоносителем. Эти синтетические пути могут привлечь внимание в связи с попытками улучшить энергетическую безопасность в странах, которые полагаются на импортируемую нефть, но имеют или могут развивать крупные источники возобновляемой или ядерной электроэнергии, а также иметь дело с возможным будущим уменьшается количество нефти, доступной для импорта.
Поскольку транспортный сектор очень неэффективно использует энергию из нефти, замена нефти электричеством для мобильной энергетики не потребует очень больших инвестиций в течение многих лет.
Практически все на устройства, работающие от электричества, может негативно повлиять резкое отключение источника питания. Доступны такие решения, как ИБП (источники бесперебойного питания ) или резервные генераторы, но они дороги. Эффективные методы накопления энергии позволят устройствам иметь встроенную резервную копию на случай отключения электроэнергии, а также уменьшить влияние сбоя на электростанции. Примеры этого в настоящее время доступны с использованием топливных элементов и маховиков.
Энергетический портал 