Esmu pavadījis pārāk daudz stundu, lasot baltās grāmatas un specifikācijasenerģijas uzkrāšana. Un lūk, ko es esmu sapratis: visa ainava ir nekārtīgāka un interesantāka, nekā šķiet, ka vairums rakstu.
Visi runā par baterijām. Patiesi,-tie tagad ir visur. Bet enerģijas uzkrāšana? Tā ir daudz lielāka saruna. Mēs runājam par visu, sākot no masīviem ūdens rezervuāriem, kas atrodas kalnu virsotnēs, līdz griežamiem metāla gabaliem vakuuma kamerās. Dažas no šīm tehnoloģijām ir bijušas kopš jūsu vecvecvecāku-bērniem. Citi galvenokārt pastāv laboratorijās un PowerPoint prezentācijās.
Ļaujiet man jums pastāstīt par to, kas tur patiesībā ir.
Vecais darba zirgs, par kuru neviens nerunā
Sūknēta hidrokrātuve. Izklausās garlaicīgi, vai ne? Divi rezervuāri dažādos augstumos, dažas turbīnas, ūdens plūst uz augšu un uz leju. Vienkārša fizika.
Bet šī ir lieta,{0}}šī "garlaicīgā" tehnoloģija apstrādā aptuveni 95% no visas tīkla{2}}mēroga enerģijas uzkrāšanas visā pasaulē. Deviņdesmit-pieci procenti. Kad cilvēki strīdas par akumulatoru ķīmiju un strīdas par litiju pret nātriju, sūknētā hidrosistēma vienkārši mierīgi veic savu darbu fonā.
Koncepcija ir gandrīz mulsinoši vienkārša. Kad elektrība ir lēta (parasti naktī vai kad spīd saule un griežas saules paneļi), jūs sūknējat ūdeni kalnup rezervuārā. Kad cenas pieaug vai pieprasījums strauji palielinās, jūs ļaujat ūdenim plūst atpakaļ pa turbīnām. Efektivitāte svārstās ap 70-85%, kas nav ideāls, taču atmiņas ietilpība ir milzīga. Mēs runājam par iekārtām, kas var uzglabāt gigavatstundas{7}}enerģiju. Ne megavatstundas{9}}. gigavatstundas. Mēģiniet to izdarīt ar litija jonu.
Protams, tur ir āķis. Jums ir nepieciešama ģeogrāfija. Jums ir nepieciešami divi rezervuāri. Jums ir nepieciešama pareiza augstuma starpība. Jūs nevarat tieši izveidot vienu no tiem Kanzasā. Vides atļaujas saņemšana vien prasa vairākus gadus. Un sākotnējās izmaksas? Astronomijas. Bet, tiklīdz tie ir uzbūvēti, šīs iekārtas darbojas 50, 60, dažreiz 80 gadus. Batas apgabala iestāde Virdžīnijā darbojas kopš 1985. gada un neuzrāda apstāšanās pazīmes.
Saspiests gaiss: pazemes pieeja
Saspiestā gaisa enerģijas uzglabāšana (CAES) ir sūknētā hidroenerģijas dīvainais brālēns. Tā vietā, lai pārvietotu ūdeni, jūs saspiežat gaisu pazemes dobumos-sāls kupolos, noplicinātos dabasgāzes laukos, ūdens nesējslāņos un jebkuros ģeoloģiskos veidojumos.
Sastrēgumu{0}}stundu laikā elektriskie kompresori iespiež gaisu šajās pazemes telpās ar tādu spiedienu, kas liek ausīm lēkāt, jau domājot par tiem. Kad jums ir nepieciešama jauda, saspiestais gaiss tiek atbrīvots, uzsilst (parasti ar dabasgāzi, kas ir ne-tik-zaļā daļa) un plūst cauri turbīnām.
Pašlaik darbojas tikai divas komerciālas CAES rūpnīcas. Divas. Viens Vācijā, kas darbojas kopš 1978. gada, un otrs Alabamā — no 1991. gada. Tehnoloģija nepārprotami darbojas. Taču ģeoloģiskās prasības ir stingras, un ekonomija daudzās vietās nav mainījusies. Tomēr pētnieki turpina strādāt pie uzlabotām versijām{6}}adiabātiskām sistēmām, kas uztver un atkārtoti izmanto saspiešanas radīto siltumu, tādējādi novēršot nepieciešamību pēc dabasgāzes. Pagaidām tie galvenokārt pastāv izmēģinājuma projektos.
