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 накопления электроэнергии

По материалам статьи Д. Шапошникова и А. Батракова «Как технологии накопления энергии изменят мир» РБК № 8 (2505), 19.01.2017 и по материалам из интернета о сверхпроводящих накопителях.

Хранение электроэнергии — одна из 12 прорывных технологий, которые существенным образом изменят глобальную экономику.

Проблема сохранения

Основное отличие электроэнергетики от других промышленных отраслей — невозможность хранения производимого ею товара в промышленных масштабах. В каждую единицу времени в этой отрасли должно производиться ровно столько электроэнергии, сколько нужно потребителям.

Режим работы любой энергосистемы определяется в первую очередь степенью нагрузки на нее со стороны потребителей. Ночью потребление электроэнергии значительно снижается по сравнению с дневным, а утром и вечером — превышает уровень среднего дневного потребления. Постоянные колебания нагрузки приводят к тому, что генерирующие мощности значительную часть времени работают в экономически неоптимальном режиме.

Чтобы обеспечить возможность компенсации пиковых нагрузок, необходимы или дорогие резервные генерирующие мощности, или сложные географически распределенные энергосистемы.

Существуют три традиционных типа электростанций: атомные (АЭС), тепловые (ТЭС), гидроэлектрические (ГЭС). В последние годы к ним прибавляются электростанции на возобновляемых источниках: ветряные, солнечные, термальные. АЭС по соображениям безопасности не регулируют свою нагрузку, ГЭС подходят для работы с неравномерным графиком нагрузки, но не во всех энергосистемах есть ГЭС достаточной мощности. Основная нагрузка по покрытию неравномерности суточного потребления ложится на ТЭС. Это приводит к их работе в неэкономичном режиме, увеличивает расход топлива, повышает стоимость электроэнергии.

Эффекты от накопления

1. Использование накопителей позволит оптимизировать график нагрузки на наиболее дорогое генерирующее оборудование, что приведет к сокращению расхода углеводородного топлива, увеличит надежность электроснабжения.
2. Накопители позволят создать энергетический резерв без избыточной работы генерирующих мощностей. Обеспечат спокойное прохождение ночного минимума и дневного максимума нагрузок.
3. Исключаются перебои в питании, создается резерв на случай аварий. Электроэнергия становится дешевле.
4. Появляется возможность накапливать излишки энергии от источников распределенной генерации и для индивидуальных резервов.

Существующие методы накопления

На сегодняшний день 99 % промышленного накопления и хранения электроэнергии обеспечивают гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). В ночные часы излишки энергии используются ГАЭС для перекачки воды в водохранилища, а в моменты потребности в электроэнергии ГАЭС используют накопленную воду для генерации. Однако, их строительство требует больших капитальных затрат и не везде возможно географически.

К тому же инерционность ГАЭС не позволяет сглаживать кратковременные пики нагрузки.

Используются также накопители на аккумуляторных батареях, например, на телефонных станциях в качестве резервных источников питания. Дизельные подводные лодки накапливают электроэнергию в аккумуляторах, а расходуют при движении под водой.

Следует также упомянуть емкостные накопители, но они обладают малой удельной емкостью.

Предельная накопленная энергия в конденсатных батареях не превышает 10 МДж. Накопители на суперконденсаторах получили распространение как источники питания для запуска мощных дизельных двигателей, но они способны накопить не более 0,6 МДж.

Накопление энергии может осуществляться не только в конденсаторах, но также и в катушках индуктивности. Эта накопленная энергия может быть использована для создания импульсов тока апериодической формы в генераторах импульсных токов. Всем известный пример индуктивного накопителя — катушка зажигания в автомобиле.

Будущее накопителей электроэнергии

Наиболее перспективным направлением следует признать создание сверхпроводящих индуктивных накопителей. Сверхпроводящие накопители энергии (СПИНЭ) запасают энергию в магнитном поле индукционной катушки, в которой ток циркулирует без потерь. Важнейшим преимуществом индуктивного накопителя является его быстродействие, достигающее единиц миллисекунд, что позволяет реагировать на самые внезапные аварии в энергосистеме.

В конструкции СПИНЭ можно условно выделить три основных конструктивных узла: собственно, магнитная система, криогенная система и система связи с внешней сетью, т.н. преобразователь-инвертор. Метод накопления электроэнергии с помощью СПИНЭ отличается экологической чистотой. Не используются вредные материалы, никаких химических реакций не происходит. Отходы производства отсутствуют.

Сверхпроводящие индуктивные накопители электромагнитной энергии представляют собой пример одного из уникальных технических использований явления сверхпроводимости. Это соленоиды, специально предназначенные для накопления и выдачи токов по требованию. Плотность энергии, запасенной в магнитном поле накопителя, на два порядка больше, чем в емкостном накопителе (конденсаторной батарее), а отдаваемые импульсные мощности могут достигать величин в десятки миллионов киловатт. Время вывода энергии из сверхпроводящего накопителя в зависимости от конструкции и запасенной энергии — от тысячных долей секунды до часов.

В настоящее время созданы сверхпроводящие индуктивные накопители на энергию 30 МДж. Обычно они отдают энергию в виде импульсов. Современные сверхпроводящие накопители имеют максимальный ток в импульсе 10000 А и напряжение 50 кВ, максимальную мощность 500 МВт при длительности импульса 5 мс.

Источник