3 типа технологий хранения электрической энергии

Технологии хранения энергии — это технологии, позволяющие хранить энергию с помощью устройств или физических носителей для последующего использования в случае необходимости. Технологии хранения энергии можно классифицировать в зависимости от среды хранения, их можно разделить на механические накопители энергии, электрические накопители энергии, электрохимические накопители энергии, тепловые накопители энергии и химические накопители энергии.

Данная статья посвящена трем основным технологиям хранения электрической энергии. Это насосные накопители энергии, накопители энергии сжатого воздуха и электрохимические накопители энергии.

1. Насосное хранилище

В настоящее время это самая распространенная технология хранения энергии в крупных масштабах.

(1) Основной принцип

Насосы и турбины устанавливаются между двумя резервуарами, расположенными на разной высоте. В периоды низких энергетических нагрузок для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний используются насосы с электроприводом. При пиковых нагрузках вода спускается из высоких водохранилищ для выработки электроэнергии с помощью турбогенераторов.

(2) Характеристики

• Он относится к крупномасштабным, централизованным накопителям энергии, и его технология уже достаточно развита, что позволяет использовать его для управления энергией и пиковой нагрузки на электросети.

• Эффективность обычно составляет около 65%~75% и может достигать 80%~85%.

• Быстрая реакция на нагрузку (изменение нагрузки на 10% занимает 10 секунд), от полной остановки до полной генерации нагрузки примерно за 5 минут, от полной остановки до полной накачки нагрузки примерно за 1 минуту.

• Имеет возможность ежедневного регулирования, подходит для сотрудничества с атомными электростанциями, крупномасштабной ветровой генерацией, сверхкрупномасштабной солнечной фотоэлектрической генерацией.

(3) Недостатки

• Нужны верхний и нижний бассейны.

• Выбор места для завода зависит от географических условий, что имеет определенные трудности и ограничения.

• При определенном удалении от центра нагрузки требуется передача данных на большие расстояния.

(4) Применение

В настоящее время среднемировой показатель доли насосных хранилищ в общей установленной мощности страны составляет около 3%. По состоянию на конец 2019 года общая мощность накопителей энергии в мире составляла 184,6 ГВт, из них насосные накопители — 171,0 ГВт, что составляет 92,63 %.

2. Накопители энергии на основе сжатого воздуха

Сжатый воздух хранится в баллонах или подземных резервуарах для накопления потенциальной энергии сжатого воздуха. Когда возникает необходимость в электроэнергии, сжатый воздух подается на турбину, которая вырабатывает электричество.

(1) Основной принцип

Накопители энергии на сжатом воздухе, использующие воздух в качестве носителя энергии. Крупномасштабные накопители энергии на сжатом воздухе, использующие избыток электроэнергии, будут сжимать воздух и хранить его в подземных сооружениях (например, в подземных пещерах). При необходимости сжатый воздух смешивается с природным газом, сжигается и расширяется для работы газовой турбины.

В настоящее время существуют различные формы систем хранения энергии сжатого воздуха. Их можно разделить в зависимости от рабочей среды, среды хранения и источника тепла: обычные системы хранения энергии сжатого воздуха (требующие сжигания ископаемого топлива), системы хранения энергии сжатого воздуха с теплонакопителями и системы хранения энергии сжатия жидкого газа.

(2) Преимущества

Он имеет функцию смещения пиков и подходит для использования в крупных ветряных электростанциях. Ведь механическая работа, производимая энергией ветра, может напрямую приводить компрессор во вращение, уменьшая промежуточное преобразование в электричество, тем самым повышая эффективность.

(3) Недостатки

Требует большой каверны для хранения сжатого воздуха, тесно связан с географическими условиями и подходит для очень ограниченного числа мест.

Требует газовой турбины и определенного количества газа в качестве топлива, подходит для управления энергией, выравнивания нагрузки и снижения пиковой нагрузки.

В прошлом была разработана неадиабатическая технология хранения энергии в сжатом воздухе. Тепло, выделяемое при сжатии воздуха, не накапливается и рассеивается за счет охлаждения. Вместо этого сжатый воздух необходимо подогревать перед подачей в турбину. Поэтому эффективность всего процесса низкая, обычно ниже 50%.

(4) Значение электростанции с накопителем энергии на сжатом воздухе:

Воздух — лучший выбор для «энергетического мультимедиа». Глобальная тенденция заключается в активном развитии солнечной, ветровой, волновой и ядерной энергетики, однако спрос и предложение зачастую не синхронны и несбалансированы. Единственный «энергетический мультимедиа», способный преобразовывать, хранить и получать доступ ко всем формам энергии, — это «воздух». И это «лучший кандидат» на эту «роль».

