Быстрое глобальное внедрение солнечной и ветровой энергии является краеугольным камнем перехода к чистой энергетике. Однако эти источники по своей природе изменчивы и непостоянны. Солнце садится и ветер стихает, создавая фундаментальное несоответствие между производством энергии и спросом. Хотя системы хранения энергии на литий-ионных батареях (BESS) превосходно обеспечивают электроэнергию в течение нескольких часов, сглаживая краткосрочные колебания и обеспечивая регулирование частоты, они менее экономически выгодны для хранения энергии в течение дней, недель или целых сезонов. Именно здесь на помощь приходят технологии длительного хранения энергии (LDES) , выступающие в качестве важнейшего «страхового полиса» для декарбонизированной сети.
Эта статья погружается в мир LDES, объясняет, почему это важно, исследует ведущих конкурентов в области технологий, помимо литий-ионных, и исследует глобальные усилия, направленные на то, чтобы сделать эти решения коммерчески жизнеспособными.
Почему нам нужно больше, чем просто литий-ионный аккумулятор: императив LDES
Литий-ионные аккумуляторы произвели революцию в области кратковременного хранения энергии, но их роль имеет пределы. Проблема интеграции возобновляемых источников энергии заключается не только в управлении ежедневными пиками и спадами; это преодоление более длительных периодов низкой генерации, известных как «dunkelflaute» (темное упадок сил) на немецком языке, которые могут длиться несколько дней. Более того, поскольку пиковые электростанции, работающие на ископаемом топливе, постепенно выводятся из эксплуатации, энергосистеме необходима чистая, управляемая энергия, которая может быть задействована во время длительных пиков спроса или дефицита генерации.
Долговременное хранение определяется как любая технология, которая может разряжать электроэнергию в течение 10 и более часов . Его основные ценностные предложения:
Сезонный арбитраж: хранение избыточной летней солнечной энергии для использования зимой.
Многодневное резервное копирование: обеспечение электроэнергией во время длительных перебоев в выработке электроэнергии, связанных с погодными условиями.
Устойчивость энергосистемы: повышение стабильности системы и замена необходимости в резервных мощностях на основе ископаемого топлива.
Укрепление производства возобновляемой энергии: заставить ветряные и солнечные электростанции вести себя как предсказуемые, «надежные» электростанции.
Признавая эту необходимость, такие организации, как Министерство энергетики США, запустили такие инициативы, как «Long-Duration Storage Shot», направленные на снижение стоимости систем, обеспечивающих более 10 часов хранения, на 90% в течение десятилетия.
За пределами батареи: многообещающие технологии длительного хранения данных
В то время как литий-ионные технологии доминируют на текущем рынке в течение более коротких периодов времени, за корону LDES борются несколько других технологий, каждая из которых имеет уникальные преимущества в стоимости, продолжительности и масштабируемости.
1. Проточные батареи: масштабируемое электрохимическое решение
Проточные батареи, особенно ванадиевые окислительно-восстановительные проточные батареи (VRFB) , хранят энергию в жидких электролитах, содержащихся во внешних резервуарах. Мощность (кВт) и энергия (кВтч) разделены; чтобы увеличить продолжительность хранения, вы просто добавляете больше электролита. Это делает их по своей сути масштабируемыми в течение длительного времени.
Преимущества: очень длительный срок службы (более 20 лет), способность к глубокому разряду без деградации, высокая безопасность (негорючие электролиты) и отличная продолжительность работы от 4 до более 12 часов.
Прогресс: Компании снижают затраты за счет таких инноваций, как современные мембранные материалы. Например, прорыв в области перфторированных ионообменных мембран помог значительно снизить стоимость системы. Крупномасштабные пилотные проекты, такие как система мощностью 100 МВт/400 МВтч в Даляне, Китай, демонстрируют свою жизнеспособность для приложений в масштабе сети.
2. Хранение энергии в сжатом воздухе (CAES): использование геологии
CAES использует избыточное электричество для сжатия воздуха и хранения его под землей в геологических образованиях, таких как соляные пещеры. Когда необходима энергия, сжатый воздух выпускается, нагревается и расширяется через турбину для выработки электроэнергии.
