Дешевле при комплексной оценке всей стоимости владения инженерным решением

18 лет на рынке Беларуси, России, Казахстана. И это только начало!

ru | en

Накопители энергии

Накопление энергии – аккумуляция энергии для её использования в дальнейшем. Устройство, хранящее энергию, обычно называют аккумулятором или батареей. Типичным примером устройства накопления энергии (энергонакопителя) является аккумуляторная батарея, в которой хранится химическая энергия, легко преобразуемая в электричество для работы мобильного телефона.

История

В двадцатом веке электричество вырабатывалось, прежде всего, за счет сжигания ископаемого топлива. Проблемы с транспортировкой энергии, загрязнением воздуха и глобальным потеплением привели к росту использования возобновляемых источников энергии – таких, как солнечная энергия и энергия ветра. Энергия ветра зависит от климатических условий и погоды. Солнечная энергия зависит от географического положения, облачного покрова. Она доступна только в дневное время, в то время, как спрос зачастую достигает пика после захода солнца. Интерес к накоплению энергии из этих источников растет, поскольку именно они в последнее время генерируют всё большую часть мирового энергопроизводства.

Использование электричества вне электросетей в XX веке было нишевым рынком, но в XXI веке оно значительно расширилось. Портативные устройства используются во всем мире. Солнечные батареи получают все более широкое распространение в сельской местности. Доступ к электричеству теперь является вопросом экономики, а не местоположения. Однако в энергоснабжении транспорта сжигание топлива по-прежнему преобладает.

Виды аккумулирования энергии:

1. Хранение ископаемого топлива.

2. Механический:

  • технология накопления энергии сжатого воздуха (пневматический аккумулятор);
  • бестопочный паровоз;
  • супермаховик;
  • потенциальная энергия гравитации;
  • гидроаккумулятор;
  • гидроаккумулирующая электростанция.
3. Электрический, электромагнитный:

  • конденсатор;
  • суперконденсатор;
  • сверхпроводящий накопитель электрической энергии;
  • сверхпроводящие магниты и сверхпроводящие катушки.
4. Биологический:

  • гликоген;
  • крахмал.
5. Электрохимический (система накопления энергии Батареи):

  • проточная батарея;
  • аккумуляторная батарея;
  • UltraBattery.
6. Тепловой: 

  • тепловой аккумулятор;
  • криогенные системы хранения, аккумулирование энергии жидкого воздуха;
  • криогенный двигатель Дэрмана;
  • эвтектическая система;
  • кондиционер хранения льда;
  • соль в качестве накопителя энергии;
  • фазовый переход вещества;
  • сезонное хранение тепловой энергии;
  • солнечный водоем;
  • паровой аккумулятор;
  • хранение тепловой энергии (общее).
7. Химический:

  • биотопливо;
  • гидратированные соли;
  • хранение водорода;
  • пероксид водорода;
  • технология Power-to-Gas;
  • оксид ванадия.

Механическое накопление

Энергия может сохраняться в воде, перекачиваемой на большую высоту или путем перемещения твердого вещества в более высокие места (гравитационные батареи). Другие механические методы предполагают сжатие воздуха или закручивание маховиков, которые преобразуют электрическую энергию в кинетическую, возвращая её, когда потребность в электричестве достигает пика.

Гидроэлектричество

Гидроэлектростанции с водохранилищами могут эксплуатироваться для обеспечения электроэнергией в периоды пикового спроса. Вода хранится в резервуаре в периоды низкой потребности и высвобождается при высокой потребности. Эффект аналогичен накоплению с перекачкой, но без сопутствующих потерь. Хотя гидроэлектростанция напрямую не накапливает энергию из других источников, она ведет себя эквивалентно, снижая выработку в период избытка электроэнергии, полученной из других источников. В этом режиме плотины являются одной из наиболее эффективных форм аккумулирования энергии, поскольку меняется только количество её генерации. Гидроэлектрические турбины имеют время запуска порядка нескольких минут.

Гидроаккумулирующая электростанция

Во всем мире гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) является наиболее крупной формой накопления энергии в больших масштабах. Энергетическая эффективность ГАЭС варьируется, на практике, от 70 % до 80 %.

В периоды низкой потребности в электроэнергии, избыточная генерирующая мощность используется для перекачки воды из более низкого резервуара в более высокий. Когда спрос растет, вода поступает обратно в нижний резервуар (или водный путь/водоем) через турбину, вырабатывающую электричество. Реверсивные турбогенераторные узлы действуют как насос и турбина (обычно это турбина Фрэнсиса). Почти все подобные сооружения используют перепад высот между двумя водоемами. Насосно-накопительные установки «в чистом виде» перемещают воду между резервуарами, в то время как подход с «откачкой» представляет собой комбинацию насосных хранилищ и обычных гидроэлектростанций, использующих естественное течение воды.

Технология накопления энергии сжатого воздуха

Пневматический аккумулятор использует избыточную энергию для сжатия воздуха для последующего производства электроэнергии. Сжатый воздух хранится в подземном резервуаре.