Огромные экономические и социальные выгоды, рассчитанные на основе одной трети генерирующих мощностей, могут сэкономить четыре-пятьсот миллионов тонн угля в год. Это эквивалентно годовой производительности десятков средних и крупных угольных шахт. И из года в год экономические и социальные выгоды огромны, что позволяет экономить большое количество ресурсов и способствует устойчивому экономическому и социальному развитию.

3. Электрохимическое хранение

Электрохимические накопители в основном включают в себя различные вторичные батареи, свинцово-кислотные, литий-ионные, серно-натриевые и жидкотоковые аккумуляторы. Применение различных аккумуляторов (в основном литий-ионных) химического принципа хранения для накопления электрической энергии. При зарядке электрическая энергия преобразуется в химическую энергию аккумулятора, а при разрядке химическая энергия преобразуется в электрическую.

В которых более широко используются свинцово-кислотные и литиевые аккумуляторы.

3.1 Свинцово-кислотные аккумуляторы

(1) Основной принцип

Свинцово-кислотная батарея — одна из самых распространенных в мире. Свинцово-кислотные аккумуляторы с анодом (PbO2) и катодом (Pb), погруженными в электролит (разбавленную серную кислоту), между двумя полюсами будут создавать потенциал 2 В.

(2) Преимущества

• Технология очень развита, простая структура, низкая стоимость, простота обслуживания; -Срок службы может достигать 1000 раз.

• Срок службы до 1000 раз; — Эффективность до 80-90%.

• Эффективность до 80-90%, экономичность.

(3) Недостатки

• Снижение полезной емкости при глубоком, быстром и мощном разряде; — Снижение плотности энергии, уменьшение срока службы.

• Низкая плотность энергии, меньший срок службы.

• Металлический свинец оказывает более сильное воздействие на окружающую среду

(4) Применение

Свинцово-кислотные батареи часто используются в качестве аварийного или резервного источника питания для энергосистем, и в прошлом большинство автономных фотоэлектрических систем генерации электроэнергии были оснащены такими батареями. В настоящее время наблюдается тенденция к постепенному замещению их другими батареями (например, литий-ионными).

3.2 Литий-ионная батарея

(1) Основной принцип

Литий-ионный аккумулятор — это фактически батарея с концентрацией лития, положительный и отрицательный электроды которой состоят из двух различных соединений, содержащих ионы лития.

При зарядке Li+ из положительного электрода деэмульгируется через электролит, встроенный в отрицательный электрод, отрицательный электрод находится в богатом литием состоянии, положительный электрод — в бедном литием состоянии.

Разряд происходит наоборот, Li+ из отрицательного электрода удаляется, через электролит внедряется в положительный электрод, положительный электрод в богатом литием состоянии, отрицательный электрод в бедном литием состоянии.

(2) Преимущества

• Эффективность литий-ионных батарей может достигать более 95 %.

• Время разрядки может достигать нескольких часов.

• Циклирование до 5000 раз или более, быстрый отклик.

Литий-ионные аккумуляторы — это практичные батареи с самой высокой удельной энергией среди аккумуляторов. В качестве анода и катода могут использоваться самые разные материалы. Например: литий-кобальтатные литий-ионные батареи, литий-манганатные литий-ионные батареи, литий-железо-фосфатные литий-ионные батареи и так далее.

(3) Недостатки

• Цена на литий-ионные батареи по-прежнему высока.

• Иногда перезарядка может привести к перегреву, возгоранию и другим проблемам безопасности.

(4) Применение

Благодаря применению литий-ионных батарей в портативных и мобильных устройствах, таких как электромобили, компьютеры, сотовые телефоны и т.д.. Сейчас он стал едва ли не самым распространенным аккумулятором в мире.

Высокая плотность энергии и мощности литий-ионных аккумуляторов — главная причина, по которой они получили широкое применение и внимание. Технология его производства стремительно развивается, и в последние годы массовое производство и многоразовое применение привели к резкому снижению его цены, а значит, и к расширению его использования в энергосистемах.

Технология литий-ионных аккумуляторов все еще находится в стадии непрерывного развития, и текущие исследования направлены на дальнейшее увеличение срока службы и безопасности, снижение стоимости и разработку новых материалов для положительных и отрицательных электродов.

Кроме того, существуют маховичные накопители энергии, суперконденсаторные накопители энергии, сверхпроводящие накопители энергии и другие технологии, но масштабы их применения в настоящее время невелики. Все три вышеперечисленные технологии являются на сегодняшний день основными крупномасштабными технологиями хранения энергии. С развитием технологий разнообразные методы хранения энергии будут продолжать совершенствоваться и применяться.