Túl sok órát töltöttem azzal, hogy fehér papírokat és adatlapokat olvastam rólaenergiatárolás. És erre jöttem rá: az egész táj zavarosabb és érdekesebb, mint ahogy a legtöbb cikk hangzik.
Mindenki az akkumulátorokról beszél. Igazság szerint-most mindenhol ott vannak. De az energiatárolás? Ez egy sokkal nagyobb beszélgetés. Mindenről beszélünk, a hegytetőkön ülő hatalmas víztározóktól a vákuumkamrákban forgó fémdarabokig. Ezeknek a technológiáknak egy része a nagyszülei{5}}gyermekkora óta létezik. Mások többnyire laborokban és PowerPoint prezentációkban léteznek.
Hadd mutassam végig, mi is van valójában odakint.
A régi igásló, amelyről senki sem beszél
Szivattyús hidrotároló. Unalmasan hangzik, igaz? Két tározó különböző magasságokban, néhány turbina, fel-le áramló víz. Egyszerű fizika.
De itt van a dolog-ez az „unalmas” technológia a világ összes hálózati-méretű energiatárolásának nagyjából 95%-át kezeli. Kilencven-öt százalék. Amikor az emberek az akkumulátorok kémiájáról vitatkoznak, és a lítiumról a nátriumról vitatkoznak, a szivattyúzott víz csak csendben végzi a dolgát a háttérben.
A koncepció szinte zavarba ejtően egyszerű. Amikor olcsó az áram (általában éjszaka, vagy amikor süt a nap, és a napelemek forognak), vizet pumpálunk felfelé egy tározóba. Amikor az árak megugranak vagy a kereslet megugrik, hagyja, hogy a víz visszazúduljon a turbinákon keresztül. A hatékonyság 70-85% körül mozog, ami nem tökéletes, de a tárolókapacitás hatalmas. Olyan létesítményekről beszélünk, amelyek gigawatt{7}}óra energiát képesek tárolni. Nem megawatt-óra. Gigawatt{11}}óra. Próbáld meg ezt lítium-ionnal.
Természetesen van egy fogás. Földrajz kell. Két tartályra van szüksége. Megfelelő magasságkülönbségre van szükség. Nem lehet pontosan ilyet építeni Kansasben. A környezetvédelmi engedélyezés önmagában évekig tart. És az előzetes költségek? Csillagászati. De miután megépültek, ezek az üzemek 50, 60, néha 80 évig működnek. A virginiai Bath megyei létesítmény 1985 óta működik, és a leállás jeleit sem mutatja.
Sűrített levegő: a földalatti megközelítés
A sűrített levegős energiatároló (CAES) a szivattyúzott víz furcsa rokona. A víz mozgatása helyett földalatti barlangokba,-sókupolákba, kimerült földgázmezőkbe, víztartó rétegekbe, bármilyen geológiai képződménybe sűríti a levegőt.
Csúcsidőn kívül-az elektromos kompresszorok olyan nyomással nyomják be a levegőt ezekbe a földalatti terekbe, amelyektől a füle már csak rájuk gondol. Amikor áramra van szüksége, a sűrített levegő kiszabadul, felmelegszik (általában földgázzal, ami nem-annyira-zöld rész), és a turbinákon keresztül áramlik.
Jelenleg csak két kereskedelmi CAES üzem működik. Két. Egy Németországban, amely 1978 óta működik, és egy Alabamában 1991-től. A technológia egyértelműen működik. De a geológiai követelmények szigorúak, és a közgazdaságtan sok helyen nem húzott ki. Ennek ellenére a kutatók folyamatosan dolgoznak az{6}}adiabatikus rendszerek fejlett verzióin, amelyek felfogják és újra felhasználják a sűrítésből származó hőt, így nincs szükség földgázra. Ezek jelenleg többnyire kísérleti projektekben léteznek.
Lendkerekek: Pure Mechanical Beauty
Bevallom,{0}}a lendkerekek a kedvenceim. Van valami elegáns az energia forgó mozgásként történő tárolásában.
A lendkerékrendszer lényegében egy vákuumkamrában forgó nehéz rotor, amelyet mágneses csapágyak felfüggesztenek a súrlódás minimalizálása érdekében. Ha többlet áram van, a motorok gyorsabban pörgetik a lendkereket. Amikor vissza kell áramolni, ez a forgó tömeg generátort hajt. A fizika tiszta, intuitív.
A lendkerekek az akkumulátorok által utálatos dolgokban jeleskednek: gyors töltési{0}}kisütési ciklusok, ciklusok milliói élettartamuk során, pillanatnyi válaszidő ezredmásodpercben. Tökéletesek a frekvenciaszabályozáshoz-azokra az apró, állandó beállításokra, amelyekre a rácsnak pontosan 60 Hz-en (vagy 50 Hz-en, lakóhelyétől függően) stabilan kell maradnia.