Пневматический аккумулятор может преодолеть разрыв между волатильностью производства и нагрузкой. Пневматический аккумулятор удовлетворяет потребности потребителей в энергии, эффективно обеспечивая доступную энергию для удовлетворения спроса. Возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца, имеют переменные ресурсы. В результате, добавление других видов энергии необходимо для удовлетворения спроса на энергию в периоды снижения доступности возобновляемых ресурсов. Установки для хранения энергии на сжатом воздухе способны аккумулировать избыточную энергию от возобновляемых источников энергии во время перепроизводства энергии. Эта накопленная энергия может быть использована, когда спрос на электроэнергию увеличивается или доступность энергетических ресурсов уменьшается.

При сжатии воздух нагревается. Расширение, со своей стороны, требует тепловой энергии. Если не добавлять дополнительной энергии, воздух после расширения будет намного холоднее. Если тепло, выделяемое во время сжатия, может аккумулироваться и использоваться во время расширения, эффективность значительно повышается.

Технология накопления энергии маховиком

Накопитель энергии маховика работает за счет ускорения ротора (маховика) до очень высокой скорости, аккумулируя энергию вращения. Когда энергия извлекается, скорость вращения маховика уменьшается; добавление энергии соответственно приводит к увеличению скорости маховика.

Большинство систем используют электричество для ускорения и замедления маховика, но рассматриваются и устройства, которые непосредственно используют механическую энергию.

Системы имеют роторы, изготовленные из высокопрочных углеродно-волокнистых композитов, подвешенных на магнитных подшипниках и вращающихся со скоростью от 20 000 до более 50 000 об/мин в вакуумном корпусе. Такие маховики могут достигать максимальной скорости («заряда») за считанные минуты. Система маховика соединена с комбинированным электродвигателем / генератором.

Системы имеют относительно долгий срок службы (длятся десятилетия, практически не требуя технического обслуживания; срок службы полного цикла, указанный для маховиков, варьируется от 105 до 107 циклов использования), высокую удельную энергия (100-130 Вт · ч/кг или 360-500 кДж/кг) и удельную мощность.

Накопление гравитационной потенциальной энергии твердых масс

Изменение высоты твердых масс может накапливать или выделять энергию через подъемную систему, приводимую в движение электродвигателем / генератором.

Методы включают использование рельсов и кранов для перемещения бетонных грузов вверх и вниз, использование высотных плавучих платформ на солнечных батареях, поддерживающих лебедки для подъёма и опускания твердых масс.

Накопление тепловой энергии

Аккумулирование тепловой энергии – это временное хранение или отвод тепла.

Аккумулированная тепловая энергия

Аккумулирование тепла использует преимущества нагрева материала для накопления энергии.

Технологии сезонного накопления тепловой энергии (СНТЭ) позволяют использовать тепло или холод спустя месяцы после того, как оно было получено из природных источников или отходов. Аккумуляция может происходить в водоносных слоях, скоплениях скважин в геологических субстратах, таких как песок или кристаллические породы, в выстланных ямах, заполненных гравием и водой, или в заполненных водой шахтах. Технологии СНТЭ часто имеют срок окупаемости в диапазоне от четырёх до шести лет. Примером является сообщество солнечных батарей Drake Landing в Канаде, для которого 97 % круглогодичного тепла обеспечивается солнечно-тепловыми коллекторами на крышах гаражей, а скважинный накопитель тепловой энергии (СНТЭ) является поддерживающей технологией. В Браструпе (Дания) система коммунального солнечного теплоснабжения, также использует СНТЭ при температуре хранения 65° C (149° F). Тепловой насос, который работает только при наличии избыточной энергии ветра в единой энергосети, используется для повышения температуры до 80° C (176° F) для распределения. Когда избыточного электричества, генерируемого ветром, нет, используется газовый котел. 20% тепла Браструпа имеют солнечное происхождение.

Скрытое накопление тепловой энергии

Скрытые тепловые системы накопления тепловой энергии работают с материалами с высокой скрытой теплоемкостью, известными как материалы с фазовым переходом. Основным преимуществом этих материалов является то, что их скрытая теплоемкость гораздо больше, чем ощутимое тепло. В определённом температурном диапазоне фазовый переход от твердого к жидкому поглощает большое количество тепловой энергии для последующего использования.

Скрытое накопление тепловой энергии представляет собой процесс, посредством которого энергия в форме тепла либо поглощается, либо выделяется во время фазового перехода материала. Изменение фазы – это плавление или затвердевание материала. Во время изменения фазы материал обладает способностью поглощать большое количество энергии из-за высокой температуры плавления.

Электрохимический

Аккумуляторная батарея

Аккумуляторная батарея содержит один или несколько электрохимических элементов. Аккумуляторы бывают разных форм и размеров, от кнопок до мегаваттных энергосистем.

Аккумуляторные батареи имеют более низкие общую стоимость использования и уровень воздействия на окружающую среду, чем неперезаряжаемые (одноразовые) батареи. Некоторые типы аккумуляторных батареек доступны в тех же форматах, что и одноразовые. Аккумуляторные имеют более высокую начальную стоимость, но их можно очень дёшево перезаряжать и использовать много раз.

