1. Литий-ионные батареи
В крупномасштабных энергосистемах очевидные преимущества имеет хранилище электроэнергии на базе электрохимических батарей. Изначально стоимость производства литий-ионных аккумуляторов для электромобилей превышала другие аналоги. Однако сегодня цена снизилась с 1000 долларов за киловатт-час до 100 долларов. Основные характеристики литий-ионных батарей — высокая плотность энергии и малый вес. Благодаря своим особенностям эти аккумуляторы подходят для электромобилей и другого электрифицированного транспорта. Согласно исследованиям, литий-ионные аккумуляторы на 85–90% эффективнее в возврате накопленной энергии по сравнению с другими батареями, а также способны практически мгновенно включаться в сеть. Таким образом, сохраняется бесперебойная работа электросети даже в периоды пикового спроса.
Для изготовления катодов литий-ионных аккумуляторов с наивысшей плотностью энергии используют компоненты на основе никеля с примесью кобальта. Такие дефицитные материалы отличаются дороговизной. Однако в литий-ионных батареях с низкой плотностью энергии применяются железо-фосфатные катоды. Благодаря составляющим компонентам такие аккумуляторы называются литий-железо-фосфатными (англ. lithium-iron-phosphate, LFP). Исходя из способа применения для резервирования большего количества энергии, катоды на основе никеля и кобальта подходят для электрифицированного транспорта, а батареи LFP — для стационарного хранения электроэнергии. Помимо этого, литий-ионные аккумуляторы обеспечивают до десяти лет беспрерывной работы в сети, что составляет от 2000 до 10 000 циклов зарядки и разрядки. Не все аккумуляторы настолько приспособлены для длительного хранения энергии в электросетях. По этой причине на сегодняшний день свыше 90% мирового рынка аккумуляторов составляют литий-ионные батареи.
2. Свинцово-кислотные аккумуляторы
Предшественники литий-ионных батарей в сфере хранения энергии в энергосистемах —свинцово-кислотные аккумуляторы. Эти батареи отличаются низкой стоимостью, а также легкостью переработки. Кроме этого, они изготовляются из дешевых распространенных материалов и способны работать без сложной системы управления аккумуляторными батареями (англ. Battery Management System, BMS), которая необходима литий-ионным аналогам. Однако свинцово-кислотные аккумуляторы не обошлись без недостатков, таких как низкая плотность энергии (четверть плотности литий-ионной батареи) и короткий срок службы. Несмотря на это, специалисты утверждают, что в помещениях с большой площадью плотность энергии не играет роль для стационарного размещения аккумулятора. Помимо этого, в настоящее время проводятся испытания для увеличения срока службы свинцово-кислотных батарей. Таким образом, эти аккумуляторы нашли применение в некоторых системах хранения энергии.
3. Цинк-гибридные аккумуляторы
В мире аккумуляторных технологий наблюдается тенденция к отказу от использования дорогостоящих и труднодоступных материалов. Вместо этого батареи производят из более распространенных на планете компонентов. Один из таких материалов — гибрид цинка.
Цинк-гибридная технология также способствует созданию доступной батареи для сетевых решений, поскольку цинк дешевле, чем материалы, используемые в литий-ионных аккумуляторах. В цинк-гибридных батареях пористый анод вызван массой частиц цинка, которые во время разряда насыщаются электролитом. Гидроксильные ионы образуются на катоде в результате кислородной реакции, а затем перемещаются в цинковую пасту с образованием цинката. Последний высвобождает электроны, которые направляются к катоду. Несмотря на упомянутые преимущества, эффективность цинк-гибридных батарей составляет в среднем от 65 до 70%, что значительно ниже, чем аналогичный показатель литиевых аккумуляторов.
4. Проточные редокс аккумуляторы
В отличие от литий-ионных аккумуляторов проточная батарея использует фундаментально другой принцип накопления энергии. Последняя хранит реактивные электролитические жидкости в двух отдельных контейнерах вместо одного. Батарея прокачивает жидкости через реакторный бак, содержащий набор инертных электродов, которые выделяют электроэнергию с помощью вывода электронов. Для удерживания растворов электролита в реакторе отдельно друг от друга используется ионообменная мембрана. Размер контейнеров с реактивной жидкостью определяет емкость проточной батареи независимо от уровня мощности, поскольку энергия накапливается прямо в электролите.
Главную роль играют материалы, которые используются для двух электролитических растворов. Они образовывают окислительно-восстановительное (редокс) соединение, где восстановление — это приток электронов, а окисление — их потеря. Сегодня распространенные варианты коммерчески доступных проточных батарей изготавливают из цинка и брома, а также из комбинации различных степеней окисления и восстановления ванадия в ванадиевой проточной батарее. Однако цена таких компонентов достаточно высокая.
КПД проточных батарей составляет от 60 до 85%. Таким образом, они могут бесперебойно работать в течение многих часов или даже дней, поскольку их емкость зависит только от размера резервуаров.