Miben nem jók? Energia tárolása hosszú ideig. A lendkerekek még a legjobb mágneses csapágyak és a közel-tökéletes vákuum mellett is veszítenek energiából a súrlódás miatt. Hagyjon egyet ülni egy napig, és elveszítette elraktározott energiájának jelentős részét. Hagyja egy hétig, és ne zavarja.
Tehát a lendkerekek egy meghatározott rést foglalnak el: rövid{0}}időtartamú, nagy{1}}teljesítményű alkalmazások. Az adatközpontok áthidaló energiaként használják fel azokat a néhány másodperc alatt, amíg a dízelgenerátorok beindulnak. Egyes tranzitrendszerek a fékezési energiát visszanyerik a lendkerekekbe, és másodperceken belül visszavezetik a harmadik sínre. A NASA játszott velük az űrhajókért.
Elemek: A kategória, amely valójában mindenkit érdekel
Oké, beszéljünk az akkumulátorokról. Az elektrokémiai lehetőségek robbanásszerűen bővültek az elmúlt években, és őszintén szólva ez zavaróvá válik.
Lítium{0}}ionjó okkal uralja a beszélgetést. A nagy energiasűrűség több tárolást jelent kevesebb helyen. Tisztességes ciklusélettartam, különösen újabb vegyi anyagokkal. A költségek zuhantak,-mintha 90%-kal estek vissza 2010 óta. Telefonja, laptopja, elektromos járművei és egyre gyakrabban a hálózati tárolóeszközei mind lítium--változatokon működnek.
De a „lítium{0}}ion” nem egy dolog. Ez egy család. A lítium-vas-foszfát (LFP) feláldoz némi energiasűrűséget a jobb biztonság és a hosszabb élettartam érdekében, -kobalt nélkül, ami etikai és gazdasági szempontból egyaránt számít. A kínai gyártók mindent beleadtak- az LFP-be, és most ez veszi át a helyét. Eközben a nikkel-mangán-kobalt (NMC) kilogrammonként több energiát tartalmaz, ami számít, ha egy elektromos autó megfelelő hatótávolságát próbálja biztosítani.
A lítium{0}}ion sötét oldala? Termikus szökés. Ezek az akkumulátorok látványosan meggyulladhatnak, ha megsérülnek, túl vannak töltve, vagy csak szerencsétlenül járnak. A gyártás energiaigényes-. A lítium és a kobalt ellátási láncainak saját etikai poggyásza van. És bár javul az újrahasznosítási infrastruktúra, a legtöbb elhasznált akkumulátor még mindig hulladéklerakókba kerül.
Flow akkumulátorokteljesen más megközelítést alkalmazzon. Ahelyett, hogy szilárd elektródákban tárolnák az energiát, folyékony elektrolitokat használnak külső tartályokban. Több energiakapacitást szeretne? Csak vegyél nagyobb tankokat. Az erő és az energia szétválik, ami megváltoztatja az egész tervezési filozófiát.
A vanádium redox áramlási akkumulátorok (VRFB) a legérettebb változat. Gyakorlatilag örökké tartanak-15 000-20 000 ciklusról beszélünk, talán többről is. Nincs lebomlás a mélykisülés következtében. Az elektrolit nem kopik el; csak ide-oda száguld a cellaveremen keresztül. Huszonöt{9}}év múlva leeresztheti az elektrolitot, máshová szállíthatja, és tovább használhatja.
De az áramlási akkumulátorok terjedelmesek. Az alacsony energiasűrűség azt jelenti, hogy nincs értelme járművekben vagy hordozható alkalmazásokban. A vanádium sem olcsó. Rácsos-méretű tároláshoz, ahol a lábnyom nem számít, hanem a hosszú élettartam? Egyre vonzóbbak.
Ólom-savaz eredeti újratölthető akkumulátor, lényegében 1859 óta változatlan. Autója eggyel indul. Olcsóak, jól-érthetőek és 98%-ban újrahasznosíthatók. De a ciklus élettartama közepes, az energiasűrűség gyenge, és nehezek. A hálózati alkalmazásoknál ezeket nagyrészt kiszorították, de továbbra is dominálnak a tartalék energiaellátó rendszerekben, ahol a költségek mindennél többet számítanak.
