Preveč ur sem porabil za branje belih knjig in specifikacijshranjevanje energije. In tukaj sem ugotovil: celotna pokrajina je bolj neurejena in zanimiva, kot se sliši v večini člankov.
Vsi govorijo o baterijah. Pošteno-zdaj so povsod. Toda shranjevanje energije? To je veliko večji pogovor. Govorimo o vsem, od ogromnih rezervoarjev vode na vrhovih gora do vrtečih se kosov kovine v vakuumskih komorah. Nekatere od teh tehnologij obstajajo odkar so bili vaši pra-stari starši otroci. Drugi obstajajo večinoma v laboratorijih in PowerPointovih predstavitvah.
Naj vas popeljem skozi to, kar je dejansko tam zunaj.
Stari vlečni konj, o katerem nihče ne govori
Črpalna hidroelektrarna. Sliši se dolgočasno, kajne? Dva rezervoarja na različnih višinah, nekaj turbin, voda teče gor in dol. Preprosta fizika.
Toda tu je stvar-ta "dolgočasna" tehnologija upravlja približno 95 % vsega shranjevanja energije-v omrežju po vsem svetu. Petindevetdeset-odstotkov. Ko ljudje razpravljajo o kemiji baterij in se prepirajo o litiju proti natriju, črpana hidroelektrarna samo tiho opravlja svoje delo v ozadju.
Koncept je skoraj sramotno preprost. Ko je elektrika poceni (običajno ponoči ali ko pripeka sonce in se vrtijo sončni kolektorji), črpate vodo navzgor v rezervoar. Ko cene skokovito narastejo ali povpraševanje naraste, pustite, da voda steče nazaj skozi turbine. Učinkovitost se giblje okoli 70-85%, kar ni popolno, vendar je zmogljivost shranjevanja ogromna. Govorimo o napravah, ki lahko shranijo gigavat-ur energije. Ne megavatnih-ur. Gigavatne-ure. Poskusite to narediti z litij-ionskim.
Seveda obstaja ulov. Potrebujete geografijo. Potrebujete dva rezervoarja. Potrebujete pravo višinsko razliko. Tega v Kansasu ne moreš ravno zgraditi. Samo okoljsko dovoljenje traja leta. In vnaprejšnji stroški? Astronomski. Ko pa so te elektrarne zgrajene, delujejo 50, 60, včasih 80 let. Obrat okrožja Bath v Virginiji deluje od leta 1985 in ne kaže znakov, da bi se ustavil.
Stisnjen zrak: podzemni pristop
Shranjevanje energije s stisnjenim zrakom (CAES) je čuden bratranec črpane hidroelektrarne. Namesto da bi premikali vodo, stisnete zrak v podzemne jame-solne kupole, izčrpana polja zemeljskega plina, vodonosnike, katere koli geološke formacije, ki so na voljo.
V času izven-konice električni kompresorji potiskajo zrak v te podzemne prostore pod pritiskom, da bi vam zašikala ušesa že ob misli nanje. Ko potrebujete energijo, se stisnjen zrak sprosti, segreje (običajno z zemeljskim plinom, ki je ne-tako-zelen del) in teče skozi turbine.
Trenutno delujeta le dva komercialna obrata CAES. Dva. Enega v Nemčiji, ki deluje od leta 1978, drugega pa v Alabami od leta 1991. Tehnologija očitno deluje. Toda geološke zahteve so stroge, ekonomija pa na mnogih lokacijah ni začrtana. Kljub temu raziskovalci še naprej delajo na naprednih različicah-adiabatnih sistemov, ki zajemajo in ponovno uporabljajo toploto iz kompresije, s čimer odpravljajo potrebo po zemeljskem plinu. Ti za zdaj obstajajo večinoma v pilotnih projektih.
Vztrajniki: čista mehanska lepota
Priznam,-da so vztrajniki moji najljubši. Shranjevanje energije kot rotacijsko gibanje je nekaj elegantnega.
Sistem vztrajnika je v bistvu težak rotor, ki se vrti v vakuumski komori, obešen na magnetne ležaje za zmanjšanje trenja. Ko imate presežek električne energije, motorji vrtijo vztrajnik hitreje. Ko potrebujete moč nazaj, ta vrteča se masa poganja generator. Fizika je čista, intuitivna.