Общие химические составы аккумуляторной батареи:

  1. Свинцово-кислотные аккумуляторы: свинцово-кислотные аккумуляторы занимают самую большую долю рынка аккумуляторов. В заряженном состоянии отрицательный электрод из металлического свинца и положительный электрод из сульфата свинца погружают в электролит с разбавленной серной кислотой (H2SO4). В процессе разряда электроны выталкиваются из ячейки, так как на отрицательном электроде образуется сульфат свинца, а электролит восстанавливается до воды.
  2. Технология свинцово-кислотных аккумуляторов получила широкое развитие. Эксплуатация требует минимального труда, его стоимость низкая. Доступная энергетическая ёмкость батареи подвержена быстрой разрядке, что приводит к малому сроку службы и низкой плотности энергии.
  3. Никель-кадмиевый батарея (NiCd): в качестве электродов используются гидроксид оксида никеля и металлический кадмий. Кадмий является токсичным элементом и был запрещен Европейским союзом в 2004 году для большинства видов использования. Никель-кадмиевые батареи были почти полностью заменены никель-металлогидридными (NiMH).
  4. Никель-металлогидридная батарея (NiMH): первые коммерческие образцы появились в 1989 году. Сейчас это обычный потребительский и промышленный товар. Батарея имеет для отрицательного электрода вместо кадмия водородопоглощающий сплав.
  5. Литий-ионная аккумуляторная батарея: выбор многих потребителей в сфере электронных устройств. Имеет одно из лучших соотношений энергии к массе и очень медленный саморазряд, когда он не используется.
  6. Литий-ионный полимерный аккумулятор: эти аккумуляторы имеют малый вес и могут быть изготовлены в любой форме.

Проточная батарея

Проточная батарея работает, пропуская раствор через мембрану, где происходит обмен ионов для зарядки / разрядки элемента. Напряжение тока химически определено уравнением Нернста, и на практике составляет от 1,0 до 2,2 В. Ёмкость накопителя зависит от объёма ёмкостей, в которых находится раствор.

Проточная батарея технически близка как топливному элементу, так и элементу электрохимического аккумулятора. Коммерческие приложения предназначены для длительного полупериода хранения, например, для резервного энергоснабжения.

Суперконденсатор

Суперконденсаторы, также называемые электрическими двухслойными конденсаторами или ультраконденсаторами, являются общими терминами для семейства электрохимических конденсаторов, которые не имеют обычных твердых диэлектриков. Ёмкость определяется двумя параметрами аккумуляции: двухслойная емкость и псевдоёмкость.

Суперконденсаторы ликвидируют разрыв между обычными конденсаторами и аккумуляторными батареями. Они хранят наибольшее количество энергии на единицу объёма или массы (плотности энергии) среди конденсаторов. Они поддерживают до 10 000 фарад / 1,2 В, до 10 000 раз больше, чем у электролитических конденсаторов, но выдают или принимают менее половины мощности в единицу времени (плотность мощности).

В то время, как суперконденсаторы имеют удельную энергию и удельные плотности энергии примерно 10 % в сравнении с батареями, их плотность мощности обычно в 10-100 раз больше. Это приводит к гораздо более коротким циклам зарядки / разрядки. Кроме того, они будут выдерживать гораздо больше циклов зарядки и разрядки, чем батареи.

Суперконденсаторы поддерживают широкий спектр применений, включая:

  • низкий ток питания для резервного копирования памяти в статической оперативной памяти;
  • питание для автомобилей, автобусов, поездов, кранов и лифтов, в том числе рекуперация энергии при торможении, кратковременное накопление энергии и подача питания в импульсном режиме.

Другие химические вещества

Технология Power-to-Gas (P2G)

Технология Power-to-Gas – это технология, которая преобразует электричество в газообразное топливо, к примеру, водород или метан. Известны три метода использования электричества для превращения воды в водород и кислород посредством электролиза.

При первом методе водород впрыскивается в сеть природного газа. Второй метод заключается в реакции водорода с диоксидом углерода для получения метана, с использованием реакции метанирования (такой, как реакция Сабатье) или биологического метанирования, что приводит к дополнительной потере преобразования энергии на 8 %. Затем метан можно подавать в природную газовую сеть. Третий метод использует выходной газ из генератора древесного газа или биогазовой установки после того, как модификатор биогаза смешан с водородом из электролизера, чтобы улучшить качество биогаза.

Водород

Водород тоже можно рассматривать как накопитель энергии: электричество в этом случае производится посредством водородного топливного элемента.

Для синтеза килограмма водорода требуется около 50 кВт⋅ч (180 МДж) солнечной энергии, поэтому стоимость электроэнергии является критически важной.

Подземное хранение водорода производится в подземных пещерах, соляных куполах и истощенных нефтяных и газовых месторождениях. Imperial Chemical Industries в течение многих лет хранит в подземных пещерах большие количества газообразного водорода без каких-либо проблем. Европейский проект Hyunder указал в 2013 году, что для аккумуляции энергии ветра и солнца с использованием подземного водорода потребует 85 пещер.

Метан

Метан – простейший углеводород с молекулярной формулой СН4. Метан легче хранить и транспортировать, чем водород. Имеется полноценная инфраструктура его хранения и сжигания (трубопроводы, газометры, электростанции).

Синтетический природный газ (синтез-газ или SNG) может быть создан в многоступенчатом процессе, начиная с водорода и кислорода. Водород реагирует с диоксидом углерода в реакции Сабатье, производя метан и воду. Метан может храниться, а затем использоваться для производства электроэнергии. Полученная вода рециркулируется, уменьшая потребность во внешних её источниках. На стадии электролиза, кислород сохраняется для сжигания метана в чистой кислородной среде на соседней электростанции.

