Nowoczesne magazyny energii, najpowszechniejsze rodzaje magazynów energii
Urządzenia do magazynowania energii to układy magazynujące energię w różnych formach, takich jak elektrochemiczna, kinetyczna, potencjalna, elektromagnetyczna, chemiczna i termiczna, wykorzystujące np. ogniwa paliwowe, baterie, kondensatory, koła zamachowe, sprężone powietrze, akumulatory hydrauliczne, supermagnesy, wodór itp. .
Urządzenia do magazynowania energii są ważnym zasobem i często są wykorzystywane do zapewnienia nieprzerwanego zasilania lub wspomagania systemu elektroenergetycznego w okresach bardzo krótkotrwałej niestabilności.Odgrywają również ważną rolę w autonomicznych systemach energii odnawialnej.
Główne kryteria dotyczące urządzeń do magazynowania energii wymaganych do konkretnego zastosowania to:
- ilość energii wyrażona w energii właściwej (w Wh · kg -1) i gęstości energii (w Wh · kg -1 lub Wh · l -1);
- energia elektryczna, tj. wymagane obciążenie elektryczne;
- objętość i masa;
- niezawodność;
- trwałość;
- bezpieczeństwo;
- cena;
- nadający się do recyklingu;
- wpływ na środowisko.
Przy wyborze urządzeń do magazynowania energii należy wziąć pod uwagę następujące cechy:
- specyficzna moc;
- pojemność przechowywania;
- specyficzna energia;
- czas reakcji;
- efektywność;
- szybkość samorozładowania / cykle ładowania;
- wrażliwość na ciepło;
- żywotność ładowania i rozładowania;
- wpływ na środowisko;
- koszty kapitałowe / operacyjne;
- praca.
Magazyny energii elektrycznej stanowią integralną część urządzeń telekomunikacyjnych (telefony komórkowe, telefony, krótkofalówki itp.), rezerwowych systemów zasilania oraz hybrydowych pojazdów elektrycznych w postaci elementów magazynujących (baterie, superkondensatory i ogniwa paliwowe).
Urządzenia do magazynowania energii, zarówno elektryczne, jak i termiczne, są uznawane za podstawowe technologie czystej energii.
Długoterminowe magazynowanie energii ma ogromny potencjał dla świata, w którym energia wiatrowa i słoneczna dominują, dodając nowe elektrownie i stopniowo zastępując inne źródła energii elektrycznej.
Wiatr i słońce produkują tylko w określonych porach, więc potrzebują dodatkowej technologii, aby wypełnić luki.
W świecie, w którym rośnie udział nieciągłej, sezonowej i nieprzewidywalnej produkcji energii elektrycznej oraz wzrasta ryzyko rozsynchronizowania z poborem, magazynowanie uelastycznia system, absorbując wszystkie różnice fazowe między produkcją a zużyciem energii.
Akumulatory służą głównie jako bufor i pozwalają na łatwiejsze zarządzanie i integrację odnawialnych źródeł energii zarówno w sieci, jak iw budynkach, oferując pewną autonomię przy braku wiatru i słońca.
W systemach generatorów mogą oszczędzać paliwo i zapobiegać nieefektywności generatora, obsługując obciążenie w okresach niskiego zapotrzebowania na moc, kiedy generator jest najmniej wydajny.
Poprzez buforowanie wahań w wytwarzaniu energii ze źródeł odnawialnych magazynowanie energii może również zmniejszyć częstotliwość rozruchów generatorów.
W systemach wiatrowych i wysokoprężnych o dużej mocy penetracji (gdzie zainstalowana moc wiatru przekracza średnie obciążenie), nawet bardzo mała ilość pamięci radykalnie zmniejsza częstotliwość rozruchów silników wysokoprężnych.
Najpopularniejsze typy przemysłowych magazynów energii:
Przemysłowe urządzenia do magazynowania energii
Elektrochemiczne urządzenia do magazynowania energii
Akumulatory, zwłaszcza akumulatory kwasowo-ołowiowe, pozostają dominującym urządzeniem do magazynowania energii.
Wiele konkurencyjnych typów akumulatorów (niklowo-kadmowe, niklowo-wodorkowe, litowo-jonowe, siarkowo-sodowe, metalowo-powietrzne, akumulatory przepływowe) przewyższa akumulatory kwasowo-ołowiowe pod jednym lub kilkoma aspektami wydajności, takimi jak żywotność, wydajność, gęstość energii , szybkość ładowania i rozładowania, wydajność w niskich temperaturach lub wymagana konserwacja.
Jednak w większości przypadków ich niski koszt w przeliczeniu na kilowatogodzinę pojemności sprawia, że akumulatory kwasowo-ołowiowe są najlepszym wyborem.
Alternatywy, takie jak koła zamachowe, ultrakondensatory lub magazynowanie wodoru, mogą odnieść sukces komercyjny w przyszłości, ale obecnie są rzadkością.
Baterie litowo-jonowe (Li-ion) są obecnie nowoczesnym źródłem zasilania dla wszystkich nowoczesnych urządzeń elektroniki użytkowej. Objętościowa gęstość energii pryzmatycznych akumulatorów litowo-jonowych do przenośnych urządzeń elektronicznych podwoiła się trzykrotnie w ciągu ostatnich 15 lat.
Ponieważ pojawia się kilka nowych zastosowań akumulatorów litowo-jonowych, takich jak pojazdy elektryczne i systemy magazynowania energii, wymagania dotyczące konstrukcji i wydajności ogniw stale się zmieniają i stanowią wyjątkowe wyzwanie dla tradycyjnych producentów akumulatorów.
