1. Обзор
Технологии хранения энергии можно условно разделить на физические и химические. К физическим относятся такие технологии, как гидроаккумулирующие электростанции, системы хранения сжатого воздуха, маховиковые накопители, гравитационные накопители и накопители с фазовым переходом. К химическим накопителям относятся литий-ионные батареи, проточные батареи, натрий-ионные батареи и технологии хранения водорода (аммиака).
К новым технологиям хранения энергии относятся те, которые в основном вырабатывают электроэнергию, за исключением гидроаккумулирующих электростанций. По сравнению с гидроаккумулирующими электростанциями, новые технологии хранения энергии предлагают гибкие возможности размещения, короткие сроки строительства, быстрое реагирование и разнообразные функциональные характеристики.
Новые технологии хранения энергии широко применяются в различных секторах энергосистемы, коренным образом изменяя эксплуатационные характеристики традиционных энергосистем. Они стали незаменимыми средствами для безопасной, стабильной и экономичной работы энергосистем.
2. Накопление механической энергии
К основным типам механического хранения энергии относятся системы хранения энергии на основе сжатого воздуха и системы хранения энергии на основе маховиков.
Системы хранения энергии на основе сжатого воздуха (CAES): CAES использует избыточную электроэнергию в периоды низкого спроса для сжатия воздуха, который затем хранится и высвобождается в периоды пикового спроса для выработки электроэнергии путем привода газовой турбины. CAES подходит для крупномасштабных применений, таких как ветровые электростанции, благодаря своей способности сглаживать пиковые нагрузки, но требует определенных географических условий.
Накопители энергии с маховиком: Этот метод использует электрическую энергию для ускорения ротора, помещенного в вакуум, преобразуя электрическую энергию в кинетическую для хранения. Накопители энергии с маховиком характеризуются коротким временем разряда и меньшей емкостью, что делает их идеальными для таких применений, как источники бесперебойного питания (ИБП) и регулирование частоты. Однако их плотность энергии относительно низка, поддерживая мощность лишь в течение нескольких секунд или минут.
3. Электрохимическое накопление энергии
Электрохимическое хранение энергии — это перспективная область, включающая в себя различные типы батарей:
Литий-ионные батареи: наиболее зрелая и широко используемая электрохимическая технология хранения энергии, в настоящее время находящаяся в крупномасштабном производстве, демонстрирующая самые высокие темпы роста и наибольшую долю рынка.
Свинцово-кислотные батареи: электроды этих батарей изготовлены преимущественно из свинца и его оксидов, а электролит — из серной кислоты. Это зрелая технология со стабильной производительностью, но она имеет недостатки, такие как длительное время зарядки, высокий уровень загрязнения окружающей среды и короткий срок службы.
Проточные батареи: Находясь пока на стадии демонстрационного применения, проточные батареи можно классифицировать по типу электролита на ванадиевые редокс-проточные батареи, цинково-железные проточные батареи, цинково-бромные проточные батареи и железо-хромовые проточные батареи. Ванадиевые редокс-проточные батареи наиболее коммерциализированы, в то время как другие еще находятся на стадии ускоренного внедрения в промышленность.
Натрий-ионные батареи: В этих батареях для зарядки и разрядки используется интеркаляция и деинтеркаляция ионов натрия между анодом и катодом. Технология натрий-ионных батарей все еще находится на стадии экспериментальной разработки, проводятся дальнейшие исследования и испытания.
4. Накопление электромагнитной энергии
К электромагнитным накопителям энергии относятся сверхпроводящие магнитные накопители энергии (SMES) и суперконденсаторы, подходящие для применений, требующих быстрого разряда и высокой мощности.
Сверхпроводящие магнитные накопители энергии (SMES): хранят электрическую энергию в магнитном поле, обеспечивая быструю зарядку/разрядку и высокую плотность мощности. Несмотря на наличие коммерческих низкотемпературных и высокотемпературных SMES-продуктов, их применение в энергосетях остается ограниченным из-за высокой стоимости и сложности обслуживания сверхпроводящих материалов, что удерживает их на экспериментальной стадии.
Суперконденсаторы: накапливают электрическую энергию, используя электростатические принципы, при этом диэлектрический материал обладает низкой устойчивостью к напряжению. Поэтому суперконденсаторы имеют ограниченную емкость хранения энергии, низкую плотность энергии и высокие инвестиционные затраты.
5. Накопление химической энергии
В основном, речь идет о технологиях хранения химической энергии, в частности водорода. Эти технологии преобразуют избыток или нестабильную электроэнергию в водород посредством электролиза для хранения, который при необходимости может быть преобразован обратно в электрическую энергию с помощью топливных элементов или других устройств генерации.
Согласно исследованию «Пути развития станций сглаживания пиковых нагрузок с использованием водородных накопителей энергии», проведенному компанией Polaris, текущая эффективность выработки электроэнергии системами на основе водородных топливных элементов составляет около 45%. С учетом потерь энергии при электролизе воды, общая эффективность системы выработки электроэнергии с использованием водородных накопителей энергии составляет приблизительно 35%. Повышение эффективности преобразования энергии является критически важной задачей, и крупномасштабное промышленное развитие систем хранения водородной энергии требует значительного времени.