5. Система хранения водорода
Одно из применений избыточной электроэнергия от солнечных батарей или ветряных турбин — расщепления воды на водород и кислород в процессе электролиза. Поскольку газообразный водород сжимается и сохраняется, его пропускают через топливный элемент для соединения с кислородом из воздуха, образования водяного пара и высвобождения электронов обратно в электросеть. Таким образом, накопленная энергия аккумулируется для дальнейшего использования.
Однако эффективность хранения энергии водорода составляет только 25—45%. Такой низкий, по сравнению с литий-ионными и проточными батареями, показатель обусловлен дополнительной необходимостью потребления энергии при сжатии водорода, а также относительно невысокой эффективностью топливных элементов — 60%.
Помимо этого, в электродах водородных топливных элементов используется платина, которая является дорогостоящим драгоценным металлом. Несмотря на стоимость, системы хранения водорода все еще применяются в качестве основного и резервного электроснабжения для критически важных объектов, таких как телекоммуникационные ретрансляторы и центры обработки данных.
6. Тепловая система хранения энергии
Ранее для преобразования солнечной энергии в электричество использовались фотовольтаические панели. Однако сегодня для этого процесса используют нагрев тепловых материалов (например, камней), которые самостоятельно накапливают солнечную энергию. Материалы выбираются в соответствие их способности накапливать тепло или менять состояние для накопления энергии, как, например, расплав соли. Таким образом, для извлечения энергии из тепловой системы прокачивают воду, превращая ее в пар, который затем приводит в действие турбину генератора для выделения электроэнергии. Высокая эффективность тепловых систем (80–90%) позволяет накапливать большое количество энергии при помощи экологичного процесса.
7. Гидроаккумулирующая система хранения
На гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС) электричество, которое вырабатывается в периоды низко- или высокозатратной возобновляемой энергии, используется для перекачки воды в вышестоящий резервуар. Для выработки электроэнергии вода с помощью турбин переливается обратно в нижний бассейн. Сегодня ГАЭС используют как источники проточной воды, так и замкнутые системы из искусственных озер, которые предоставляет больше возможностей для размещения станций.
По сравнению с другими хранилищами энергии, стоимость содержания ГАЭС, а также аккумулирования здесь больших объемов энергии – значительно ниже. Помимо этого, за счет полного цикла насосная гидроэлектростанция на 80% энергоэффективнее для обеспечения бесперебойной генерации электроэнергии в течение часов или даже дней.
ГАЭС имеют определенные недостатки в виде долгосрочных инвестиций, а таже от 3 до 5 лет ожидания на выдачу разрешений и строительство объекта. Однако готовые системы прослужат в эксплуатации до 50 лет. По этой причине 96% мирового запаса энергии сегодня поступает из гидроаккумулирующих электростанций.
8. Сжатый воздух
Еще один распространенный способ накопления энергии – сжатие воздуха для закачивая его в герметичные подземные резервуары с последующим хранением. Для получения энергии воздух из подземного резервуара подается по трубопроводу обратно в помещение, где его нагревают для дальнейшего расширения. Таким образом, приводят в действие турбину, которая вращает электрогенератор. Природный газ, который используют для нагрева, выделяет углекислые парниковые газы и увеличивает стоимость процесса. Энергоэффективность этой системы достигает 70% благодаря сохранению тепла, выделяемого при сжатии воздуха. Однако без выделения тепла КПД составит от 42 до 55%.
В настоящее время действуют два хранилища сжатого воздуха. Первое предприятие построили в 1991 году в Макинтоше, штат Алабама. Здесь расположено хранилище мощностью 110 мегаватт-час (МВт-ч). Другое хранилище – в Гондорфе, Германия. В скором времени планируется открытие еще одной электростанции мощностью 317 МВт-ч в округе Андерсон, штат Техас.
9. Электромобили и концепция V2G
Владельцы электромобилей подтвердят, что большую часть времени их транспортные средства стоят на парковке, заряжаясь. В каждый электромобиль встроен литий-ионный аккумулятор значительного размера. Сегодня эти батареи нашли новое применений для хранения энергии по схеме подключения транспортных средств к электросети (vehicle-to-grid, V2G). Таким образом, дополнительная энергия, вырабатываемая возобновляемыми источниками, может передаваться и храниться в электромобилях. Однако если возникнет внезапная потребность в энергии для стабилизации сети в пиковые периоды, энергия из электромобилей отправится обратно в сеть.
Несмотря на перспективы, нашлись те, кто подвергает критике концепцию V2G. Дело в том, что количество циклов зарядки и разрядки литий-ионных аккумуляторов за полный срок службы ограничено. Этого числа достаточно для бытового использования, но добавление дополнительных циклов при перемещении электроэнергии в сеть и обратно сократит ожидаемый срок службы аккумулятора электромобиля. Владельцы экологичного транспорта столкутся с тем, что, проведя весь день на зарядке, их автомобиль не будет заряжен полностью при отдаче электроэнергии обратно в сеть. По этой причине концепция V2G требует доработок для выигрыша обеих сторон.
Хотите узнать больше про технологии ИБП, читайте наш блог на сайте