Vztrajniki blestijo v stvareh, ki jih baterije sovražijo: hitri cikli polnjenja-praznjenja, milijoni ciklov v njihovi življenjski dobi, trenutni odzivni časi, merjeni v milisekundah. So kot nalašč za regulacijo frekvence-tiste majhne, stalne prilagoditve, ki jih potrebuje omrežje, da ostane stabilno pri natančno 60 Hz (ali 50 Hz, odvisno od tega, kje živite).
V čem niso dobri? Shranjevanje energije za daljša obdobja. Tudi z najboljšimi magnetnimi ležaji in skoraj-popolnim vakuumom vztrajniki sčasoma izgubijo energijo zaradi trenja. Če pustite eno sedenje za en dan, boste izgubili precejšen del shranjene energije. Pustite en teden in se ne trudite.
Vztrajniki torej zasedajo posebno nišo: kratke-trajnosti,-močne aplikacije. Podatkovni centri jih uporabljajo kot premostitveno napajanje v nekaj sekundah, kolikor potrebujejo dizelski generatorji, da se zaženejo. Nekateri tranzitni sistemi obnovijo zavorno energijo v vztrajnike in jo v nekaj sekundah oddajo nazaj na tretji tir. NASA se je igrala z njimi za vesoljska plovila.
Baterije: kategorija, ki pravzaprav zanima vse
V redu, pogovoriva se o baterijah. Elektrokemične možnosti so v zadnjih letih eksplodirale in pošteno povedano postane zmedeno.
Litij{0}}ionprevladuje v pogovoru z dobrim razlogom. Visoka energijska gostota pomeni več prostora za shranjevanje v manj prostora. Dostojna življenjska doba, zlasti z novejšimi kemikalijami. Stroški so padli-kot 90 % od leta 2010 nekako strmo. Vaš telefon, prenosni računalnik, električna vozila in vedno bolj tudi omrežni pomnilnik delujejo na različicah litij-ionov.
Vendar "litij{0}}ionski" ni ena stvar. To je družina. Litijev železov fosfat (LFP) žrtvuje nekaj gostote energije za večjo varnost in daljšo življenjsko dobo-brez kobalta, kar je pomembno tako z etičnega kot tudi ekonomskega vidika. Kitajski proizvajalci so dali-vse na LFP, zdaj pa prevzema primat. Medtem pa nikelj-mangan-kobalt (NMC) vsebuje več energije na kilogram, kar je pomembno, ko poskušate električnemu avtomobilu zagotoviti spodoben doseg.
Temna stran litij{0}}iona? Toplotni beg. Te baterije se lahko na spektakularen način vnamejo, če so poškodovane, prenapolnjene ali preprosto nesrečne. Proizvodnja je energetsko-intenzivna. Dobavne verige za litij in kobalt imajo lastno etično prtljago. Medtem ko se infrastruktura za recikliranje izboljšuje, večina izrabljenih baterij še vedno konča na odlagališčih.
Pretočne baterijeubrati popolnoma drugačen pristop. Namesto shranjevanja energije v trdnih elektrodah uporabljajo tekoče elektrolite v zunanjih rezervoarjih. Želite večjo energijsko zmogljivost? Samo nabavite večje rezervoarje. Moč in energija sta ločeni, kar spremeni celotno filozofijo oblikovanja.
Vanadijeve redoks pretočne baterije (VRFB) so najbolj zrela različica. Trajajo praktično večno-govorimo o 15.000 do 20.000 ciklih, morda več. Brez poslabšanja zaradi globokega praznjenja. Elektrolit se ne obrabi; samo šviga sem in tja skozi nabor celic. Čez-petindvajset let lahko izpraznite elektrolit, ga pošljete drugam in ga uporabljate še naprej.
Toda pretočne baterije so zajetne. Nizka energijska gostota pomeni, da nimajo smisla za vozila ali prenosne aplikacije. Tudi vanadij ni poceni. Za-mrežno shranjevanje, kjer odtis ni pomemben, pomembna pa je dolgoživost? Vedno bolj so privlačni.
Svinčeva{0}}kislinaje originalna polnilna baterija, ki je v bistvu nespremenjena od leta 1859. Vaš avto se zažene z eno. So poceni, dobro-razumljivi in jih je mogoče 98 % reciklirati. Toda življenjska doba cikla je povprečna, gostota energije je slaba in težki so. Pri omrežnih aplikacijah so bili v veliki meri izpodrinjeni, vendar še vedno prevladujejo v sistemih za rezervno napajanje, kjer so stroški pomembnejši od vsega drugega.
