Обзор коммерческих накопителей энергии

Возобновляемая энергия является неотъемлемой частью долгосрочного плана по углеродной нейтральности. Несмотря на контролируемый ядерный синтез, добычу полезных ископаемых в космосе и крупномасштабное освоение гидроэнергетических ресурсов, которые не имеют коммерческого направления в краткосрочной перспективе, ветровая и солнечная энергия в настоящее время являются наиболее перспективными возобновляемыми источниками энергии. Тем не менее, они ограничены ветровыми и световыми ресурсами. Хранение энергии станет важной частью использования энергии в будущем. Эта статья и последующие статьи будут включать крупномасштабные коммерческие технологии хранения энергии, в основном с акцентом на случаи реализации.

В последние годы быстрое строительство систем хранения энергии сделало некоторые прошлые данные бесполезными, например, «накопление энергии на сжатом воздухе заняло второе место с общей установленной мощностью 440 МВт, а натрий-серные батареи заняли третье место с общей шкалой мощности. из 440 МВт. 316 МВт» и т. д. Кроме того, новость о том, что Huawei подписала «крупнейший» в мире проект по хранению энергии на 1300 МВтч, ошеломляет. Однако, по имеющимся данным, 1300 МВтч — не самый значимый проект по хранению энергии в мире. Центральный крупнейший проект по хранению энергии относится к гидроаккумулирующим системам. Для технологий хранения физической энергии, таких как накопление энергии солей, в случае электрохимического хранения энергии 1300 МВтч не являются самым значительным проектом (это также может быть вопросом статистического калибра). Текущая мощность Центра хранения энергии Moss Landing достигла 1600 МВтч (в том числе 1200 МВтч на второй фазе, 400 МВтч на второй фазе). Тем не менее, выступление Huawei привлекло внимание к индустрии хранения энергии.

В настоящее время коммерциализированные и потенциальные технологии хранения энергии можно разделить на хранение механической энергии, накопление тепловой энергии, хранение электрической энергии, хранение химической энергии и накопление электрохимической энергии. Физика и химия, по сути, одно и то же, поэтому давайте пока классифицируем их в соответствии с мышлением наших предшественников.

1. Аккумулятор механической энергии / аккумулирование тепла и аккумулирование холода

Насосное хранилище:

Есть два верхних и нижних резервуара, перекачивающих воду в верхний резервуар во время накопления энергии и отводящих воду в нижний резервуар во время выработки электроэнергии. Технология зрелая. К концу 2020 года глобальная установленная мощность гидроаккумулирующих мощностей составила 159 млн киловатт, что составляет 94% от общей мощности аккумулирования энергии. В настоящее время моя страна ввела в эксплуатацию в общей сложности 32.49 миллиона киловатт гидроаккумулирующих электростанций; полная мощность строящихся гидроаккумулирующих электростанций составляет 55.13 млн киловатт. По масштабам как построенных, так и строящихся объектов занимает первое место в мире. Установленная мощность аккумулирующей электростанции может достигать тысяч МВт, годовая выработка электроэнергии может достигать нескольких миллиардов кВтч, а скорость пуска в обесточенном состоянии может составлять порядка нескольких минут. В настоящее время крупнейшая в Китае аккумулирующая электростанция Хэбэй Фэннинг имеет установленную мощность 3.6 млн киловатт и годовую мощность производства электроэнергии 6.6 млрд кВтч (которая может поглощать 8.8 млрд кВтч избыточной мощности, с КПД около 75%). Время черного старта 3-5 минут. Хотя обычно считается, что гидроаккумуляторы имеют недостатки, связанные с ограниченным выбором площадки, длительным инвестиционным циклом и значительными инвестициями, они по-прежнему являются наиболее зрелой технологией, самой безопасной операцией и самым дешевым средством хранения энергии. Национальное управление энергетики опубликовало Среднесрочный и долгосрочный план развития гидроаккумулирующих станций (2021-2035 гг.).

К 2025 г. общий объем производства гидроаккумулирующих мощностей составит более 62 млн киловатт; к 2030 г. полный масштаб производства составит около 120 млн киловатт; к 2035 г. будет сформирована современная гидроаккумулирующая отрасль, отвечающая потребностям масштабного и масштабного развития новой энергетики.

Хэбэйская гидроаккумулирующая электростанция Fengning - нижний резервуар

Аккумулятор энергии сжатого воздуха:

Когда электрическая нагрузка низкая, воздух сжимается и запасается электричеством (обычно содержится в подземных соляных пещерах, естественных пещерах и т. д.). Когда потребление электроэнергии достигает пика, воздух под высоким давлением высвобождается, чтобы заставить генератор вырабатывать электроэнергию.