Spararati: Pure Mechanical Beauty
Atzīšos,{0}}spararati ir mani mīļākie. Enerģijas uzglabāšanā kā rotācijas kustībā ir kaut kas elegants.
Spararata sistēma būtībā ir smags rotors, kas griežas vakuuma kamerā un ir piekārts ar magnētiskiem gultņiem, lai samazinātu berzi. Ja jums ir lieki elektrība, motori griež spararatu ātrāk. Kad jums ir nepieciešama atpakaļ jauda, šī rotējošā masa darbina ģeneratoru. Fizika ir tīra, intuitīva.
Spararati izceļas ar lietām, ko akumulatori ienīst: ātras uzlādes{0}}izlādes cikli, miljoniem ciklu visā to kalpošanas laikā, momentānais reakcijas laiks, ko mēra milisekundēs. Tie ir ideāli piemēroti frekvenču regulēšanai-tiem sīkajiem, pastāvīgajiem pielāgojumiem, kas režģim ir nepieciešami, lai tas būtu stabils tieši 60 Hz (vai 50 Hz atkarībā no jūsu dzīvesvietas).
Kas viņiem nav labi? Enerģijas uzkrāšana ilgu laiku. Pat ar labākajiem magnētiskajiem gultņiem un gandrīz-perfektiem putekļu sūcējiem spararati laika gaitā zaudē enerģiju berzes dēļ. Atstājiet vienu dienu sēdēt, un jūs esat zaudējis ievērojamu daļu savas uzkrātās enerģijas. Atstāj uz nedēļu un, labi, netraucē.
Tāpēc spararati ieņem noteiktu nišu: īss-ilgums, lielas-jaudas lietojumprogrammas. Datu centri tos izmanto kā tilta jaudu dažās sekundēs, kas nepieciešamas dīzeļa ģeneratoru iedarbināšanai. Dažas tranzīta sistēmas atgūst bremzēšanas enerģiju spararatos un dažu sekunžu laikā izlādē to atpakaļ uz trešo sliedi. NASA ir spēlējusi ar viņiem kosmosa kuģu vajadzībām.
Baterijas: kategorija, kas patiešām rūp visiem
Labi, parunāsim par baterijām. Elektroķīmiskās iespējas pēdējos gados ir eksplodētas, un godīgi sakot, tas kļūst mulsinoši.
Litija{0}}jonipamatota iemesla dēļ dominē sarunā. Augsts enerģijas blīvums nozīmē lielāku uzglabāšanu mazākā telpā. Pienācīgs cikla mūžs, īpaši ar jaunākām ķīmijas metodēm. Izmaksas ir samazinājušās-, piemēram, par 90% kopš 2010. gada. Jūsu tālrunis, klēpjdators, elektriskie transportlīdzekļi un arvien vairāk tīkla krātuve darbojas ar litija{7}}jonu variācijām.
Bet “litija{0}}joni” nav viena lieta. Tā ir ģimene. Litija dzelzs fosfāts (LFP) upurē zināmu enerģijas blīvumu, lai nodrošinātu labāku drošību un ilgāku kalpošanas laiku-bez kobalta, kas ir svarīgi gan ētiski, gan ekonomiski. Ķīnas ražotāji pilnībā{5}}ieņēma LFP, un tagad tas pārņem vadību. Tikmēr niķeļa-mangāna-kobaltā (NMC) ir vairāk enerģijas uz kilogramu, kas ir svarīgi, mēģinot nodrošināt elektromobilim pienācīgu darbības rādiusu.
Litija{0}}jona tumšā puse? Termiskā bēgšana. Šīs baterijas var iespaidīgi aizdegties, ja tās ir bojātas, pārlādētas vai vienkārši nepaveicas. Ražošana ir -energoietilpīga. Litija un kobalta piegādes ķēdēm ir sava ētiskā bagāža. Un, lai gan pārstrādes infrastruktūra uzlabojas, lielākā daļa izlietoto bateriju joprojām nonāk poligonos.