Natrijev-ionje novinec deležen resne pozornosti. Natrij je povsod-dobesedno v morski vodi-, zato skrbi v dobavni verigi v bistvu izginejo. Proizvodni proces lahko ponovno uporabi obstoječo opremo tovarne litij-ionov. Zmogljivost še ni povsem na ravni litij{6}}ionov, vendar hitro zmanjšuje vrzel. CATL je začel množično proizvodnjo leta 2023. V petih letih bi lahko natrijev-ion pridobil resen tržni delež za stacionarno shranjevanje.
Moram omenitinikelj-kadmij(še vedno se uporablja v nekaterih industrijskih aplikacijah, čeprav je kadmij strupen in ga je EU omejila),nikelj-kovinski hidrid(se spomnite Priusa, preden je postal litij?) innatrij-žveplo(visokotemperaturni-sistemi, ki so jih japonska podjetja v letu 2000 močno pospeševala). Toda na tej točki naštevam stvari samo zato, da jih naštejem. Praktična realnost je, da se dogajajo litij-ionske in pretočne baterije, natrijev-ionski pa hitro prihajajo.
Toplotno shranjevanje: toplota kot baterija
Tukaj je kategorija, ki ne dobi dovolj pozornosti: shranjevanje energije kot toplote (ali mraza).
Skladiščenje staljene solitako ponoči delujejo koncentrirane sončne elektrarne. Ogledala usmerijo sončno svetlobo na stolp in segrejejo staljeno sol na 500-600 stopinj. Ta sol je shranjena v izoliranih rezervoarjih in ko potrebujete elektriko, jo uporabite za proizvodnjo pare in zagon turbine. Tovarna Gemasolar v Španiji lahko proizvaja elektriko še 15 ur po sončnem zahodu. Crescent Dunes v Nevadi zadrži dovolj toplote za 10 ur proizvodnje.
Kul pri staljeni soli je, da je shranjevanje toplote poceni. Precej ceneje na kWh kot baterije. Ni{2}}kul stvar je-učinkovitost povratnega potovanja-, ki jo veliko izgubite pri pretvorbi toplote v elektriko in nazaj.
Shranjevanje leduje toplotni ekvivalent časovnega-premika. Poslovne stavbe zamrznejo vodo čez noč, ko so cene električne energije nizke, nato pa ta led uporabijo za zagotavljanje klimatske naprave v konicah popoldanskih ur. Ni glamurozno, a deluje. Uporablja ga Disney World. Uporabljajo ga številne poslovne stavbe v vročem podnebju. V bistvu uporabljate led kot baterijo za hlajenje.
Obstajajo tudi novejši koncepti:Carnotove baterijeki shranjujejo električno energijo kot toploto in jo pretvarjajo nazaj s toplotnimi motorji, hranilniki tople vode, ki časovno{0}}prestavljajo električno ogrevanje, sezonsko shranjevanje toplote za celotne soseske. Termalno vesolje je presenetljivo globoko.
Vodik: nadomestni znak
Shranjevanje vodikove energije ima strastne zagovornike in ostre kritike, in iskreno povedano, oboje ima veljavne točke.
Privlačnost je preprosta: uporabite presežek obnovljive električne energije za razdelitev vode na vodik in kisik (elektroliza). Shranite vodik. Ko potrebujete energijo, jo napeljite skozi gorivne celice ali zakurite v turbini. Vodik lahko shrani ogromne količine energije za zelo dolga obdobja-tedne, mesece, celo letne čase.
Kritika je prav tako preprosta: povratna-učinkovitost je grozna. Pri elektrolizi izgubite 30 %. Več izgubite pri stiskanju ali utekočinjenju. Več izgubite pri pretvorbi nazaj v elektriko. Od-do-konca boste morda dobili nazaj 30-40 % svoje prvotne energije. Primerjajte to s 85-90 % za litij-ionsko.
Kdaj je torej vodik smiseln? Ko morate shraniti resnično ogromne količine energije za daljša obdobja. Ko razogljičite industrijske procese, ki potrebujejo visoko temperaturo. Ko potrebujete nosilec energije, ki ga je mogoče prevažati na dolge razdalje. Ko druge možnosti dobesedno ne zmorejo dela.
Nemčija je močno stavila na vodik. Tudi Japonska. Avstralija gradi izvozno infrastrukturo za pošiljanje zelenega vodika v Azijo. Ali se bo stava izplačala, je odvisno od tega, da se stroški znižujejo hitreje, kot se izboljšujejo baterije-in baterije se izboljšujejo hitro.