Преимущества: Может обеспечить очень длительное хранение (от нескольких дней до недель) в больших масштабах (более 100 МВт). Он использует существующий геологический опыт и имеет длительный срок эксплуатации.
Прогресс: Усовершенствованные адиабатические системы CAES, которые улавливают и повторно используют тепло, выделяемое при сжатии, повышают эффективность обратного хода. Китай добился значительных успехов: исследовательские институты разрабатывают системы мощностью от 1 до 300 МВт.
3. Хранение тепловой энергии: сохранение тепла для получения электроэнергии или прямого использования.
Эта технология улавливает тепловую энергию для последующего использования либо для прямого нагрева/охлаждения, либо для регенерации электроэнергии. Ярким примером является проект батареи «Амадеус» из Испании, в котором используется сплав на основе кремния для сохранения тепла при чрезвычайно высоких температурах (более 1000°C).
Преимущества: Можно использовать многочисленные недорогие материалы, такие как расплавленные соли или кремниевый песок. Очень высокая плотность энергии возможна при высоких температурах. Идеально подходит для совместного размещения с электростанциями концентрированной солнечной энергии (CSP) или промышленными тепловыми установками.
Прогресс: Хранилище расплавленной соли уже является коммерческим объектом CSP. Новые высокотемпературные твердотельные системы, такие как концепция на основе кремния, обещают еще более высокую эффективность и более низкие затраты на материалы — кварцевый песок стоит лишь часть солей, используемых традиционно.
4. Водород и другие химические носители.
«Power-to-X» предполагает использование электричества для производства водорода посредством электролиза. Затем водород можно будет хранить в течение длительного времени и использовать в топливных элементах для выработки электроэнергии, смешивать с трубопроводами природного газа или использовать в качестве сырья для промышленности.
Преимущества: Неограниченный срок хранения (сезонный), возможность использования существующей газовой инфраструктуры для транспортировки и универсальное конечное использование, помимо производства электроэнергии.
Прогресс: Хотя эффективность хранения водорода и топливных элементов в обоих направлениях ниже, чем у других вариантов, он рассматривается как важнейший инструмент глубокой декарбонизации секторов, которые трудно электрифицировать. Компании интегрируют передовые системы управления для оптимизации процесса электролиза для балансировки сети.
Путь вперед: инновации и политика
Развитие LDES — это не только технологическая задача, но также экономическая и нормативная. Правительства активно поддерживают эту экосистему. Китайский «14-й пятилетний план» по созданию новых систем хранения энергии прямо призывает к пилотной демонстрации технологий сжатого воздуха, проточных батарей и высокоэффективных технологий хранения тепла.
Будущая сеть, скорее всего, будет иметь гибридную архитектуру хранения данных . Литий-ионные батареи будут обеспечивать регулирование частоты и кратковременное сглаживание пиков, в то время как проточные батареи , CAES и тепловые аккумуляторы обеспечат перераспределение объемной энергии от нескольких часов до нескольких дней, необходимое для действительно устойчивой, 100% возобновляемой системы.
Заключение: создание фундамента для возобновляемого будущего
Переход к чистой энергетической сети не остановить, но его стабильность и надежность зависят от нашей способности хранить энергию в течение длительного периода времени. Технологии долговременного хранения энергии переходят от пилотных проектов к раннему коммерческому внедрению, чему способствуют четкие политические сигналы и неустанные инновации. Инвестируя и внедряя эти разнообразные решения, мы можем построить энергетическую систему, которая будет не только зеленой, но и такой же надежной, как та, что мы имеем сегодня, и, наконец, раскроем весь потенциал ветровой и солнечной энергии.
Рассматривая будущее энергетической инфраструктуры, ключевым моментом является понимание роли различной продолжительности хранения. Узнайте больше о том, как Аккумуляторные системы хранения энергии (BESS) обеспечивают быстродействующую основу для современных сетей в нашем соответствующем руководстве.
«Хотя он отлично подходит для краткосрочных нужд, экономика Литий-ионные аккумуляторы для домашнего хранения отличаются при рассмотрении многодневного резервного питания».