Nátrium{0}}ionkomoly figyelmet kap-e az újonc. A nátrium mindenhol megtalálható,-szó szerint a tengervízben,-így az ellátási lánccal kapcsolatos aggodalmak lényegében megszűnnek. A gyártási folyamat újra felhasználhatja a meglévő lítium--ion-gyári berendezéseket. A teljesítmény még nem éri el a lítium--ionszintet, de gyorsan bezárja a különbséget. A CATL 2023-ban kezdte meg a tömeggyártást. Öt éven belül a nátrium-{9}}ion komoly piaci részesedést szerezhet a helyhez kötött tárolás terén.
meg kell említenemnikkel{0}}kadmium(még mindig használják bizonyos ipari alkalmazásokban, bár a kadmium mérgező, és az EU korlátozta azt),nikkel{0}}fémhidrid(emlékszel a Priusra, mielőtt lítium lett volna?), ésnátrium-kén(magas{0}}hőmérsékletű rendszerek, amelyeket a japán vállalatok keményen szorgalmaztak a 2000-es években). De ezen a ponton csak azért sorolok fel dolgokat, hogy felsoroljam őket. A gyakorlati valóság az, hogy a lítium-ionos és az áramlásos akkumulátorok a leggyorsabban jelennek meg a nátrium-ionnal.
Hőtárolás: hő, mint akkumulátor
Íme egy kategória, amelyre nem fordítanak kellő figyelmet: az energia tárolása hőként (vagy hidegként).
Olvadt só tárolásaígy működnek a koncentrált naperőművek éjszaka. A tükrök a napfényt egy toronyra fókuszálják, és az olvadt sót 500-600 fokra hevítik. Ezt a sót szigetelt tartályokban tárolják, és amikor áramra van szüksége, gőzt készít, és turbinát üzemeltet. A spanyolországi Gemasolar erőmű napnyugta után 15 órán keresztül képes áramot termelni. A nevadai Crescent Dunes 10 órányi generációhoz elegendő hőt tart fenn.
Az olvadt sóban az a klassz, hogy a hőtárolás olcsó. Sokkal olcsóbb kWh-nként, mint az akkumulátorok. A nem-menő az oda-vissza út hatékonysága-, ami sokat veszít a hőről elektromos árammá és vissza történő átalakítás során.
Jégtárolóaz idő{0}}eltolódás termikus megfelelője. A kereskedelmi épületek éjszaka lefagyasztják a vizet, amikor alacsony az áramdíj, majd ezt a jeget használják a klíma biztosítására a délutáni csúcsidőben. Nem elbűvölő, de működik. A Disney World használja. Sok forró éghajlatú irodaház használja. Lényegében jeget használsz akkumulátorként a hűtéshez.
Vannak újabb fogalmak is:Carnot akkumulátorokamelyek hőként tárolják a villamos energiát, és hőmotorok, melegvíz-tartályok, amelyek elektromos fűtése-időben váltják, szezonális hőtárolás egész városrészek számára hasznosítják. A termikus univerzum meglepően mély.
Hidrogén: A helyettesítő karakter
A hidrogénenergia-tárolásnak vannak szenvedélyes szószólói és kemény kritikusai, és őszintén szólva, mindkettőnek megvan a maga érvényessége.
A fellebbezés egyszerű: használja fel a megújuló villamos energiát a víz felosztására hidrogénre és oxigénre (elektrolízis). Tárolja a hidrogént. Ha áramra van szüksége, vezesse át üzemanyagcellán, vagy égesse el egy turbinában. A hidrogén hatalmas mennyiségű energiát képes tárolni nagyon hosszú ideig-hetek, hónapok, sőt évszakokig.
A kritika ugyanilyen egyszerű: az oda-vissza út{0}}hatékonysága borzasztó. 30%-ot veszít az elektrolízis során. Többet veszít a tömörítés vagy cseppfolyósítás során. Többet veszít az elektromos árammá való visszaállítás során. A végétől-végig-kaphatja vissza eredeti energiájának 30-40%-át. Hasonlítsa össze ezt a lítium-ion 85-90%-ával.
Tehát mikor van értelme a hidrogénnek? Amikor valóban hatalmas mennyiségű energiát kell tárolnia huzamosabb ideig. Amikor dekarbonizálja a magas hőt igénylő ipari folyamatokat. Amikor nagy távolságra szállítható energiahordozóra van szüksége. Amikor más lehetőségek szó szerint nem tudják elvégezni a munkát.
Németország erősen fogadott a hidrogénre. Így van Japán is. Ausztrália export infrastruktúrát épít ki a zöld hidrogén Ázsiába szállítására. Az, hogy ez a fogadás megtérül-e, attól függ, hogy a költségek gyorsabban csökkennek-e, mint ahogyan az akkumulátorok javulnak,{3}}és az akkumulátorok gyorsan javulnak.
