Накопичення енергії — нагромадження, акумуляція енергії для її подальшого використання. Пристрій, що зберігає енергію, зазвичай називають акумулятором або батареєю. Звичайним прикладом пристрою накопичення енергії (енергонакопичувача), є акумуляторна батарея, в якій тривалий час зберігається хімічна енергія, що легко перетворюється на електрику для роботи мобільного телефону. Менш очевидний приклад — гідроелектростанція: вода у величезному сховищі виступає джерелом потенціальної енергії гравітації. Викопні види палива, такі як вугілля, нафта і газ, також є накопичувачами енергії, отриманої свого часу від сонячного світла живими організмами, які з часом і перетворилися на ці види палива.
Історія
Новітня історія У двадцятому столітті електрика вироблялася, насамперед, за рахунок спалювання викопного палива. Проблеми з транспортуванням енергії, забрудненням повітря і глобальним потеплінням привели до зростання використання поновлюваних джерел енергії — таких, як сонячна енергія та енергія вітру. Енергія вітру залежить від кліматичних умов і погоди. Сонячна енергія залежить від географічного положення, хмарного покриву. Вона доступна тільки в денний час, натомість попит часто досягає піку після заходу сонця. Інтерес до накопичення енергії з цих джерел зростає, оскільки саме вони останнім часом генерують все більшу частину світового енерговиробництва.
Використання електрики поза електромережами в XX столітті було нішовим ринком, але в XXI столітті воно значно розширилося. Портативні пристрої використовують у всьому світі. Сонячні батареї отримують все ширше розповсюджуються в сільській місцевості. Доступ до електрики тепер є питанням економіки, а не розташування. Однак в енергопостачанні транспорту спалювання палива як і раніше переважає.
Методи
Огляд Енергія може зберігатися у воді, що перекачується на велику висоту з використанням накачування або шляхом переміщення твердої речовини в вищі місця (гравітаційні батареї). Інші механічні методи передбачають стиснення повітря і розкручування маховиків, тобто перетворення електричної енергії на потенціальну або кінетичну, зі зворотним перетворенням тоді, коли потреба в електриці досягає піку.
Види акумулювання енергії: Зберігання викопного палива Механічне Пневматичний акумулятор
Супермаховик Гравітаційна потенціальна енергія Гідроакумулятор Гідроакумулювальна електростанція Електричний, електромагнітний Конденсатор Суперконденсатор Надпровідниковий магнітний акумулятор (надпровідникові магніти і надпровідні котушки (H01F6)) Біологічний Глікоген Крохмаль Електрохімічний
Акумуляторна батарея
Тепловий Акумулятор тепла , акумулювання енергії зрідженим повітрям (LAES)
Евтектична система Акумулятор холоду Фазовий перехід речовини Сезонне зберігання теплової енергії
Зберігання теплової енергії (Загальна) Хімічний Біопаливо Гідратовані солі Зберігання водню Перекис водню Технологія Power-to-Gas (P2G) Оксид ванадію(V)
Механічне накопичення Основна стаття: Гідроелектростанція
Гідроелектрика Гідроелектростанції з водосховищами можуть застосовуватися для забезпечення електроенергією в періоди пікового попиту. Вода зберігається в резервуарі в періоди низької потреби і вивільняється за високої потреби. Ефект подібний накопиченню з перекачуванням, але без супутніх витрат. Хоча гідроелектростанція безпосередньо не накопичує енергію з інших джерел, вона поводиться еквівалентно, знижуючи вироблення в період надлишку електроенергії, отриманої з інших джерел. У цьому режимі греблі є однією з найефективніших форм акумулювання енергії, оскільки змінюються тільки терміни її генерування. Гідроелектричні турбіни мають час запуску порядку декількох хвилин.
Гідроакумулювальна електростанція
У всьому світі гідроакумулювальна електростанція (ГАЕС) є найбільшою формою накопичення енергії у великих масштабах. Енергетична ефективність ГАЕС варіюється, на практиці, від 70 до 80 %.