накопитель сжатого воздуха

Хранение энергии на сжатом воздухе обычно считается второй наиболее подходящей технологией для крупномасштабного хранения энергии в масштабе ГВт после гидроаккумулирования. Тем не менее, он ограничен более строгими условиями выбора площадки, высокими инвестиционными затратами и эффективностью хранения энергии, чем гидроаккумуляторы. Низкий, коммерческий прогресс хранения энергии сжатого воздуха идет медленно. До сентября этого года (2021 г.) первый крупномасштабный проект по хранению энергии на сжатом воздухе в моей стране — Национальный демонстрационный проект по хранению энергии на сжатом воздухе в соляной пещере Цзянсу Цзиньтань — только что был подключен к сети. Установленная мощность первой фазы проекта составляет 60 МВт, а эффективность преобразования энергии составляет около 60%; масштабы долгосрочного строительства проекта достигнут 1000 МВт. В октябре 2021 года первая усовершенствованная система накопления энергии на сжатом воздухе мощностью 10 МВт, независимо разработанная моей страной, была подключена к сети в Бицзе, провинция Гуйчжоу. Можно сказать, что коммерческая дорога компактных накопителей энергии воздуха только началась, но будущее многообещающее.

Проект хранения энергии сжатого воздуха Jintan.

Аккумулятор расплавленной соли:

Аккумулирование энергии расплавленной соли, обычно в сочетании с выработкой солнечной тепловой энергии, концентрирует солнечный свет и сохраняет тепло в расплавленной соли. При выработке электроэнергии тепло расплавленных солей используется для выработки электроэнергии, и большинство из них вырабатывают пар для приведения в действие турбогенератора.

накопитель тепла расплавленной соли

Они кричали: «Высокотехнологичная солнечная тепловая электростанция с башней с расплавленной солью мощностью 100 МВт в крупнейшей в Китае солнечной тепловой электростанции». Начато строительство проекта Delingha CSP мощностью 135 МВт с большей установленной мощностью. Время накопления энергии может достигать 11 часов. Общий объем инвестиций в проект составляет 3.126 млрд юаней. Его планируется официально подключить к сети до 30 сентября 2022 года, и он сможет вырабатывать около 435 млн кВтч электроэнергии ежегодно.

Станция CSP Дуньхуан

Технологии хранения физической энергии включают хранение энергии маховика, хранение энергии в холодном состоянии и т. д.

2. Аккумулирование электроэнергии:

Суперконденсатор: ограниченный низкой плотностью энергии (см. ниже) и серьезным саморазрядом, в настоящее время он используется только в небольшом диапазоне рекуперации энергии транспортных средств, мгновенного сглаживания пиков и заполнения впадин. Типичным применением является глубоководный порт Яншань в Шанхае, где 23 крана существенно влияют на энергосистему. Чтобы уменьшить воздействие кранов на энергосистему, в качестве резервного источника установлена ​​суперконденсаторная система накопления энергии мощностью 3 МВт/17.2 кВтч, которая может непрерывно обеспечивать подачу электроэнергии в течение 20 с.

Сверхпроводящий накопитель энергии: опущен

3. Электрохимический накопитель энергии:

В этой статье коммерческие электрохимические накопители энергии классифицируются по следующим категориям:

Свинцово-кислотные, свинцово-угольные батареи

проточная батарея

Металло-ионные аккумуляторы, в том числе литий-ионные аккумуляторы, натрий-ионные аккумуляторы и т. д.

Перезаряжаемые металл-серные/кислородные/воздушные батареи

другие

Свинцово-кислотные и свинцово-угольные аккумуляторы: как зрелая технология накопления энергии, свинцово-кислотные аккумуляторы широко используются при запуске автомобилей, резервном источнике питания для электростанций базовых станций связи и т. Д. После отрицательного электрода Pb свинцово-кислотного аккумулятора легирован углеродными материалами, свинцово-углеродная батарея может эффективно решить проблему переразряда. Согласно годовому отчету Tianneng за 2020 год, реализованный компанией проект State Grid Zhicheng (подстанция Jinling) мощностью 12 МВт/48 МВт·ч на свинцово-углеродном накопителе является первой сверхкрупной свинцово-углеродной электростанцией в провинции Чжэцзян и даже во всей стране.

Проточная батарея: Проточная батарея обычно состоит из жидкости, хранящейся в контейнере, протекающей через электроды. Зарядка и разрядка осуществляются через ионообменную мембрану; см. рисунок ниже.

