3 Arten von Technologien zur Speicherung elektrischer Energie

Energiespeichertechnologien sind Technologien, die Energie durch Geräte oder physische Medien speichern, um sie später bei Bedarf zu nutzen. Energiespeichertechnologien können je nach Speichermedium in mechanische Energiespeicher, elektrische Energiespeicher, elektrochemische Energiespeicher, thermische Energiespeicher und chemische Energiespeicher eingeteilt werden.

Dieser Artikel befasst sich mit drei der wichtigsten Technologien zur Speicherung elektrischer Energie. Dabei handelt es sich um die Energiespeicherung mit Pumpen, die Energiespeicherung mit Druckluft und die elektrochemische Energiespeicherung.

1. Gepumpte Speicherung

Dies ist die derzeit am weitesten verbreitete Technologie zur Speicherung von Strom in großem Maßstab.

(1) Grundprinzip

Pumpen und Turbinen werden zwischen zwei unterschiedlich hoch gelegenen Reservoirs aufgestellt. In Zeiten geringer Stromlast werden elektrisch betriebene Pumpen eingesetzt, um Wasser aus dem niedrigeren Reservoir in das höhere Reservoir zu pumpen. Bei Spitzenbelastungen wird Wasser aus den höher gelegenen Reservoirs abgelassen, um über die Turbinen-Generator-Einheiten Strom zu erzeugen.

(2) Merkmale

• Er gehört zu den groß angelegten, zentralisierten Energiespeichern und die Technologie ist ziemlich ausgereift, so dass er für das Energiemanagement und die Spitzenlastversorgung des Stromnetzes eingesetzt werden kann.

• Der Wirkungsgrad liegt im Allgemeinen bei 65%~75% und kann bis zu 80%~85% erreichen.

• Schnelles Ansprechen auf die Last (10 % Lastwechsel in 10 Sekunden), von Vollstopp bis zur Erzeugung von Volllast in etwa 5 Minuten, von Vollstopp bis zum Abpumpen von Volllast in etwa 1 Minute.

• Er kann täglich reguliert werden und eignet sich für die Zusammenarbeit mit Kernkraftwerken, großen Windkraftanlagen und der ultragroßen photovoltaischen Stromerzeugung.

(3) Benachteiligungen

• Benötigt ein oberes und ein unteres Becken.

• Die Wahl des Standorts hängt von den geografischen Bedingungen ab, was gewisse Schwierigkeiten und Einschränkungen mit sich bringt.

• Es besteht eine gewisse Entfernung zum Lastzentrum, so dass eine Übertragung über große Entfernungen erforderlich ist.

(4) Anwendung

Derzeit liegt der Anteil der Pumpspeicherkraftwerke an der gesamten installierten Kapazität eines Landes im weltweiten Durchschnitt bei etwa 3%. Ende 2019 belief sich die Gesamtkapazität der Energiespeicher weltweit auf 184,6 GW, wovon 171,0 GW auf Pumpspeicher entfielen, was einem Anteil von 92,63 % entspricht.

2. Druckluftenergiespeicher

Die Druckluft wird in Zylindern oder unterirdischen Tanks gespeichert, um die potenzielle Energie der Druckluft zu speichern. Wenn Strom benötigt wird, wird die komprimierte Luft freigesetzt, um die Turbine zur Stromerzeugung anzutreiben.

(1) Grundprinzip

Druckluftspeicherung mit Luft als Energieträger. Bei der groß angelegten Druckluftspeicherung mit überschüssigem Strom wird die Luft komprimiert und in einer unterirdischen Struktur (z. B. in Höhlen) gespeichert. Bei Bedarf wird die komprimierte Luft dann mit Erdgas gemischt und verbrannt und expandiert, um eine Gasturbine anzutreiben.

