Накопление энергии — аккумуляция энергии для её использования в дальнейшем.
Накопители энергии делятся на три основные видаНАКОПИ́ТЕЛЬ ЭНЕ́РГИИ // Большая российская энциклопедия: накопители электроэнергии (электрические аккумуляторы, системы накопления электрической энергии, ёмкостные и индуктивные накопители); накопители механической энергии (статической и динамической); накопители тепловой энергии (с фазовым переходом и без него). Типичным примером устройства накопления энергии является аккумуляторная батарея, в которой хранится химическая энергия, легко преобразуемая в электричество.
Бурное развитие возобновляемых источников энергии — таких, как солнечная генерация и генерация ветровыми электростанциями, зависящими от климатических условий и погоды, привело к резкому увеличению потребности в накоплении энергии в 2020х годах.
Виды накопления энергии Следующий список включает виды аккумулирования энергии: Хранение ископаемого топлива Механическое Технология накопления энергии сжатого воздуха (CAES) (Пневматический аккумулятор) Бесто́почный парово́з Супермаховик Потенциальная энергия гравитации Гидроаккумулятор Гидроаккумулирующая электростанция Электрический, электромагнитный Конденсатор Суперконденсатор Сверхпроводящий накопитель электрической энергии (Сверхпроводящие магниты и сверхпроводящие катушки (H01F6)) Биологический Гликоген Крахмал Электрохимический (Система накопления энергии Батареи, BESS) проточная батарея Аккумуляторная батарея UltraBattery Тепловой Тепловой аккумулятор Криогенные системы хранения, Аккумулирование энергии жидкого воздуха (LAES) Криогенный двигатель Дэрмана Эвтектическая система Кондиционер хранения льда Соль в качестве накопителя энергии Фазовый переход вещества Сезонное хранение тепловой энергии Солнечный водоем Паровой аккумулятор Хранение тепловой энергии (Общее) Химический Биотопливо Гидратированные соли Хранение водорода Пероксид водорода Технология Power-to-Gas (P2G) Оксид ванадия(V)
Механическое накопление Энергия может сохраняться в воде, перекачиваемой на большую высоту с использованием накачки или путем перемещения твердого вещества в более высокие места (гравитационные батареи). Другие механические методы предполагают сжатие воздуха и маховиков, которые преобразуют электрическую энергию в кинетическую, а возвращая её, когда потребность в электричестве достигает пика.
Гидроэлектричество Основная статья: Гидроэлектростанция
Гидроэлектростанции с водохранилищами могут эксплуатироваться для обеспечения электроэнергией в периоды пикового спроса. Вода хранится в резервуаре в периоды низкой потребности и высвобождается при высокой потребности. Эффект аналогичен накоплению с перекачкой, но без сопутствующих потерь.
Хотя гидроэлектростанция напрямую не накапливает энергию из других источников, она ведет себя эквивалентно, снижая выработку в период избытка электроэнергии, полученной из других источников. В этом режиме плотины являются одной из наиболее эффективных форм аккумулирования энергии, поскольку меняются только сроки её генерации. Гидроэлектрические турбины имеют время запуска порядка нескольких минут.
Гидроаккумулирующая электростанция
Во всем мире гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) является наиболее крупной формой накопления энергии в больших масштабах. Энергетическая эффективность ГАЭС варьируется, на практике, от 70 % до 80 %.
В периоды низкой потребности в электроэнергии, избыточная генерирующая мощность используется для перекачки воды из более низкого резервуара в более высокий. Когда спрос растет, вода поступает обратно в нижний резервуар (или водный путь/водоем) через турбину, вырабатывающую электричество. Реверсивные турбогенераторные узлы действуют как насос и турбина (обычно это турбина Фрэнсиса). Почти все подобные сооружения используют перепад высот между двумя водоемами. Насосно-накопительные установки «в чистом виде» перемещают воду между резервуарами, в то время как подход с «откачкой» представляет собой комбинацию насосных хранилищ и обычных гидроэлектростанций, использующих естественное течение воды.
Технология накопления энергии сжатого воздуха Пневматический аккумулятор использует избыточную энергию для сжатия воздуха для последующего производства электроэнергии. Сжатый воздух хранится в подземном резервуаре.
Пневматический аккумулятор может преодолеть разрыв между волатильностью производства и нагрузкой. Пневматический аккумулятор удовлетворяет потребности потребителей в энергии, эффективно обеспечивая доступную энергию для удовлетворения спроса. Возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца, имеют переменные ресурсы. В результате, добавление других видов энергии необходимо для удовлетворения спроса на энергию в периоды снижения доступности возобновляемых ресурсов. Установки для хранения энергии на сжатом воздухе способны аккумулировать избыточную энергию от возобновляемых источников энергии во время перепроизводства энергии. Эта накопленная энергия может быть использована, когда спрос на электроэнергию увеличивается или доступность энергетических ресурсов уменьшается.
Сжатие воздуха создает тепло: при сжатии воздух теплеет. Расширение, со своей стороны требует тепловой энергии. Если не добавлять дополнительной энергии, воздух после расширения будет намного холоднее. Если тепло, выделяемое во время сжатия, может аккумулироваться и использоваться во время расширения, эффективность значительно повышается.
Технология накопления энергии маховиком
Накопитель энергии маховика (FES) работает за счет ускорения ротора (маховика) до очень высокой скорости, аккумулируя энергию вращения. Когда энергия извлекается, скорость вращения маховика уменьшается; добавление энергии соответственно приводит к увеличению скорости маховика.
Большинство систем FES используют электричество для ускорения и замедления маховика, но рассматриваются и устройства, которые непосредственно используют механическую энергию.