Plūsmas akumulatoriizmantot pavisam citu pieeju. Tā vietā, lai uzglabātu enerģiju cietos elektrodos, tie izmanto šķidros elektrolītus ārējās tvertnēs. Vai vēlaties vairāk enerģijas? Vienkārši iegūstiet lielākas tvertnes. Jauda un enerģija ir atdalītas, kas maina visu dizaina filozofiju.
Vanādija redoksplūsmas baterijas (VRFB) ir visnobriedušākā versija. Tie kalpo praktiski mūžīgi,{1}}runājam par 15 000 līdz 20 000 ciklu, varbūt vairāk. Nav degradācijas no dziļas izlādes. Elektrolīts nenolietojas; tas vienkārši slīd uz priekšu un atpakaļ cauri šūnu kaudzei. Pēc divdesmit-pieciem gadiem jūs varat iztukšot elektrolītu, nosūtīt to kaut kur citur un turpināt lietot.
Bet plūsmas akumulatori ir apjomīgi. Zems enerģijas blīvums nozīmē, ka tiem nav jēgas transportlīdzekļiem vai pārnēsājamām ierīcēm. Vanādijs arī nav lēts. Režģa-mēroga krātuvei, kur nospiedumam nav nozīmes, bet gan ilgmūžībai? Viņi kļūst arvien pievilcīgāki.
Svina{0}}skābeir oriģināls uzlādējams akumulators, kas būtībā nav mainīts kopš 1859. gada. Jūsu automašīna sākas ar vienu. Tie ir lēti, labi-izprotami un 98% pārstrādājami. Bet cikla ilgums ir viduvējs, enerģijas blīvums ir slikts, un tie ir smagi. Tīkla lietojumos tie lielā mērā ir aizstāti, taču tie joprojām dominē rezerves barošanas sistēmās, kur izmaksas ir svarīgākas par visu pārējo.
Nātrija{0}}jonsvai jaunpienācējam tiek pievērsta nopietna uzmanība. Nātrijs ir visur-burtiski jūras ūdenī-, tāpēc piegādes ķēdes problēmas būtībā izzūd. Ražošanas procesā var atkārtoti izmantot esošās litija{4}}jonu rūpnīcas iekārtas. Veiktspēja vēl nav litija{6}}jonu līmenī, taču tas ātri mazina atšķirību. CATL sāka masveida ražošanu 2023. gadā. Piecu gadu laikā nātrija -joni varētu ieņemt nopietnu tirgus daļu stacionārajā glabāšanā.
Man vajadzētu pieminētniķelis{0}}kadmijs(joprojām izmanto dažos rūpnieciskos lietojumos, lai gan kadmijs ir toksisks un ES to ir ierobežojusi),niķeļa -metāla hidrīds(atcerieties Priusu, pirms tas kļuva par litiju?), unnātrija -sērs(augstas-temperatūras sistēmas, kuras Japānas uzņēmumi 2000. gados uzspieda spēcīgi). Bet šobrīd es uzskaitu lietas, lai tās uzskaitītu. Praktiskā realitāte ir tāda, ka litija-jonu un plūsmas akumulatori ir vieta, kur darbība notiek, un nātrija{5}}joni parādās strauji.
Termiskā uzglabāšana: siltums kā akumulators
Šeit ir kategorija, kurai netiek pievērsta pietiekama uzmanība: enerģijas uzglabāšana siltuma (vai aukstuma) veidā.
Izkausētā sāls uzglabāšanair tas, kā koncentrētas saules elektrostacijas strādā naktī. Spoguļi fokusē saules gaismu uz torni, sasildot izkausēto sāli līdz 500–600 grādiem. Šis sāls tiek uzglabāts izolētās tvertnēs, un, kad jums ir nepieciešama elektrība, jūs to izmantojat tvaika ražošanai un turbīnas darbināšanai. Gemasolar rūpnīca Spānijā var ražot enerģiju 15 stundas pēc saulrieta. Crescent Dunes Nevadā saglabā pietiekami daudz siltuma 10 stundu radīšanai.