Derzeit gibt es verschiedene Formen von Druckluftenergiespeichersystemen. Diese lassen sich nach dem Arbeitsmedium, dem Speichermedium und der Wärmequelle kategorisieren: herkömmliche Druckluftspeichersysteme (die die Verbrennung fossiler Brennstoffe erfordern), Druckluftspeichersysteme mit Wärmespeicher und Flüssiggas-Kompressionsspeichersysteme.

(2) Vorteile

Er verfügt über eine Spitzenverschiebungsfunktion und ist für den Einsatz in großen Windparks geeignet. Denn die mechanische Arbeit, die durch die Windenergie erzeugt wird, kann den Kompressor direkt in Rotation versetzen, wodurch die Zwischenumwandlung in Strom reduziert und somit die Effizienz verbessert wird.

(3) Benachteiligungen

Erfordert eine große Kaverne zur Speicherung der Druckluft, ist eng mit den geografischen Bedingungen verbunden und eignet sich nur für eine sehr begrenzte Anzahl von Standorten.

Benötigt eine Gasturbine und eine bestimmte Menge Gas als Brennstoff und eignet sich für Energiemanagement, Lastausgleich und Peak Shaving.

In der Vergangenheit wurde eine nicht-adiabatische Technologie zur Speicherung von Druckluftenergie entwickelt. Die beim Komprimieren der Luft freigesetzte Wärme wird nicht gespeichert, sondern durch Kühlung abgeführt. Stattdessen muss die komprimierte Luft wieder erwärmt werden, bevor sie in die Turbine gelangt. Der Wirkungsgrad des gesamten Prozesses ist daher gering und liegt in der Regel unter 50%.

(4) Die Bedeutung von Druckluftspeicherkraftwerken:

Luft ist die beste Wahl für „Energie-Multimedia“. Es ist ein globaler Trend, Solar-, Wind-, Wellen- und Kernenergie energisch zu entwickeln, aber Angebot und Nachfrage sind oft asynchron und unausgewogen. Die einzige „Energie-Multimedia“, die in der Lage ist, alle Formen von Energie umzuwandeln, zu speichern und abzurufen, ist „Luft“. Und sie ist der „beste Kandidat“ für diese „Rolle“.

Ein enormer wirtschaftlicher und sozialer Nutzen, berechnet auf der Grundlage eines Drittels der Stromerzeugungskapazität, kann vier- bis fünfhundert Millionen Tonnen Kohle pro Jahr einsparen. Dies entspricht der Jahresproduktion von Dutzenden von mittleren und großen Kohlebergwerken. Und Jahr für Jahr ist der wirtschaftliche und soziale Nutzen enorm, spart eine Menge Ressourcen und fördert eine nachhaltige wirtschaftliche und soziale Entwicklung.

3. Elektrochemische Speicherung

Zu den elektrochemischen Speichern gehören vor allem verschiedene Sekundärbatterien, Blei-Säure-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien, Natrium-Schwefel-Batterien und Flüssigstrom-Batterien. Anwendung verschiedener Batterien (hauptsächlich Lithium-Ionen-Batterien) chemisches Speicherprinzip zur Speicherung elektrischer Energie. Beim Aufladen wird die elektrische Energie in chemische Energie der Batterie umgewandelt, und beim Entladen wird die chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

In denen Blei-Säure-Batterien und Lithium-Batterien am häufigsten verwendet werden.

3.1 Blei-Säure-Batterien

(1) Grundprinzip

Die Blei-Säure-Batterie ist eine der am häufigsten verwendeten Batterien der Welt. Blei-Säure-Batterien mit einer Anode (PbO2) und einer Kathode (Pb), die in den Elektrolyten (verdünnte Schwefelsäure) eingetaucht sind, erzeugen zwischen den beiden Polen ein Potenzial von 2 V.

(2) Vorteile

• Die Technologie ist sehr ausgereift, einfach strukturiert, kostengünstig und wartungsfreundlich; – Die Lebensdauer kann bis zu 1000 Mal betragen.

• Zykluslebensdauer bis zu 1000 Mal; -Effizienz bis zu 80% bis 90%.