W związku z tym wysokie zapotrzebowanie na bezpieczne i niezawodne działanie wysokoenergetycznych akumulatorów litowo-jonowych o dużej gęstości mocy staje się nieuniknione.
Zastosowanie elektrochemicznych magazynów energii w energetyce:
Instalacje akumulatorowe, wykorzystanie baterii do magazynowania energii elektrycznej
Superkondensatory elektrochemiczne
Superkondensatory to elektrochemiczne urządzenia do magazynowania energii, które można w pełni naładować lub rozładować w ciągu kilku sekund.
Dzięki większej gęstości mocy, niższym kosztom konserwacji, szerokiemu zakresowi temperatur i dłuższemu cyklowi pracy w porównaniu z bateriami wtórnymi, superkondensatory zyskały znaczną uwagę badaczy w ostatniej dekadzie.
Mają również wyższą gęstość energii niż konwencjonalne elektryczne kondensatory dielektryczne.Zdolność przechowywania superkondensatora zależy od separacji elektrostatycznej między jonami elektrolitu a elektrodami o dużej powierzchni.
Niższa energia właściwa superkondensatorów w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi stanowi przeszkodę w ich powszechnym stosowaniu.
Poprawa wydajności superkondensatorów jest konieczna, aby sprostać potrzebom przyszłych systemów, od przenośnej elektroniki po pojazdy elektryczne i duży sprzęt przemysłowy.
Szczegóły dotyczące superkondensatorów:
Joniści (superkondensatory) — urządzenie, praktyczne zastosowanie, zalety i wady
Magazynowanie energii sprężonym powietrzem
Magazynowanie energii sprężonym powietrzem to sposób magazynowania energii wyprodukowanej w jednym czasie do wykorzystania w innym czasie. Na skalę użytkową energia wytwarzana w okresach niskiego zapotrzebowania na energię (poza szczytem) może być uwalniana w celu zaspokojenia okresów wysokiego zapotrzebowania (obciążenie szczytowe).
Izotermiczne magazynowanie sprężonego powietrza (CAES) to nowa technologia, która próbuje przezwyciężyć niektóre ograniczenia tradycyjnych (diabatycznych lub adiabatycznych) systemów.
Magazynowanie energii kriogenicznej
Wielka Brytania planuje zbudować magazyn skroplonego powietrza o pojemności 250 MWh. Zostanie on połączony z parkiem odnawialnych źródeł energii i zrekompensuje ich przerwy.
Uruchomienie planowane jest na 2022 rok. Kriogeniczne magazyny energii będą współpracować z Trafford Energy Park pod Manchesterem, gdzie część produkcji energii elektrycznej pochodzi z paneli fotowoltaicznych i turbin wiatrowych.
Magazyn ten zrekompensuje przerwy w korzystaniu z tych odnawialnych źródeł energii.
Zasada działania tej instalacji będzie oparta na dwóch cyklach wymiany klimatyzatora.
Energia elektryczna zostanie wykorzystana do zasysania powietrza, a następnie schładzania go do bardzo niskich temperatur (-196 stopni), aż stanie się płynne. Następnie będzie przechowywany w dużych, izolowanych, niskociśnieniowych zbiornikach specjalnie przystosowanych do tego celu.
Drugi cykl będzie miał miejsce, gdy pojawi się zapotrzebowanie na energię elektryczną. Ciecz kriogeniczna jest podgrzewana przez wymiennik ciepła, aby kontynuować odparowywanie i przywrócić ją do stanu gazowego.
Odparowanie cieczy kriogenicznej powoduje zwiększenie objętości gazu, który napędza turbiny wytwarzające energię elektryczną.
Urządzenia do magazynowania energii kinetycznej
Koło zamachowe to obracające się urządzenie mechaniczne, które służy do magazynowania energii obrotowej. Koło zamachowe może przechwytywać energię z nieciągłych źródeł energii w czasie i zapewniać ciągłe dostawy energii elektrycznej do sieci.
Systemy magazynowania energii z kołem zamachowym wykorzystują wejściową energię elektryczną, która jest magazynowana jako energia kinetyczna.
Chociaż fizyka systemów mechanicznych jest często dość prosta (na przykład obracanie koła zamachowego lub podnoszenie ciężarów), technologie umożliwiające skuteczne i efektywne wykorzystanie tych sił są szczególnie zaawansowane.
Zaawansowane technologicznie materiały, najnowocześniejsze systemy sterowania komputerowego oraz innowacyjna konstrukcja sprawiają, że systemy te nadają się do rzeczywistych zastosowań.
Systemy UPS do komercyjnego magazynowania kinetycznego składają się z trzech podsystemów:
- urządzenia do magazynowania energii, zwykle koło zamachowe;
- urządzenia dystrybucyjne;
- oddzielny generator, który można uruchomić, aby zapewnić moc odporną na awarie w stosunku do pojemności magazynowania energii.
Koło zamachowe można zintegrować z generatorem rezerwowym, co poprawia niezawodność poprzez bezpośrednie połączenie układów mechanicznych.
Więcej o tych urządzeniach:
Magazyny energii kinetycznej dla energetyki
Wysokotemperaturowe nadprzewodzące magnetyczne magazynowanie energii (SMES) dla sieci elektroenergetycznych:
Jak działają i działają nadprzewodzące magnetyczne systemy magazynowania energii