Izjemno-kratka-stvar
Superkondenzatorjienergijo shranjujejo elektrostatično in ne elektrokemično. Lahko se napolnijo in izpraznijo skoraj v trenutku, prenesejo milijone ciklov in zagotavljajo smešno gostoto moči. Česar ne zmorejo, je, da shranijo veliko energije. Baterija superkondenzatorjev velikosti ladijskega zabojnika bi lahko shranila tisto, kar vsebuje baterijski paket velikosti kovčka.
Njihova najljubša točka so ultra-kratki izbruhi: regenerativno zaviranje v tranzitnih sistemih, gladka dobava energije v napravah z obnovljivimi viri energije, zagotavljanje tiste delčke{1}}sekunde energije, ki jo UPS potrebuje, preden prevzamejo baterije.
Superprevodno magnetno shranjevanje energije(SMES) je še bolj eksotična. Shranjujte energijo v magnetnem polju, ki ga ustvarjajo superprevodne tuljave, ohlajene na kriogene temperature. Skoraj-trenutna odzivnost, brez poslabšanja, v bistvu neskončna življenjska doba. Toda stroški in zapletenost vzdrževanja superprevodnih temperatur so SMES ohranili v nišnih aplikacijah-večinoma kakovost električne energije za tovarne polprevodnikov in druge objekte, kjer celo trenutni padci napetosti stanejo milijone.
Gravitacijsko shranjevanje: Nova stara ideja
Še eno kategorijo, ki jo je vredno omeniti: gravitacijski-sistemi, ki niso črpani hidroelektrarni.
Energijski trezorizdeluje žerjavne sisteme, ki zlagajo in razlagajo masivne betonske bloke. Dvignite bloke, ko je energija poceni, spustite jih skozi generatorje, ko potrebujete energijo. V bistvu črpa hidroelektrarne brez vode.
Druga podjetja raziskujejo zapuščene rudnike-spustite uteži v jašek in jih dvignite nazaj. Ali namensko{2}}zgrajeni stolpi. Ali celo koncepte, ki vključujejo motorne vagone, naložene s kamenjem na nagnjenih tirnicah.
Žirija še vedno ne ve, ali so lahko ekonomsko konkurenčni. Gostota energije gravitacijskega shranjevanja je sama po sebi nizka-za shranjevanje pomembne energije potrebujete veliko mase in višine. Toda zagovorniki trdijo, da bi uporaba poceni materialov (beton, gramoz) in preproste mehanike lahko premagala cene baterij za dolgo{3}}trajne aplikacije.
Kaj je torej pravzaprav pomembno?
Če ste prebrali tako daleč, se morda sprašujete: katera tehnologija zmaga?
Napačno vprašanje.
Shranjevanje energije ni zmagovalec-zavzem-vsega trga. Različne tehnologije ustrezajo različnim nišam glede na trajanje, odzivni čas, lokacijo, strukturo stroškov in uporabo.
Potrebujete regulacijo frekvence v milisekundah? Vztrajniki ali baterije. Potrebujete štiri ure podpore za sončno elektrarno? Litij-ionske ali pretočne baterije. Ali morate preusmeriti sezonski presežek iz obnovljivih virov? Verjetno vodik ali črpalna hidroelektrarna, če geografija dopušča. Potrebujete hlajenje zgradbe med največjim povpraševanjem? Shranjevanje ledu.
Mreža prihodnosti ne bo delovala na eni sami tehnologiji shranjevanja. Združil bo več tehnologij,-superkondenzatorje za takojšen odziv, baterije za minute do ure, črpalko za hidro za vsakodnevno kroženje, vodik ali toploto za daljše trajanje. Vsaka reža v spektru trajanja bo verjetno zapolnjena s katero koli tehnologijo, ki ponuja najboljšo ekonomičnost za to specifično aplikacijo.
Razburljivo je, da stroški padajo v skoraj vseh teh kategorijah. Stroški litij-ionskih baterij so padli. Elektrolizerji sledijo podobni krivulji učenja. Proizvodnja pretočnih baterij se povečuje. Celo črpalna elektrarna je deležna inovacij s sistemi zaprte-zanke in podzemnimi zbiralniki.
Pred desetimi leti se nič od tega v velikem obsegu ni zdelo ekonomsko upravičeno. Zdaj? Shranjevanje je najhitreje-rastoči segment energetskega sektorja.