Izkausētā sāls ir tas, ka siltuma uzglabāšana ir lēta. Daudz lētāk par kWh nekā akumulatori. Ne-foršs ir tas, ka turp un atpakaļ
Ledus uzglabāšanair termiskais ekvivalents laika-nobīdei. Tirdzniecības ēkas sasaldē ūdeni pa nakti, kad elektrības tarifi ir zemi, un pēc tam izmanto šo ledu, lai nodrošinātu gaisa kondicionēšanu pīķa pēcpusdienas stundās. Tas nav krāšņi, bet tas darbojas. Disney World to izmanto. To izmanto daudzas biroju ēkas karstā klimatā. Jūs būtībā izmantojat ledu kā akumulatoru dzesēšanas pieprasījumam.
Ir arī jaunāki jēdzieni:Carnot baterijaskas uzglabā elektroenerģiju kā siltumu un pārveido to atpakaļ, izmantojot siltuma dzinējus, karstā ūdens tvertnes, kas pārslēdz -elektrisko apkuri, sezonālu siltuma uzglabāšanu veseliem rajoniem. Termiskais visums ir pārsteidzoši dziļš.
Ūdeņradis: aizstājējzīme
Ūdeņraža enerģijas uzglabāšanai ir kaislīgi aizstāvji un asi kritiķi, un godīgi sakot, abiem ir pamatoti punkti.
Apelācija ir vienkārša: izmantojiet atjaunojamo elektroenerģiju, lai sadalītu ūdeni ūdeņradī un skābeklī (elektrolīze). Uzglabājiet ūdeņradi. Kad jums nepieciešama jauda, palaidiet to caur degvielas elementu vai sadedziniet to turbīnā. Ūdeņradis var uzglabāt milzīgu enerģijas daudzumu ļoti ilgu laiku-nedēļas, mēnešus, pat sezonas.
Kritika ir tikpat vienkārša:{0}}brauciena turp un atpakaļ efektivitāte ir šausmīga. Jūs zaudējat 30% elektrolīzes laikā. Jūs zaudējat vairāk kompresijas vai sašķidrināšanas rezultātā. Jūs zaudējat vairāk, pārvēršot atpakaļ elektrībā. No beigām-līdz-jūs varat atgūt 30-40% no sākotnējās enerģijas. Salīdziniet to ar 85–90% litija jonu gadījumā.
Tātad, kad ūdeņradim ir jēga? Kad jums ilgstoši jāuzglabā milzīgs enerģijas daudzums. Kad dekarbonizējat rūpnieciskos procesus, kuriem nepieciešams augsts siltums. Kad nepieciešams enerģijas nesējs, ko var pārvadāt lielos attālumos. Kad citas iespējas burtiski nevar paveikt darbu.
Vācija ir veikusi lielas likmes uz ūdeņradi. Tāpat arī Japāna. Austrālija veido eksporta infrastruktūru, lai piegādātu zaļo ūdeņradi uz Āziju. Tas, vai šī likme atmaksāsies, ir atkarīgs no tā, vai izmaksas samazināsies ātrāk, nekā uzlabojas akumulators-un akumulatori strauji uzlabojas.
Īpaši-īsa-ilguma lietas
Superkondensatoriuzglabāt enerģiju elektrostatiski, nevis elektroķīmiski. Tie var uzlādēt un izlādēties gandrīz acumirklī, apstrādāt miljoniem ciklu un nodrošināt smieklīgu jaudas blīvumu. Viņi nevar uzkrāt daudz enerģijas. Superkondensatoru bankā, kas ir pārvadāšanas konteinera izmēra, var tikt uzglabāts tas, ko var glabāt čemodāna izmēra akumulatoru komplektā.
Viņu iecienītākā vieta ir īpaši-īsie pārrāvumi: reģeneratīvā bremzēšana tranzīta sistēmās, vienmērīga enerģijas padeve atjaunojamo energoresursu iekārtās, nodrošinot, ka UPS{1}}sekunde ir nepieciešama, pirms akumulatori pārņem vadību.