При сгорании метана образуются углекислый газ (CO2) и вода. Диоксид углерода может быть переработан для ускорения процесса Сабатье, а вода может быть переработана для дальнейшего электролиза. Производство метана, хранение и сгорание перерабатывают продукты реакции.

Биотопливо

Ископаемое топливо могут заменять различные виды биотоплива, такие как биодизельное топливо, растительное масло, спиртовое топливо или биомасса. Химические процессы могут превращать углерод и водород (в составе угля, природного газа, растительной и животной биомассы и органических отходов), в простые углеводороды, подходящие в качестве замены для традиционных углеводородных видов топлива. Примерами являются дизельное топливо Фишера-Тропша, метанол, диметиловый эфир и синтез-газ. Этот источник дизельного топлива широко использовался во время Второй мировой войны в Германии, которая столкнулась с ограниченным доступом к поставкам сырой нефти. По тем же причинам Южная Африка производит большую часть дизельного топлива из угля.

Алюминий

Рядом исследователей в качестве энергонакопителя был предложен алюминий. Электрохимический эквивалент алюминия почти в четыре раза больше, чем у лития. Энергия может извлекаться из алюминия путем его взаимодействия с водой с образованием водорода. Однако для реакции с водой алюминий должен быть отделен от его естественного оксидного слоя. Это процесс, который требует измельчения, а также химических реакций с едкими веществами или сплавами. Побочным продуктом реакции с образованием водорода является оксид алюминия, который может быть переработан обратно в алюминий в рамках процесса Холла-Херулта, делая реакцию теоретически возобновляемой. Если процесс Холла-Херулта запускается с использованием солнечной или ветровой энергии, алюминий может использоваться для хранения энергии, причем у такого процесса эффективность более высока, чем при прямом солнечном электролизе.

Бор, кремний и цинк

В качестве альтернативных накопителей энергии рассматриваются также бор, кремний и цинк.

Другие химические вещества

Органическое соединение норборнадиен, в реакции превращения в квадрицикл, при воздействии света, сохраняет солнечную энергию, в форме энергии химических связей. Функционирующий образец был разработан в Швеции и позиционируется как молекулярная солнечная тепловая система.

Электрические методы

Конденсатор

Конденсатор – это пассивный двухполюсный электрический компонент, используемый для электростатического накопления энергии. На практике конденсаторы сильно различаются, но все они содержат, по меньшей мере, два электрических проводника (пластины), разделенных диэлектриком (изолятором). Конденсатор может накапливать электрическую энергию, когда он отключен от своей зарядной цепи, поэтому его можно использовать как временную батарею или как другие виды перезаряжаемой системы накопления энергии. Конденсаторы обычно используются в электронных устройствах для поддержания питания при замене батарей (это предотвращает потерю информации в энергозависимой памяти). В среднем конденсаторы имеют плотность менее 360 джоулей на килограмм, в то время как у обычной щелочной батареи этот параметр составляет порядка 590 кДж/кг.

Конденсаторы накапливают энергию в электростатическом поле между пластинами. Благодаря разности потенциалов на проводниках (например, когда конденсатор присоединен к батарее), электрическое поле проходит через диэлектрик, заставляя положительный заряд (+Q) собираться на одной пластине и отрицательном заряде (-Q) на другой пластине. Если аккумулятор подключен к конденсатору в течение достаточного времени, через конденсатор не может протекать ток. Однако если через выводы конденсатора подается напряжение, может возникать ток смещения.

На практике диэлектрик между пластинами пропускает небольшое количество тока в виде утечки и имеет предел напряженности электрического поля, известный как напряжение пробоя. Однако эффект восстановления диэлектрика после пробоя высокого напряжения может привести к созданию нового поколения самовосстанавливающихся конденсаторов.

Сверхпроводящие индуктивные накопители

Система хранения сверхпроводящей магнитной энергии – сверхпроводящий индуктивный накопитель (СПИН) хранит энергию в магнитном поле, создаваемом потоком постоянного тока в сверхпроводящей катушке, которая была охлаждена до температуры ниже её сверхпроводящей критической температуры. Типичная система СПИН включает в себя сверхпроводящую катушку, систему кондиционирования и холодильник. Как только сверхпроводящая катушка заряжена, ток не распадается, и магнитная энергия может храниться бесконечно долго.

Накопленная энергия может быть передана в сеть путем разрядки катушки. Соответствующий инвертор / выпрямитель обеспечивает примерно 2-3 % потерь энергии в каждом направлении. СПИН теряет наименьшее количество электроэнергии в процессе накопления энергии, по сравнению с другими методами хранения энергии.

Из-за энергетических требований охлаждения и стоимости сверхпроводящего провода, СПИН используется для кратковременного хранения, например, для улучшения качества электроэнергии. Эта система хранения применяется так же в балансировке сетки.


Применение

Мельницы

Классическим применением накопления энергии до промышленной революции было управление водными путями для приведения в действие водяных мельниц для обработки зерна или приводной техники. Сложные системы водохранилищ и плотин были построены, чтобы хранить и выпускать воду (и потенциальную энергию, которую она содержит), когда требуется.

