Як зберігати енергію: найпопулярніші технології (частина 2)

Сонячні електростанції генерують електроенергію лише вдень, вітрові енергогенератори — тільки коли є вітер, атомні електростанції цілодобово працюють в одному режимі, хоча вночі споживання електрики знижується в кілька разів. Для людства все більш актуальними стають питання накопичення енергії та використання її саме тоді, коли вона найбільше потрібна. В даному матеріалі ми продовжуємо огляд сучасних технологій для акумуляції електроенергії.

Проточні батареї з окислювально-відновним циклом

Батарея з окислювально-відновним циклом є проточним акумулятором, де хімічна реакція проходить в двох з’єднаних резервуарах з рідкими електролітами. В одному резервуарі вміст циркулює навколо анода, в іншому — навколо катода. При цьому катод, анод і електроліти розділені напівпроникною мембраною, в результаті іони з одного відділення поступово перетікають в інший. Ємність такого акумулятора обмежена тільки розмірами самих резервуарів, а вихідна потужність залежить від площі мембрани. Таким чином, проточні батареї можна масштабувати для зберігання дуже великого обсягу енергії.

На сьогоднішній день найбільш прогресивними акумуляторами проточного типу вважаються ванадієві окислювально-відновні батареї, які «зберігають заряд» в іонах ванадію, що містяться в розчині на водній основі. Хоча електроліт на базі ванадію використовується найчастіше, рішення на базі цинку, хлору і солоної води також застосовуються.

Незважаючи на те, що такі акумуляторні батареї мають набагато нижчу ефективність, ніж літій-іонні батареї, з якими знайомі більшість споживачів, їхні недоліки не є критичними для електромереж. Великий розмір і вага цих батарей не мають особливого значення, оскільки їх непотрібно переміщати з місця на місце. Крім того, як повідомляє японська технологічна компанія Sumitomo Electric, такі акумулятори мають тривалий термін служби, і завжди можна підвищити їх потужність за рахунок збільшення ємності.

На даний час в електромережах подібні батареї не використовуються, але є проекти на стадії будівництва. Найбільше акумуляторне сховище, яке відоме на сьогоднішній день, будується китайською корпорацією Rongkeon на півострові Ляодун. Це батарея потужністю 200 МВт/800 МВт-г, завершення будівництва очікується до кінця 2018 року.

Наповнення контейнерів від UniEnergy Technologies ванадієвим розчином для акумуляторного комплексу потужністю 2 МВт, 8 МВт-г, що розташований в штаті Вашингтон

Наповнення контейнерів від UniEnergy Technologies ванадієвим розчином для акумуляторного комплексу потужністю 2 МВт, 8 МВт-г, що розташований в штаті Вашингтон

Цей графік показує, як працюють проточні батареї

Цей графік показує, як працюють проточні батареї

Звичайні акумулятори

Напевно, найпопулярніший серед сучасних варіантів зберігання енергії — це звичний для всіх літій-іонний акумулятор, що використовується в смартфонах, планшетах та ноутбуках. Літій-іонні батареї довгий час вважалися занадто дорогими, щоб бути корисними для масштабних завдань, однак такі компанії як Tesla та AES Energy Storage змінили це судження, завдяки відносно масштабним спорудженням в Каліфорнії та Австралії.

Літій-іонні акумулятори, але меншої потужності, також використовуються виробниками вітрових турбін. Як повідомляється, Vestas Wind Systems досліджує під’єднання своїх турбін до літій-іонних батарей, крім того, компанія Deepwater Wind планує придбати систему 40-МВт-г виробництва Tesla для під’єднання до берегової вітроелектростанції біля узбережжя штату Массачусетс, яка буде завершена в 2022 році.

Автомобільні компанії також пропонують дешеві рішення на базі іонно-літієвих акумуляторів. Вони використовують сотні акумуляторних батарей зі старих електрокарів, які вже частково вичерпали свій ресурс, для створення великих енергосховищ.

Літій-іонна установка від AES Energy Storage на сьогодні є найбільшою в світі, її потужність дорівнює 30 МВт / 120 МВт-г

Літій-іонна установка від AES Energy Storage на сьогодні є найбільшою в світі, її потужність дорівнює 30 МВт / 120 МВт-г

Цей комплекс, побудований компанією BYD, був запущений 2015-го в окрузі LaSalle, штат Іллінойс. Система має потужність 31,5 МВт

Цей комплекс, побудований компанією BYD, був запущений 2015-го в окрузі LaSalle, штат Іллінойс. Система має потужність 31,5 МВт

Нелітієві батареї

Перед тим, як Tesla зробила гігантські енергосховища на базі іонно-літієвих батарей надзвичайно популярною технологією, і перш ніж використання літій-іонних батарей стало вважатися економічно доцільним, комунальні та інші компанії застосовували хімічні батареї на базі інших матеріалів. Чимало з цих акумуляторних систем все ще працюють сьогодні (вони ще не дуже старі, але більшість з них від початку працювали як тестові системи, а не як комерційні).