Supravadoša magnētiskās enerģijas uzkrāšana(MVU) ir vēl eksotiskāk. Uzglabā enerģiju magnētiskajā laukā, ko rada supravadošās spoles, kas atdzesētas līdz kriogēnai temperatūrai. Gandrīz tūlītēja reakcija, bez degradācijas, būtībā bezgalīgs cikla ilgums. Taču supravadītāju temperatūras uzturēšanas izmaksas un sarežģītība ir noturējusi MVU nišas lietojumos-galvenokārt elektroenerģijas kvalitāti pusvadītāju ražotnēm un citām iekārtām, kur pat īslaicīga sprieguma pazemināšanās maksā miljonus.
Gravitācijas krātuve: jaunā vecā ideja
Vēl viena pieminēšanas vērta kategorija: gravitācijas{0}}sistēmas, kas netiek sūknētas ar hidroenerģiju.
Enerģijas velvebūvē celtņu sistēmas, kas sakrauj un izkrauj masīvus betona blokus. Paceliet blokus, kad enerģija ir lēta, un nolaidiet tos caur ģeneratoriem, kad nepieciešama jauda. Būtībā tas tiek sūknēts bez ūdens.
Citi uzņēmumi pēta pamestās raktuves-nolaidiet šahtas svarus, paceliet tās atpakaļ. Vai ar mērķi -būvēti torņi. Vai pat koncepcijas, kas ietver dzelzceļu vagonus, kas piekrauti ar akmeņiem uz slīpām sliedēm.
Žūrija joprojām nenoskaidro, vai tie var konkurēt ekonomiski. Gravitācijas krātuvju enerģijas blīvums pēc būtības ir zems,-lai uzglabātu nozīmīgu enerģiju, jums ir nepieciešams daudz masas un augstuma. Taču atbalstītāji apgalvo, ka lētu materiālu (betons, grants) un vienkāršas mehānikas izmantošana varētu pārspēt akumulatoru izmaksas, veicot ilgstošas darbības.
Tātad, kas patiesībā ir svarīgi?
Ja esat izlasījis tik tālu, jums varētu rasties jautājums: kura tehnoloģija uzvar?
Nepareizs jautājums.
Enerģijas uzglabāšana nav ieguvēja-noņem-visu tirgu. Dažādas tehnoloģijas ir piemērotas dažādām nišām, pamatojoties uz ilgumu, reakcijas laiku, atrašanās vietu, izmaksu struktūru un pielietojumu.
Nepieciešama frekvences regulēšana milisekundēs? Spararati vai akumulatori. Nepieciešama četru stundu dublēšana saules elektrostacijā? Litija-jonu vai plūsmas akumulatori. Vai nepieciešams novirzīt sezonālo atjaunojamo energoresursu pārpalikumu? Droši vien ūdeņradis vai sūknētā hidrogāze, ja ģeogrāfija atļauj. Nepieciešams atdzesēt ēku vislielākā pieprasījuma laikā? Ledus uzglabāšana.
Nākotnes tīkls nedarbosies ar vienu uzglabāšanas tehnoloģiju. Tajā tiks izmantotas vairākas tehnoloģijas-superkondensatori tūlītējai reakcijai, akumulatori no minūtēm līdz stundām, sūknēta hidroenerģija ikdienas braukšanai ar velosipēdu, ūdeņradis vai siltumenerģija ilgākam laikam. Katrs laika diapazona slots, iespējams, tiks aizpildīts ar jebkuru tehnoloģiju, kas nodrošina vislabāko ekonomiku konkrētajam lietojumam.
Interesantākais ir tas, ka izmaksas samazinās gandrīz visās šajās kategorijās. Litija{1}}jonu akumulatoru izmaksas ir palielinājušās. Elektrolizatori seko līdzīgai mācīšanās līknei. Plūsmas akumulatoru ražošana palielinās. Pat sūknētās hidroenerģijas jomā tiek ieviestas inovācijas ar slēgtām{5}}cilpas sistēmām un pazemes rezervuāriem.
Pirms desmit gadiem nekas no tā nešķita ekonomiski dzīvotspējīgs mērogā. Tagad? Uzglabāšana ir visstraujāk{1}}augošais enerģētikas nozares segments.