Домашнее накопление энергии

Ожидается, что накопление энергии в домашних условиях станет все более распространенным явлением, учитывая растущую важность распределенного производства возобновляемых источников энергии (особенно фотоэлектрических) и значительную долю потребления энергии в жилых зданиях. Чтобы повысить самообеспеченность (самостоятельность) на 40 % в доме, оборудованном фотоэлектрическими приборами, необходимо накопление энергии. некоторые производители производят аккумуляторные батареи для хранения энергии, как правило, для удержания избыточной энергии солнечной/ветровой генерации. Сегодня для хранения энергии в домашних условиях литий-ионные аккумуляторы предпочтительнее свинцово-кислотных, учитывая их аналогичную стоимость, но гораздо более высокую производительность.

Tesla Motors выпускает две модели Tesla Powerwall. Одна из них представляет собой версию на 10 кВт⋅ч в неделю, а другая – версию на 7 кВт⋅ч для применения с ежедневным циклом. В 2016 году ограниченная версия, Telsa Powerpack 2, стоила 398 долларов США / кВт⋅ч для хранения электроэнергии, стоимостью 12,5 цента / кВт⋅ч (средняя цена на энергосистему США), что положительно сказывалось на рентабельности инвестиций, если цены на электроэнергию не превышали 30 центов / кВт⋅ч.

Компания Enphase Energy анонсировала интегрированную систему, которая позволяет домашним пользователям хранить, контролировать и управлять электроэнергией. Система сохраняет 1,2 кВт⋅ч энергии и 275 Вт / 500 Вт выходной мощности.

Аккумуляция энергии ветра или солнца с использованием накопителя тепловой энергии, хотя и менее гибкое, значительно дешевле, чем батареи. Простой 52-галлонный электрический водонагреватель может хранить примерно 12 кВт⋅ч энергии для добавления горячей воды или отопления помещения.

Электросеть и электростанции

Накопление возобновляемой энергии

Самый большой запас возобновляемой энергии предоставляется сейчас гидроэлектростанциями. Большое водохранилище около гидроэлектростанции может хранить достаточно воды, чтобы усреднить годовой сток реки между сухим и влажным сезонами. Хотя гидроэлектростанция не накапливает напрямую энергию от прерывистых источников, она уравновешивает энергосистему, удерживая воду, когда энергия генерируется солнечным или ветровым излучением.

Важнейшее направление накопления энергии – гидроаккумулирующие электростанции. Такие регионы, как Норвегия, Уэльс, Япония и США используют географические особенности, применяя электрические насосы для заполнения резервуаров. При надобности вода проходит через генераторы и преобразует гравитационный потенциал падающей воды в электричество.

Среди видов энергонакопителей, используемых при производстве электроэнергии, следует отметить гидроэлектростанции с насосным накопителем, аккумуляторные батареи, тепловые энергонакопители (включая расплавленные соли), которые могут эффективно хранить и высвобождать очень большое количество тепловой энергии, и хранилища энергии сжатого воздуха, маховики, криогенные системы и сверхпроводящие магнитные катушки.

Избыточная мощность также может быть преобразована в метан (реакция Сабатье) с запасом в сети природного газа. 

С самого момента появления электрических сетей большой проблемой была зависимость уровня потребления энергии от времени суток. В наше время к ней прибавилась зависимость выработки электроэнергии от множества факторов, быстро меняющихся в течение дня. Да, увы, такова плата за прогресс — внедрение альтернативной энергетики. Помочь решить проблему способны накопители электроэнергии.

Для гармонизации пиков производства и потребления электроэнергии нужно использовать накопители большой емкости. И в первую очередь следует определиться, где их устанавливать.

Накопитель, установленный на электростанции

Довольно распространенное решение в солнечной энергетике. В готовый комплект солнечных панелей, применяемых в жилом секторе, как правило, входят аккумулятор и контроллер, управляющий его зарядом-разрядом. В итоге пользователь получает привычный ему интерфейс — стандартную розетку, с которой можно стабильно снимать мощность не выше определенного значения. На солнечных электростанциях, работающих по технологии Thermal Solar, а это, как правило, очень крупная электрогенерация, под действием солнца плавятся минеральные соли, их расплав держит тепло длительное время, хоть всю ночь. Благодаря данной особенности генерация электричества стабильно происходит круглые сутки.

Накопитель, установленный у потребителя

Решение, активно продвигаемое сейчас на рынок рядом производителей, в том числе компанией Tesla. Аккумулятор заряжается от сети в промежуток времени, который задал контроллеру пользователь. Например, это может быть временной интервал, когда цены на электроэнергию самые низкие. Тогда накопитель позволяет экономить средства клиента, а для электросетевой компании — получить реальный эффект снижения пиковой нагрузки на сеть за счет применения нескольких тарифов в зависимости от времени суток. Другое преимущество — появляется возможность подключать к электросети приборы с большей мощностью, чем позволяет линия электропередачи, идущая к клиенту. Накопитель потихоньку запасает энергию на протяжении длительного промежутка времени, а затем отдает большую мощность на протяжении относительно короткого промежутка времени. Скажем, не позволяют провода, идущие к потребителю, передавать ток более 10 А.