• Wirkungsgrad bis zu 80% bis 90%, kostengünstig.

(3) Benachteiligungen

• Verringerung der nutzbaren Kapazität bei tiefer, schneller und starker Entladung; -geringere Energiedichte, geringere Lebensdauer.

• Geringere Energiedichte, kürzere Lebensdauer.

• Bleimetall hat eine größere Auswirkung auf die Umwelt

(4) Anwendung

Blei-Säure-Batterien werden häufig als Not- oder Reservestrom für Stromsysteme verwendet. In der Vergangenheit waren die meisten autonomen Photovoltaik-Stromerzeugungsanlagen mit solchen Batterien ausgestattet. Derzeit gibt es einen Trend, sie allmählich durch andere Batterien (wie Lithium-Ionen-Batterien) zu ersetzen.

3.2 Lithium-Ionen-Akku

(1) Grundprinzip

Die Lithium-Ionen-Batterie ist eigentlich eine Batterie mit Lithium-Ionen-Konzentration. Die positiven und negativen Elektroden bestehen aus zwei verschiedenen, in Lithium-Ionen eingebetteten Verbindungen.

Beim Laden entweicht Li + aus der positiven Elektrode durch den in der negativen Elektrode eingebetteten Elektrolyten, die negative Elektrode ist im lithiumreichen Zustand, die positive Elektrode ist im lithiumarmen Zustand.

Die Entladung ist das Gegenteil, Li + von der negativen Elektrode wird durch den in der positiven Elektrode eingebetteten Elektrolyten entladen, die positive Elektrode in den lithiumreichen Zustand, die negative Elektrode in den lithiumarmen Zustand.

(2) Vorteile

• Der Wirkungsgrad von Lithium-Ionen-Akkus kann mehr als 95% erreichen.

• Die Entleerungszeit kann bis zu mehreren Stunden betragen.

• Bis zu 5000 Mal oder mehr, schnelle Reaktion.

Lithium-Ionen-Batterien sind praktische Batterien mit der höchsten spezifischen Energie unter den Batterien. Und es gibt eine Vielzahl von Materialien, die für ihre Anode und Kathode verwendet werden können. Zum Beispiel: Lithium-Kobaltat-Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Manganat-Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Eisenphosphat-Lithium-Ionen-Batterien und so weiter.

(3) Benachteiligungen

• Der Preis für Lithium-Ionen-Batterien ist immer noch hoch.

• Manchmal kann eine Überladung zu Hitze, Verbrennung und anderen Sicherheitsproblemen führen.

(4) Anwendung

Aufgrund der Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien in tragbaren und mobilen Geräten wie Elektroautos, Computern, Handys usw. Sie ist inzwischen fast die am meisten verwendete Batterie der Welt.

Die hohe Energie- und Leistungsdichte von Lithium-Ionen-Batterien ist der Hauptgrund dafür, dass sie eine breite Anwendung und Aufmerksamkeit finden konnten. Die Technologie entwickelt sich rasant weiter, und in den letzten Jahren haben die Massenproduktion und die Mehrfachverwendung zu einem starken Preisverfall und damit zu einer zunehmenden Verwendung in Energiesystemen geführt.

Die Lithium-Ionen-Akkutechnologie befindet sich noch immer in ständiger Entwicklung. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf die weitere Verbesserung der Lebensdauer und Sicherheit, die Kostensenkung und die Entwicklung neuer positiver und negativer Elektrodenmaterialien.

Darüber hinaus gibt es Schwungrad-Energiespeicher, Superkondensator-Energiespeicher, supraleitende Energiespeicher und andere Technologien, aber der derzeitige Anwendungsumfang ist gering. Die drei oben genannten Technologien sind derzeit die wichtigsten groß angelegten Stromspeichertechnologien. Mit der Entwicklung der Technologie wird sich eine Vielzahl von Energiespeichermethoden weiter verbessern und zur Anwendung kommen.