Див. також: супермаховик, маховик
У періоди низької потреби в електроенергії, надлишкову генерувальну потужність використовують для перекачування води з нижнього резервуара у верхній. Коли попит зростає, вода надходить назад в нижній резервуар (або водний шлях/водойму) через турбіну, що виробляє електрику. Реверсивні турбогенераторні вузли діють як насос і турбіна (зазвичай це турбіна Френсіса). Майже всі подібні споруди використовують перепад висот між двома водоймами. Насосно-накопичувальні установки «в чистому вигляді» переміщують воду між резервуарами, в той час як підхід з «відкачуванням» являє собою комбінацію насосних сховищ і звичайних гідроелектростанцій, що використовують природний плин води.
Технологія накопичення енергії стисненого повітря Пневматичний акумулятор використовує надлишкову енергію для стиснення повітря з метою подальшого виробництва електроенергії. Стиснене повітря зберігається в підземному резервуарі.
Пневматичний акумулятор може подолати розрив між волатильністю виробництва і навантаженням. Пневматичний акумулятор задовольняє потреби споживачів в енергії, ефективно забезпечуючи доступну енергію для задоволення попиту. Поновлювані джерела енергії, такі як енергія вітру і сонця, мають змінні ресурси. Як наслідок, для задоволення попиту на енергію в періоди зниження доступності відновлюваних ресурсів необхідно додавати інші види енергії. Установки для зберігання енергії на стиснутому повітрі здатні акумулювати надлишкову енергію від відновлюваних джерел енергії під час перевиробництва енергії. Ця накопичена енергія може бути використана, коли зростає попит на електроенергію або зменшується доступність енергетичних ресурсів.
Стиснення повітря створює тепло: при стисканні повітря теплішає. Розширення, зі свого боку вимагає теплової енергії. Якщо не додавати енергії, повітря після розширення буде набагато холоднішим. Якщо тепло, що виділяється під час стиснення, може акумулюватися і використовуватися під час розширення, ефективність значно підвищується.
Технологія накопичення енергії маховиком Накопичувач енергії маховика (FES) працює за рахунок прискорення ротора (маховика) до дуже високої швидкості, акумулюючи . Коли енергія споживається, швидкість обертання маховика зменшується; додавання енергії відповідно призводить до збільшення швидкості маховика.
Акумулювання тепла здійснюється шляхом нагрівання матеріалу для накопичення енергії.
Більшість систем FES використовують електрику для прискорення й уповільнення маховика, але розглядаються і пристрої, які безпосередньо використовують механічну енергію.
Системи FES мають ротори, виготовлені з високоміцних вуглецево-волокнистих композитів, підвішених на магнітних підшипниках, які обертаються з частотою від 20 000 до більше ніж 50 000 об/хв у вакуумному корпусі. Такі маховики можуть досягати максимальної швидкості («заряду») за лічені хвилини. Система маховика з'єднана з комбінованим електродвигуном/генератором .
Системи FES мають відносно довгий термін служби (десятиліття, практично не вимагаючи технічного обслуговування; термін служби повного циклу, вказаний для маховиків, варіюється від 105 до 107 циклів використання), високу питому енергію (100—130 Вт·год/кг або 360—500 кДж/кг) і питома потужність .
Накопичення гравітаційної потенціальної енергії твердих мас Зміна висоти твердих мас може накопичувати або виділяти енергію через підіймальну систему, що приводиться в рух електродвигуном/генератором.
Методи включають використання рейок і кранів для переміщення бетонних вантажів угору і вниз, використання висотних плавучих платформ на сонячних батареях, що підтримують лебідки для підіймання і опускання твердих мас.
Накопичення теплової енергії Акумулювання теплової енергії (TES) — це тимчасове зберігання або відведення тепла.