Но современные электропечи для кухни потребляют не менее 16 А. Выход простой — ставим накопитель. Пока вы спите или занимаетесь своими делами, он в течение 4 часов накапливает нужное количество энергии, отдавая потом в электропечь на протяжении 2 часов ток 16 А, позволяя вам запечь индейку (пример учитывает потери в преобразователе и аккумуляторе).

Накопитель, установленный в ключевых узлах электросети

Идея, на самом деле, довольно старая. Например, в 1987 году рядом с Москвой была построена Загорская гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС), позволяющая сгладить пики потребления, характерные для большого города. Самый известный проект, реализованный в 2017 году — увеличение суммарной подключаемой мощности в одном из удаленных регионов Австралии без реконструкции ЛЭП. Компания Tesla поставила гигантский накопитель, который равномерно запасает электроэнергию, не создавая ярко выраженных пиковых нагрузок на ЛЭП, что позволило избежать ее реконструкции. Но клиенты электрической компании могут получать от накопителя на пиках потребления гораздо большую мощность, чем могла бы выдержать ЛЭП.

В зависимости от места установки определяется емкость накопителя. Емкость накопителя, используемого в солнечных электростанциях для индивидуального применения, составляет не более 2 кВтч. Накопители, устанавливаемые у бытового потребителя, имеют емкость не более 7 кВтч. Для промышленных потребителей под заказ изготавливают накопители емкостью 100 кВтч. Что же касается накопителей, устанавливаемых в узлах энергосистемы, то их емкость составляет порядка сотен МВт – единиц ГВт.

Аккумуляторы

Для накопителей, выравнивающих энергопотребление, обычные свинцово-кислотные аккумуляторы не подходят. Это связано с малым количеством циклов заряда-разряда, а также необходимостью обслуживания аккумуляторов (приходится регулярно доливать дистиллированную воду из-за испарения электролита). В солнечных электростанциях небольшой мощности применяются так называемые гелевые аккумуляторы. В них электролит находится не в форме жидкости, а в форме геля. Такие аккумуляторы не требуют обслуживания. Их недостатком является то, что при зарядке свыше номинального уровня они быстро выходят из строя, но эта проблема решается при помощи современных микропроцессорных контроллеров. Уникальным преимуществом гелевых аккумуляторов является их возможность работы при низких (до —15°С) температурах. Благодаря этому нет необходимости специально отапливать накопитель, размещенный на улице, достаточно тепла, отводимого от контроллера.

Более совершенными являются никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы. Они надежны и обеспечивают сохранение большего количества энергии в меньшем объеме.

Наиболее популярным сейчас являются литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Именно их сейчас используют в накопителях, устанавливаемых непосредственно у потребителей, а также в ключевых местах электросети. Кстати, идея создания накопителя, стоящего у потребителя дома, возникла из необходимости использования аккумуляторов типоразмера 18650, применяемых в электромобилях.

Преимуществами Li-Ion аккумуляторов являются: высокая плотность накапливаемой энергии, пренебрежительно малый уровень «эффекта памяти», низкое выходное сопротивление, что позволяет на пиках нагрузки отдавать потребителю большую мощность.

Суперконденсаторы

Принципиальным недостатком аккумуляторов является то, что электрическая энергия в них при заряде превращается в химическую, а при разряде — из химической в электрическую. Такие преобразования обуславливают потери энергии, а также ограниченное количество циклов заряд-разряд (до 3000 у массово выпускаемых Li-Ion аккумуляторов).

Решение проблемы заключается в том, чтобы накапливать непосредственно электрическую энергию в конденсаторе. В накопителях применяют так называемые суперконденсаторы (другие названия — ультраконденсаторы, ионисторы) емкостью от 1000 Ф каждый, соединенные в большие массивы.

Ультраконденсаторы имеют КПД, близкий к 100%, количество циклов заряда-разряда у них практически не ограничено. И, что немаловажно, суперконденсаторы безопасны в эксплуатации и не содержат вредных для природы веществ.

Электромобиль как накопитель

В электромобиле есть аккумуляторы, выпрямитель и инвертор – все элементы накопителя для выравнивания пиков потребления электроэнергии. Почему бы не задействовать электромобиль в качестве накопителя энергии, пока он стоит в гараже?

Компании Renault и Nissan уже выпускают электромобили, способные отдавать энергию, накопленную в аккумуляторе. А Schneider Electric создала электрическую зарядную станцию, поддерживающую данную функцию. В Великобритании рассматривается вопрос о том, что-бы предоставлять электромобилям бесплатную парковку в обмен на определенное количество электроэнергии, отдаваемое во время стоянки в сеть.

Наконец, в той же Великобритании рассматривается законопроект, обязывающий владельцев электромобилей подключать их к электросети для выравнивания баланса все то время, пока они не ездят. С 2018 года компания Renault проводит масштабный эксперимент на португальском острове Мадейра по испытанию технологии обратной поставки электроэнергии в сеть от электромобиля.

Будущее – за распределенным хранением энергии?

Технологии сглаживания пиков выработки электроэнергии и ее потребления, существовавшие до недавних пор, исходили из реалий XX века – централизованной энергосистемы без возможности управления оборудованием, установленным у клиента. Установка гигантского накопителя на аккумуляторах в Австралии – это всего лишь способ улучшить энергосистему, созданную в прошлом веке, но не изменить ее кардинально.

