Современные устройства накопления энергии, самые распространенные типы накопителей энергии

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:

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:

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.

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:

Высокотемпературный сверхпроводящий магнитный накопитель энергии (SMES) для электросетей:

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

Альтернативные способы хранения энергии: от энергии воды, до инерционного аккумулятора

Мы так привыкли к аккумуляторам и батарейкам, что уже не представляем как еще можно запасаться энергией. Но, на самом деле, есть много интересных способов. Зачем вообще думать о других способах, если аккумулятор в вашем телефоне отлично справляется с задачами? Затем, что современные батареи и аккумуляторы не идеальны. Во-первых, их производство не экологично, во-вторых, емкость имеет предел, в третьих, для их производства используются редкоземельные металлы запасы которых не безграничны. А зачем что-то хранить, если можно просто взять и использовать, электричество ведь не портится? Благодаря нерегулярности использования электроэнергии людьми (день и ночь, например) лишнюю энергию нужно где-то запасать, пока она не понадобится снова. Так что проблема аккумулирования энергии не надумана. Энергия — это мера для форм движения и взаимодействия. В обычной батарейке, мы запасаем химическую энергии, которая при необходимости превращается в электрическую. Но есть и другие, альтернативные методы хранения энергии. Можно вообще обойтись без химии, ведь старая-добрая механика все еще работает.

Самая большая ГАЭС в мире

Альтернативные способы хранения энергии

Энергия воды

Наверное, древнейший способ известный человечеству. Потенциальная энергия воды запасается при помощи простого перегораживания русла и создания водохранилища (или любого другого накопления воды, включая вариант с водонапорной башней).

Когда нужно, открывается шлюз и потенциальная энергия превращается в кинетическую.

Крупнейшая гидроаккумулирующая станция в мире называется Bath County и расположена в США. Ее установленная мощность 3000 Мегаватт.

Кстати! Еще более древний способ — это использование упругости ветки. Согнутая ветка с веревкой превращается в лук — самое древнее оружие использующее не только физическую силу человека.

Ничто не мешает использовать в качестве накопителя любую другую массу, не обязательно воду. Можно понять на высоту любой груз, а когда понадобится — отпустить. Это гравитационный аккумулятор. И он был построен пока что в виде прототипа. Компания Advanced Rail Energy Storage построила систему потенциально подсобную хранить от 0,2 до 3 Гигаватт часов энергии.

Устройство состоит из железнодорожных вагонеток с грузом, которые могут подниматься и опускаться по наклонной траектории. Электродвигатель поднимает груз вверх, а когда он движется вниз, переключается в режим генератора. Достоинством этой идеи является то, что вода системе не нужна и построить такую установку можно где угодно.

Пневматический аккумулятор

Хранить энергию можно и в виде сжатого воздуха. Пневматический аккумулятор устроен просто. Сжатый под давлением газ, отличный способ запасти энергию, а чтобы он произвел полезную работу, достаточно открыть клапан и направить поток на турбину.

Единственным но существенным минусом, является то, что часть энергии неминуемо будет потрачена на нагрев самого газа при его сжатии, а при расширении температура будет падать вплоть до замерзания элементов системы. Производители заявляют, что КПД таких установок может достигать 50-70%.

Британская компания Energetix Group в 2009 установила две системы под названием Pnu Power способные в течение 10 часов “выдавать“ нужную мощность в электросеть. Правда, пока ни к каким особенным революционным изменениям в энергетике это не привело.

Аккумуляторы Pnu Power

Видимо сказывается низкая энергоемкость воздуха по сравнению с углеводородным топливом (плотность энергии).

Существует множество проектов, предлагающих аккумулировать энергию с помощью сжатого воздуха. Например, можно закачать воздух в пустующие шахты или в эластичные резервуары глубоко под водой (в таком случае давление воды будет работать “на систему”). Можно охладить воздух до жидкого состояния и хранить его в таком виде под землей. Идей множество.

Сжатый воздух можно использовать и в транспортной сфере. Например, такие автопроизводители как Peugeot, Citroën, Tata уже продемонстрировали концепт кары движущиеся за счет сжатого воздуха. Такие воздухомобили предлагаются как “в чистом виде” так и в виде гибридных систем.

Гибрид Citroen Cactus Airflow будет расходовать всего 2 литра топлива на 100 км

Инерционный аккумулятор

Еще один интересный способ аккумулирования энергии. Идея состоит в том, чтобы раскрутить маховик в виде колеса, а когда энергия понадобится отбирать ее преобразовывая кинетическую энергия вращения в электрическую или, на худой конец, в такую же кинетическую. Конечно, чтобы сократить потери на трение, такие маховики должны быть подвешены в магнитном поле и, по возможности, в вакууме.

И это не просто идея. На ее воплощение можно взглянуть “в металле”. Инерционные аккумуляторы только кажутся простыми устрйосвами.

Например, компания Beacon Power сообщает, что уже построила 3 коммерческие “регулирующие электростанции”, которые в общей сложности насчитывают более 400 колес.

Непросто, зато на 100% экологично. Да и КПД такого устройства достигает 98%.

В 2011 году компания Cisco открыла в штате Техас дата центр в котором в качестве источников бесперебойного питания используются маховики.

Инерционный транспорт

В 50-60-е годы существовал еще один интересный проект — гиробус. Это электрический автобус в котором вместо аккумулятора используется именно колесо-маховик. Такие “безрогие троллейбусы” некоторое время ездили в Швейцарии, Бельгии и Конго.

Но на существовавшем в то время техническом уровне концепция себя не оправдала. Гиробус был тяжелым из-за маховика (весом в три тонны), подшипники такого “колеса” очень быстро изнашивались. К тому же раскрученный маховик, это гироскоп, который как всем известно “пытается” сохранить стабильное положение относительно оси вращения, что затрудняет маневрирование и управление. В итоге, гиробусы можно встретить только в музее.

Хотя нет, есть еще одно место на Земле, это трасса гонки Le mans 24, гибридный автомобиль Audi R18 e-tron использует маховик для аккумулирования энергии, вместо привычных химических батарей.

Гибрид Audi R18 E-tron. Внутри у него супермаховик вместо химического аккумулятора

Почему же все эти интересные идеи до сих пор не реализованы? Есть такой интересный показатель, который называется плотность энергии, он показывает, какое количество энергии можно хранить в определенном объеме или массе. Все значения ниже Вт*час/кг (Ватт-часов в 1 килограмме массы):

• Сжатый воздух — 11-28
• Литий-ионный аккумулятор — 100–243
• Супермаховик — 300-500
• Уголь — 6 700–9700
• Дизельное топливо — 12 666
• Бензин — 12 888
• Водород (газообразный) — 39 405
• Уран 238 — 1 539 842 000

Как видно из списка, наши традиционные ископаемые виды энергии просто более плотно ею набиты, чем инновационные. Привычные литий-ионные аккумуляторы , чтобы обеспечить то же количество энергии, что и бензин, должны быть более чем в 100 раз тяжелее. Ну а ядерное топливо, по этому показателю, вообще вне конкуренции. Скорее всего, это основная причина низкого интереса к таким системам в современной энергетике. Но это только пока.

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Источник