Один з перших акумуляторних банків, створених для китайської південної енергосистеми. Батареї, розміщені в цьому приміщенні, є залізо фосфатними (не літій-іонними). Система має потужність 10 МВт / 40 МВт-г, і була побудована для вирівнювання навантаження під час піків споживання

Один з перших акумуляторних банків, створених для китайської південної енергосистеми. Батареї, розміщені в цьому приміщенні, є залізо фосфатними (не літій-іонними). Система має потужність 10 МВт / 40 МВт-г і була побудована для вирівнювання навантаження під час піків споживання

36-мегаваттна акумуляторна систему зберігання енергії, що побудовані на майданчику вітрової електростанції Ducks Energy потужністю 153 МВт у західному Техасі. Сховище почало працювати у 2012 році на базі свинцево-кислотних акумуляторів, але потім там були додані літій-іонні батареї для більшої ефективності

36-мегаватна акумуляторна система зберігання енергії, що побудована на майданчику вітрової електростанції Ducks Energy потужністю 153 МВт у західному Техасі. Сховище почало працювати у 2012 році на базі свинцево-кислотних акумуляторів, але потім були додані літій-іонні батареї для більшої ефективності

Термальні енергосховища

Як і багато інших систем зберігання енергії, термальні енергосховища дуже відрізняються від того, що звичайна людина називає «акумулятором». Подібно енергосховищам на базі стисненого повітря та гідроакумуляції, термальні системи використовують дешеву електроенергію (як правило, вночі), щоб заморожувати воду. Протягом дня цей лід плавиться, а отриманий холод через спеціальну циркуляційну систему дозволяє охолоджувати сусідні споруди без запуску енергоємного кондиціонування повітря в спекотний день (коли потреба в електроенергії вже висока).

Термальні технології оптимальні в регіонах з жарким кліматом, але прохолодними вечорами, особливо в Каліфорнії та на південному заході США. Наприклад, в травні цього року компанія Ice Energy поставила 1800 «льодових батарей» для комерційних та промислових споживачів південної Каліфорнії.

Компанія Calmac створила цю систему зберігання термальної енергії в штаб-квартирі Plano, Texas, JC Penny в 1991 році. Вона забезпечує охолодження, яке дорівнює потужності 4 МВт. Ємності з водою/ льодом накриті сонячними панелями, які додатково виробляють електрику

Компанія Calmac створила цю систему зберігання термальної енергії в штаб-квартирі Plano, Texas, JC Penny в 1991 році. Вона забезпечує охолодження, яке дорівнює потужності 4 МВт. Ємності з водою/льодом накриті сонячними панелями, які додатково виробляють електрику

Ці системи на даху в Реддінгу в Каліфорнії на 95% знижують потребу в охолодженні в денний час

Системи на даху в місті Реддінг, Каліфорнія, на 95% знижують потребу в охолодженні в денний час

Інерційні механізми

Асоціація зберігання енергії (ESA) дає наступне визначення інерційним механізмам (flywheels): це системи, які зберігають електричну енергію у вигляді кінетичної. Для розкручування ротора до величезної швидкості використовується дешева електроенергія (наприклад, вночі). Коли потрібно перетворити кінетичну енергію в електричну, ротор уповільнює обертання. Але в період низького попиту на електроенергію його знову розкручують до номінальної швидкості. Інерційні механізми, як правило, експлуатуються у герметичних модулях з відкачаним повітрям, адже вакуум дозволяє знизити опір майже до нуля.

Компоненти інерційного механізму

Компоненти інерційного механізму

На сьогодні існує всього кілька «ферм» інерційних механізмів, але це доволі цікавий, хоча і мало відомий спосіб зберігання енергії. Мережі з комплексів інерційних механізмів, як правило, використовуються для компенсації частоти електроструму в період пікового споживання електроенергії, а не для її зберігання. Тобто інерційний механізм не застосовують в якості резервного джерела живлення. Менше з тим, ця дуже корисна технологія дозволяє на певний час «законсервувати» електроенергію після її виробництва.

Рис. Енергосховище на базі інерційних механізмів потужністю 20 МВт, побудоване компанією Beacon у 2014 році в місті Хейзел в Пенсільванії. Споруда містить 200 інерційних механізмів

Енергосховище на базі інерційних механізмів потужністю 20 МВт, побудоване компанією Beacon у 2014 році в місті Хейзел в Пенсільванії. Споруда містить 200 інерційних механізмів

Цікаво, що інерційні механізми використовувалися свого часу для створення так званого гіробусу. Цей траспортний засіб був обладнаний інерційним механізмом, який розкручувався до частоти 3 тис. обертів на хвилину. Повністю заряджений гіробус міг проїхати до 6 км по рівній горизонтальній дорозі зі швидкістю від 50 до 60 км/год. Зарядження гіробусу, тобто розкручування ротору інерційного механізму, займало від 30 секунд до 3 хвилин; щоб зменшити час заряджання, напруга живлення була збільшена з 380 В до 500 В.

Гіробус — транспортний засіб на базі інерційного механізму, був створений в 1940-х роках.

Гіробус — транспортний засіб на базі інерційного механізму, був створений в 1940-х роках

БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО:

Джерело: arsTECHNICA