С распространением альтернативной энергетики генерация становится все более децентрализованной. При этом уже нельзя точно определить место в энергосистеме, куда следует подключить гигантский аккумулятор, чтобы выровнять баланс. Будущее принадлежит не только децентрализованной генерации, но и децентрализованному хранению электроэнергии. В каждой квартире, в каждом офисе или заводе будет стоять локальный накопитель электроэнергии. Путем предоставления скидок или жесткого законодательного регулирования пользователя простимулируют (обяжут) подключать такой накопитель к управляющей системе. Электроэнергетическая компания будет с помощью технологии «Интернета вещей» дистанционно регулировать процесс накопления электроэнергии и отдачи ее в сеть. Тем самым будут сглаживаться пики выработки и потребления электроэнергии.

На самом деле, «первой ласточкой» такого подхода уже стали серьезные вложения британского правительства в разработку технологии использования электромобилей как накопителей для электросети и проект законодательно обязать владельцев электромобилей использовать их в таком качестве.

В итоге гигантские накопители энергии вроде ГАЭС или же огромной аккумуляторной батареи, установленной в австралийской пустыне, станут просто не нужны. Накопление электроэнергии будет осуществляться только у пользователей, в недорогих компактных устройствах. Развитие технологии суперконденсаторов позволит обеспечить надежность и безопасность таких накопителей.


TVA планирует запустить к 2022 году систему хранения энергии мощностью 40 МВтч (сентябрь 2020)

Управление долины Теннесси впервые приобретет собственную систему хранения энергии на базе аккумуляторных батарей. TVA объявила, что устанавливает хранилище аккумуляторных батарей рядом с промышленным комплексом в Воноре (Vonore), штат Теннеси. Система хранения энергии Vonore Battery будет использовать литий-ионные аккумуляторы для хранения 40 МВтч энергии.

В Нидерландах введена в строй гибридная система накопления энергии: Li-ion плюс маховики (сентябрь 2020)

В Нидерландах введена в эксплуатацию инновационная гибридная система накопления энергии, состоящая из литий-ионных аккумуляторов производства швейцарской компании Leclanché и механических накопителей (маховиков) от голландского разработчика S4 Energy.

Литий-ионные батареи мощностью 8,8 МВт и ёмкостью 7,12 МВт*ч работают вместе с шестью шестью маховиковыми системами KINEXT общей мощностью 3 МВт. Мощность объекта в размере 9 ГВт используется голландским системным оператором TenneT для поддержки стабилизации частоты в энергосистеме. Как отмечают разработчики проекта, дополнение литий-ионных аккумуляторов маховиками позволит продлить срок службы батарей как минимум до 15 лет и повысит ценность системы в целом для TenneT.

По данным S4 Energy, KINEXT обладает массой 5000 кг и раскручивается до скорости 950 км/ч. Эффективность устройства достигает 92%. Скорость отклика менее 20 миллисекунд. 

Голландия, которая несколько последних десятилетий опиралась на природный газ, быстро наращивает мощности ВИЭ. Например, солнечная энергетика страны выросла по итогам 2019 г до 7 ГВт, а офшорные ветровые электростанции к 2030 году будут вырабатывать 40% электроэнергии. В этих условиях эффективные системы накопления энергии, конечно, являются хорошим подспорьем для системных операторов.

Разработана уникальная молекула для хранения солнечной энергии (сентябрь 2020)

Исследователи из Университета Линчёпинга (LiU), Швеция, разработали молекулу, которая поглощает энергию солнечного света и сохраняет ее в химических связях. Возможное долгосрочное использование молекулы заключается в эффективном улавливании солнечной энергии и хранении ее для дальнейшего использования. Результаты исследования опубликованы в Journal of the American Chemical Society (JACS).

Молекула может принимать две разные формы: родительскую форму, которая может поглощать энергию солнечного света, и альтернативную форму, в которой структура родительской формы была изменена и стала намного более энергоемкой, оставаясь при этом стабильной. Это дает возможность эффективно хранить энергию солнечного света в молекуле.

В Калифорнии введена в строй крупнейшая в мире батарейная система накопления энергии мощностью 250 МВт (август 2020)

Компания LS Power ввела в эксплуатацию крупнейшую в мире систему накопления энергии (СНЭ), в основе которой литий-ионные аккумуляторы. Расположенный в округе Сан-Диего (Калифорния) объект Gateway Energy Storage имеет мощность 250 МВт.

Gateway Energy Storage, по-видимому, является крупнейшим среди действующих накопителей энергии на основе батарей в мире.

В США началось строительство литий-ионного меганакопителя (август 2020)

Pacific Gas & Electric и Tesla начали строительство литий-ионной системы хранения энергии 182,5 МВт/730 МВтч в округе Монтерей, Калифорния. PG&E будет владеть объектом на своей подстанции в Moss Landing, но проектирование, строительство и техническое обслуживание будут осуществляться совместными усилиями PG&E и Tesla.