Az ultra-rövid-időtartamú dolgok
SzuperkondenzátorokAz energiát elektrosztatikusan tárolják, nem pedig elektrokémiailag. Szinte azonnal képesek feltölteni és kisütni, több millió ciklust képesek kezelni, és nevetséges energiasűrűséget biztosítanak. Nem tudnak sok energiát tárolni. Egy szállítókonténer méretű szuperkondenzátorbank elraktározhatja azt, amit egy bőrönd méretű akkumulátorcsomag elbír.
Édes helyük az ultra{0}}rövid sorozatok: a regeneratív fékezés a tranzitrendszerekben, a simító energiaellátás megújuló rendszerekben, feltéve, hogy az UPS-nek annyi másodpercnyi áramra van szüksége, mielőtt az akkumulátorok átveszik az irányítást.
Szupravezető mágneses energiatároló(kkv-k) még egzotikusabb. Az energiát a kriogén hőmérsékletre hűtött szupravezető tekercsek által létrehozott mágneses mezőben tárolja. Szinte-azonnali reakció, nincs leromlás, lényegében végtelen ciklusélettartam. Ám a szupravezető hőmérséklet fenntartásának költségei és bonyolultsága miatt a kkv-k a niche-alkalmazásokban maradtak, -leginkább a félvezető gyárak és más létesítmények energiaminősége terén, ahol még a pillanatnyi feszültségcsökkenés is milliókba kerül.
Gravitációs tároló: Az új régi ötlet
Még egy kategória, amelyet érdemes megemlíteni: a gravitációs{0}}alapú rendszerek, amelyek nem szivattyúzzák a vízellátást.
Energy Vaultolyan darurendszereket épít, amelyek masszív betontömböket raknak össze és szednek le. Emelje fel a blokkokat, ha olcsó az energia, és engedje le őket a generátorokon keresztül, amikor áramra van szüksége. Lényegében víz nélkül szivattyúzzák a vizet.
Más cégek feltárják az elhagyott bányákat, -engedjék le a súlyokat az aknába, emeljék fel újra. Vagy célirányosan-épített tornyok. Vagy akár olyan koncepciók, amelyek ferde síneken sziklákkal megrakott motorkocsikat foglalnak magukban.
A zsűri még nem dönti el, hogy ezek gazdaságilag versenyképesek-e. A gravitációs tárolás energiasűrűsége eredendően alacsony,-nagy tömegre és magasságra van szükség a jelentős energia tárolásához. Ám a támogatók azzal érvelnek, hogy az olcsó anyagok (beton, kavics) és az egyszerű mechanika használatával a hosszú távú{3}}alkalmazások esetén az akkumulátorok költsége meghaladná.
Tehát mi számít valójában?
Ha idáig olvasott, felmerülhet a kérdés: melyik technológia nyer?
Rossz kérdés.
Az energiatárolás nem nyerő-vesz{1}}a piacot. A különböző technológiák különböző résekhez illeszkednek az időtartam, a válaszidő, a hely, a költségstruktúra és az alkalmazás alapján.
Frekvenciaszabályozásra van szüksége ezredmásodpercekben? Lendkerekek vagy akkumulátorok. Négy óra tartalékra van szüksége egy napelemes erőműhöz? Lítium-ionos vagy áramlásos akkumulátorok. Át kell tolni a szezonális megújuló többletet? Valószínűleg hidrogén, vagy szivattyúzott víz, ha a földrajz megengedi. Hűteni kell egy épületet csúcsigény idején? Jégtároló.
A jövő hálózata nem egyetlen tárolási technológián fog működni. Többféle technológiai-szuperkondenzátort rétegez az azonnali válaszadás érdekében, akkumulátorokat percekig órákig, szivattyúzott hidroenergiát a napi kerékpározáshoz, hidrogént vagy hőt hosszabb ideig. Valószínűleg az időtartam spektrumának minden rését olyan technológia tölti ki, amely a legjobb gazdaságosságot kínálja az adott alkalmazáshoz.
Az izgalmas rész az, hogy a költségek szinte mindegyik kategóriában esnek. A lítium-ion akkumulátorok költségei kráterrel emelkedtek. Az elektrolizátorok hasonló tanulási görbét követnek. Az áramlási akkumulátorok gyártása növekszik. Még a szivattyús vízrendszer is újításokat mutat a zárt{5}}hurkú rendszerekkel és a föld alatti tározókkal.
Tíz évvel ezelőtt ezek egyike sem tűnt gazdaságilag életképesnek. Jelenleg? A tárolás az energiaszektor leggyorsabban{1}}növekvő szegmense.