Системы FES имеют роторы, изготовленные из высокопрочных углеродно-волокнистых композитов, подвешенных на магнитных подшипниках и вращающихся со скоростью от 20000 до более 50000 об/мин в вакуумном корпусе. Такие маховики могут достигать максимальной скорости («заряда») за считанные минуты. Система маховика соединена с комбинированным электродвигателем / генератором.
Системы FES имеют относительно долгий срок службы (длятся десятилетия, практически не требуя технического обслуживания; срок службы полного цикла, указанный для маховиков, варьируется от 10 5 до 10 7 циклов использования), высокая удельная энергия (100—130 Вт · ч/кг или 360—500 кДж/кг) и удельная мощность.
Накопление гравитационной потенциальной энергии твердых масс Изменение высоты твердых масс может накапливать или выделять энергию через подъемную систему, приводимую в движение электродвигателем / генератором.
Методы включают использование рельсов и кранов для перемещения бетонных грузов вверх и вниз, использование высотных плавучих платформ на солнечных батареях, поддерживающих лебедки для подъёма и опускания твердых масс.
Накопление тепловой энергии Аккумулирование тепловой энергии (TES) — это временное хранение или отвод тепла.
Аккумулированная тепловая энергия Аккумулирование тепла использует преимущества нагрева материала для накопления энергии.
Технологии сезонного накопления тепловой энергии (СНТЭ) позволяют использовать тепло или холод спустя месяцы после того, как оно было получено из природных источников или отходов. Аккумуляция может происходить в водоносных слоях, скоплениях скважин в геологических субстратах, таких как песок или кристаллические породы, в выстланных ямах, заполненных гравием и водой, или в заполненных водой шахтах. Технологии СНТЭ часто имеют срок окупаемости в диапазоне от четырёх до шести лет. Примером является сообщество солнечных батарей Drake Landing в Канаде, для которого 97 % круглогодичного тепла обеспечивается солнечно-тепловыми коллекторами на крышах гаражей, а скважинный накопитель тепловой энергии (СНТЭ) является поддерживающей технологией.
В Браструпе (Дания) система коммунального солнечного теплоснабжения, также использует СНТЭ при температуре хранения 65 °C (149 °F). Тепловой насос, который работает только при наличии избыточной энергии ветра в единой энергосети, используется для повышения температуры до 80 °C (176 °F) для распределения. Когда избыточного электричества, генерируемого ветром, нет, используется газовый котел. 20 % процентов тепла Браструпа имеют солнечное происхождение.
Скрытое накопление тепловой энергии Скрытые тепловые системы накопления тепловой энергии работают с материалами с высокой скрытой теплоемкостью, известными как материалы с фазовым переходом (PCM). Основным преимуществом этих материалов является то, что их скрытая теплоемкость гораздо больше, чем ощутимое тепло. В определённом температурном диапазоне фазовый переход от твердого к жидкому поглощает большое количество тепловой энергии для последующего использования.
Скрытое накопление тепловой энергии представляет собой процесс, посредством которого энергия в форме тепла либо поглощается, либо выделяется во время фазового перехода материала (PCM). Изменение фазы — это плавление или затвердевание материала. Во время изменения фазы PCM обладает способностью поглощать большое количество энергии из-за высокой температуры плавления.
Электрохимический
Аккумуляторная батарея Аккумуляторная батарея содержит один или несколько электрохимических элементов. Аккумуляторы бывают разных форм и размеров, от кнопок до мегаваттных энергосистем.
Аккумуляторные батареи имеют более низкие общую стоимость использования и уровень воздействия на окружающую среду, чем неперезаряжаемые (одноразовые) батареи. Некоторые типы аккумуляторных батареек доступны в тех же форматах, что и одноразовые. Аккумуляторные имеют более высокую начальную стоимость, но их можно очень дёшево перезаряжать и использовать много раз.
Общие химические составы аккумуляторной батареи:
Свинцово-кислотные аккумуляторы: свинцово-кислотные аккумуляторы занимают самую большую долю рынка аккумуляторов. В заряженном состоянии отрицательный электрод из металлического свинца и положительный электрод из сульфата свинца погружают в электролит с разбавленной серной кислотой (H 2 SO 4). В процессе разряда электроны выталкиваются из ячейки, так как на отрицательном электроде образуется сульфат свинца, а электролит восстанавливается до воды. Технология свинцово-кислотных аккумуляторов получила широкое развитие. Эксплуатация требует минимального труда, его стоимость низкая. Доступная энергетическая ёмкость батареи подвержена быстрой разрядке, что приводит к малому сроку службы и низкой плотности энергии. Никель-кадмиевый батарея (NiCd): в качестве электродов используются гидроксид оксида никеля и металлический кадмий. Кадмий является токсичным элементом и был запрещен Европейским союзом в 2004 году для большинства видов использования. Никель-кадмиевые батареи были почти полностью заменены никель-металлогидридными (NiMH). Никель-металлогидридная батарея (NiMH): первые коммерческие образцы появились в 1989 году. Сейчас это обычный потребительский и промышленный товар. Батарея имеет для отрицательного электрода вместо кадмия водородопоглощающий сплав. Литий-ионная аккумуляторная батарея: выбор многих потребителей в сфере электронных устройств. Имеет одно из лучших соотношений энергии к массе и очень медленный саморазряд, когда он не используется. Литий-ионный полимерный аккумулятор: эти аккумуляторы имеют малый вес и могут быть изготовлены в любой форме.
Проточная батарея Проточная батарея работает, пропуская раствор через мембрану, где происходит обмен ионов для зарядки / разрядки элемента. Напряжение тока химически определено уравнением Нернста, и на практике составляет от 1,0 до 2,2 В. Ёмкость накопителя зависит от объёма ёмкостей, в которых находится раствор.