Партнеры считают, что Moss Landing станет крупнейшей в мире системой хранения энергии на литий-ионных аккумуляторах. Она включает установку 256 аккумуляторных блоков Tesla Megapack на 33 бетонных плитах. В одном блоке Megapack (который был выпущен компанией в прошлом году и производится на гигафабрике Tesla в Неваде) может храниться до 3 МВт-ч электроэнергии. В каждом блоке наряду с аккумуляторами размещается оборудование для преобразования энергии. Кроме того, вместе с мегапакетами также будут установлены трансформаторы и распределительные устройства для подключения накопителя энергии к системе передачи 115 кВ.

Эта система будет иметь емкость для хранения и отправки в сеть до 730 МВт-ч энергии с максимальной выдачей мощности 182,5 МВт в течение четырех часов в периоды высокого спроса. Соглашение PG&E с Tesla предусматривает возможность увеличения емкости системы до шести часов или 1,1 ГВт-ч в целом.

Число установленных домашних накопителей энергии в ФРГ превысило 200 тысяч (апрель 2020)

Согласно анализу EuPD Research, в 2019 году в Германии было установлено около 65000 домашних систем накопления энергии, на 20 тысяч больше, чем годом ранее. За прошедшие два года их число в стране удвоилось и достигло 206 тысяч. Аналитики видят основные причины значительного увеличения спроса на хранение энергии в быстром росте домашних солнечных электростанций, в частности в сегменте от 3 до 10 киловатт мощности. Другими факторами повышенного интереса к системам накопления энергии явились рост цен на электроэнергию для частных домохозяйств и рост количества электромобилей.

Производство топливных элементов в мире превысило 1 ГВт общей мощности  (январь 2020)

Прошлый год был большим для индустрии топливных элементов. Согласно отчету энергетических консультантов E4tech, примерно 1,1 ГВт мощности топливных элементов было произведено во всем мире в 2019 году. Это на 40% больше по сравнению с уровнем 2018 года. Отмечается, что основной интерес к водородным топливным элементам был связан с электромобилями на топливных элементах. Toyota и Hyundai занимают лидирующие позиции в этом направлении, и на их долю приходится две трети от прошлогодних 1,1 ГВт мощностей используемых топливных элементов. Кроме того, в отчете отмечается, что рынок «водородных» грузовиков, автобусов и микроавтобусов также растет, и поэтому на долю всех транспортных средств в 2019 году приходилось более 900 МВт.

В США запускают программу по достижению мирового лидерства в сфере хранения энергии  (январь 2020)

Министерство энергетики США (DOE) объявило о запуске инициативы Energy Storage Grand Challenge, которую оно называет «комплексной программой, направленной на ускорение разработки, коммерциализации и использования технологий накопления энергии следующего поколения и поддержания американского глобального лидерства в накоплении энергии». Концепция, как объясняет DOE, заключается в том, чтобы к 2030 году обеспечить и удерживать мировое лидерство в области использования и экспорта накопителей энергии на основе надежной производственной цепочки поставок, независимой от иностранных источников критически важных материалов. Инициатива связана с тем , что на начало 2019 года 73% производства литий-ионных аккумуляторов в мире приходилось на Китай, а США находились на втором месте – 12%.

В штате ЮТА планируется создать самую крупную в мире сеть накопления и хранения энергии (июнь 2019)

Первую в мире аккумулирующую энергию сеть построит компания Systems совместно с Magnum Development в американском штате Юта. Ее мощность составит 1 ГВт, что позволит сохранить возобновляемую энергию) длительное время – нескольких сезонов. Таким образом может решиться давняя проблема – хранение излишней выработки энергии.

Проект Advanced Clean Energy Storage – это система аккумулирования энергии из возобновляемых источников. Предполагается, что получаемого объема энергии будет достаточно для того, чтобы обслуживать ежегодно 150 тыс. домохозяйств. В сети будут применяться несколько видов накопителей: инновационные технологии по хранению сжатого воздуха, аккумуляторы, имеющие высокую емкость, а также твердооксидные топливные элементы.

Новый проект в случае его успешной реализации снимет целый ряд проблем для региона – накопленная возобновляемая энергия сможет храниться в «законсервированном» виде нескольких сезонов, но когда в ней появится потребность, то она будет «расконсервирована».

Tesvolt строит в ФРГ крупнейшую в Европе гигафабрику накопителей (май 2019)

Немецкий разработчик систем хранения энергии Tesvolt начал строительство новой гигафабрики по производству систем хранения энергии на основе аккумуляторных батарей мощностью 1 ГВт в год в городе Лютерштадт-Виттенберг, Германия.

На площади, превышающей 20 тысяч квадратных метров будут в год собираться системы ёмкостью более одного гигаватт-часа. По оценке Tesvolt, мировой рынок стационарных накопителей энергии сегодня достиг 16 ГВт*ч.

Особенностью нового завода является полностью «СО2-нейтральное» производство». Завод будет на 100% обеспечиваться солнечной энергией, для чего будет установлена фотоэлектрическая станция мощностью 200 кВт. Избыток вырабатываемой солнечной энергии будет сохраняться в установленном на фабрике накопителе на 350 кВт*ч для дальнейшего использования. Отопление также будет работать на солнечной энергии. Здесь Tesvolt использует инновационную технологию высокотемпературных тепловых насосов.

Вы можете найти подробную информацию об оборудовании, с которым мы работаем,
в каталоге

Заказать звонок

Пожалуйста, укажите номер Вашего телефона