Акумульована теплова енергія Технології сезонного накопичення теплової енергії (СНТЕ) дозволяють використовувати тепло або холод через місяці після того, як воно було отримане з природних джерел або відходів. Акумуляція може відбуватися у водоносних шарах, скупченнях свердловин в геологічних субстратах, таких як пісок або кристалічні породи, в вистелених ямах, заповнених гравієм і водою, або в заповнених водою шахтах. Технології СНТЕ часто мають термін окупності в діапазоні від чотирьох до шести років. Прикладом є спільнота сонячних батарей в Канаді, для якої 97 % цілорічного тепла забезпечується сонячно-тепловими колекторами на дахах гаражів, а свердловинний накопичувач теплової енергії (СНТЕ) є підтримувальною технологією. У Бредструпі (Данія) , також використовує СНТЕ за температури зберігання 65 °C (149 °F). Тепловий насос, який працює тільки за наявності надлишкової енергії вітру в єдиній енергомережі, використовують для підвищення температури до 80 °C (176 °F) для постачання. Коли надлишкової електрики, що генерується вітром, немає, використовують газовий котел. 20 % відсотків тепла у Бредструпі мають сонячне походження.
Акумуляторна батарея містить один або кілька електрохімічних елементів. Акумулятори бувають різних форм і розмірів, від кнопок до мегаватних енергосистем.
Приховане накопичення теплової енергії Приховані системи накопичення теплової енергії працюють з матеріалами з високою прихованою теплоємністю, відомими як матеріали з (PCM). Основною перевагою цих матеріалів є те, що їх прихована теплоємність набагато більша, ніж відчутне тепло. У певному температурному діапазоні фазовий перехід від твердого до рідкого поглинає велику кількість теплової енергії для подальшого використання.
Приховане накопичення теплової енергії являє собою процес, за допомогою якого енергія у формі тепла або поглинається, або виділяється під час фазового переходу матеріалу. Під час фазового переходу речовина має здатність поглинати велику кількість енергії через високу теплоту плавлення.
Електрохімічний
Акумуляторна батарея Акумуляторні батареї мають нижчі загальну вартість використання і рівень впливу на навколишнє середовище, ніж неперезаряджувані (одноразові) батареї. Акумуляторні батареї деяких типів доступні в тих самих форматах, що й одноразові. Акумуляторні мають вищу початкову вартість, але їх можна дуже дешево перезаряджати і використовувати багато разів.
Загальний хімічний склад акумуляторних батарей: Проточна батарея працює, пропускаючи розчин через мембрану, де відбувається обмін іонів для заряджання/розряджання елемента. Напруга струму хімічно визначена рівнянням Нернста, і на практиці становить від 1,0 до 2,2 В. Ємність накопичувача залежить від об'єму ємностей, в яких знаходиться розчин.
Свинцево-кислотні акумулятори: свинцево-кислотні акумулятори займають найбільшу частку ринку акумуляторів. У зарядженому стані від'ємний електрод з металевого свинцю і додатний електрод з занурюють в електроліт з розведеної сульфатної кислоти (H2SO4). У процесі розряду електрони виштовхуються з комірки, оскільки на від'ємному електроді утворюється сульфат свинцю, а електроліт відновлюється до води. Технологія свинцево-кислотних акумуляторів широко розвинулась. Експлуатація вимагає невеликих затрат праці, вартість низька. Доступна енергетична ємність батареї схильна до швидкого розряджання, що призводить до малого терміну служби і низької щільності енергії. Нікель-кадмієва батарея (NiCd): як електроди використовують і металевий кадмій. Кадмій є токсичним елементом й у 2004 році був заборонений Європейським союзом для більшості видів використання. Нікель-кадмієві батареї були майже повністю замінені нікель-металогідридними (NiMH). Нікель-металогідридна батарея (NiMH): перші комерційні зразки з'явилися в 1989 році. Зараз це звичайний споживчий і промисловий товар. Замість кадмію в ній для від'ємного електрода використано воднепоглинальний сплав. Літій-іонна акумуляторна батарея: вибір багатьох споживачів у сфері електронних пристроїв. Має одне з кращих співвідношень енергії до маси і дуже повільний саморозряд, коли не використовується. Літій-іонний полімерний акумулятор: ці акумулятори мають малу вагу і можуть бути виготовлені будь-якої форми.
Проточна батарея Основна стаття: Суперконденсатор