Схема проточной батареи

Что касается более репрезентативной полностью ванадиевой проточной батареи, проект Guodian Longyuan, 5 МВт / 10 МВтч, завершенный Даляньским институтом химической физики и Dalian Rongke Energy Storage, был самой обширной системой хранения энергии полностью ванадиевой батареи в мире. мир в то время, который в настоящее время находится в стадии строительства. Крупномасштабная система накопления энергии с полностью ванадиевой окислительно-восстановительной батареей достигает 200 МВт / 800 МВтч.

Металл-ионная батарея: самая быстрорастущая и наиболее широко используемая технология электрохимического накопления энергии. Среди них литий-ионные батареи обычно используются в бытовой электронике, силовых батареях и других областях, и их применение для хранения энергии также растет. Включая предыдущие строящиеся проекты Huawei, в которых используются накопители энергии с литий-ионными батареями, крупнейшим проектом хранения энергии с литий-ионными батареями, построенным на сегодняшний день, является станция накопления энергии Moss Landing, состоящая из Фазы I мощностью 300 МВт/1200 МВтч и Фазы II 100 МВт/400 МВтч. всего 400 МВт/1600 МВтч.

Литий-ионный аккумулятор

Из-за ограничения производственных мощностей и стоимости лития замена ионов натрия с относительно низкой плотностью энергии, но ожидается, что обильные запасы снизят цену, стала путем развития литий-ионных батарей. Его принцип и исходные материалы аналогичны литий-ионным батареям, но он еще не получил промышленного производства в больших масштабах. , система накопления энергии с натрий-ионными батареями, введенная в эксплуатацию, в существующих отчетах имеет масштаб только 1 МВтч.

Алюминий-ионные аккумуляторы обладают высокой теоретической емкостью и большими резервами. Это также направление исследований по замене литий-ионных аккумуляторов, но четкого пути коммерциализации нет. Недавно ставшая популярной индийская компания объявила, что в следующем году коммерциализирует производство алюминий-ионных аккумуляторов и построит энергоаккумулятор мощностью 10 МВт. Давайте подождем и посмотрим.

ждать и смотреть

Аккумуляторы металл-сера/кислород/воздух: в том числе литий-сера, литий-кислород/воздух, натрий-сера, перезаряжаемые алюминий-воздух и т. д., с более высокой плотностью энергии, чем ионные батареи. Текущий представитель коммерциализации – натрий-серные аккумуляторы. В настоящее время NGK является ведущим поставщиком аккумуляторных систем натрий-сера. Огромный масштаб, который был введен в эксплуатацию, - это система накопления энергии натрий-серных батарей мощностью 108 МВт / 648 МВтч в Объединенных Арабских Эмиратах.

4. Хранение химической энергии. Несколько десятилетий назад Шредингер писал, что жизнь зависит от приобретения отрицательной энтропии. Но если вы не полагаетесь на внешнюю энергию, энтропия будет увеличиваться, поэтому жизнь должна обрести силу. Жизнь находит свой путь, и для накопления энергии растения преобразуют солнечную энергию в химическую энергию органических веществ посредством фотосинтеза. Хранение химической энергии было естественным выбором с самого начала. Химическое хранение энергии было надежным методом хранения энергии для людей с тех пор, как оно превратило вольты в электрические батареи. Тем не менее, коммерческое использование крупномасштабных накопителей энергии только началось.

Хранение водорода, метанол и т. д.: водородная энергетика обладает выдающимися преимуществами высокой плотности энергии, чистоты и защиты окружающей среды и широко считается идеальным источником энергии в будущем. Маршрут производства водорода → хранение водорода → топливный элемент уже на подходе. В настоящее время в моей стране построено более 100 водородных заправочных станций, которые входят в число лучших в мире, включая крупнейшую в мире водородную заправочную станцию ​​в Пекине. Однако из-за ограничений технологии хранения водорода и риска взрыва водорода непрямое хранение водорода, представленное метанолом, также может быть важным путем для получения энергии в будущем, например, технология «жидкого солнечного света», разработанная командой Ли Цаня из Даляньского института. химии Китайской академии наук.

Металло-воздушные первичные батареи: представлены алюминиево-воздушными батареями с высокой теоретической плотностью энергии, но прогресс в коммерциализации незначителен. Упомянутая во многих отчетах представительная компания Phinergy использовала алюминиево-воздушные аккумуляторы для своих автомобилей. На тысячу миль ведущим решением в области хранения энергии являются перезаряжаемые цинково-воздушные батареи.