Хранение энергии. Обзор. Хранение энергии 28.06.22. Хранение энергии в контексте энергетического перехода обзор технологий Аннотация
 Скачать 4.08 Mb.
|
|
Хранение энергии в контексте энергетического перехода: обзор технологий Аннотация Обеспокоенность по поводу изменения климата, а также ограничения на использование ископаемого топлива заставляют задуматься о переходе к устойчивому энергетическому сектору, требующему очень высокого уровня проникновения возобновляемых источников энергии в структуру мирового энергобаланса, включая отрасли, которые в значительной степени основаны на углеводородах в качестве топлива для транспорта. Некоторыми из этих возобновляемых источников невозможно управлять, и попытка контролировать их изменчивость является сложной задачей. Нынешняя тенденция роста использования возобновляемых источников энергии потребует от энергетических систем еще большей гибкости. Существует нескольких вариантов повышения гибкости, и накопление энергии (ES) выглядит многообещающе, учитывая изменчивость многих возобновляемых источников. Цель этого исследования — представить всесторонний обновленный обзор технологий ES, кратко рассмотреть их приложения и обсудить препятствия для широкого использования ES. Методология предполагает описание и анализ многих существующих и развивающихся технологий хранения энергии. Кратко обсуждаются пути применения ES, учитывается логистика и логика параметрической классификации. В результате этого исследования будет замечено, что ни одна технология ES не выделяется одновременно по всем техническим характеристикам, и, следовательно, выбор должен основываться на анализе конкретного случая. Экономическая осуществимость бизнес-моделей ES и создание подходящей нормативно-правовой среды являются основными проблемами для развертывания технологий ES. Что касается энергетического перехода, технологии Power-to-Gas, Power-to-Liquids и Solar-to-Fuel очень перспективны и необходимы дальнейшие исследования этих технологий, чтобы лучше понять их возможности и способы преодоления барьеров на пути их практического использования. Оглавление 1. Введение 5 2. Технологии хранения энергии. 7 2.1 Классификация накопителей энергии. 7 2.2 Описание технологий ES 9 2.2.1. Технологии хранения механической энергии 9 2.2.2. Электрохимические технологии накопления энергии 19 2.2.2.1. Обычные батареи 20 2.2.2.2. Высокотемпературные (HT) батареи 27 2.2.2.3. Проточные батареи. 29 2.2.2.4. Металловоздушные батареи. 32 2.2.3. Технологии хранения электроэнергии 33 2.2.4. Технологии хранения химической энергии 37 2.2.5. Технологии хранения тепловой энергии (TES) 43 2.3. Другие подсистемы ES 46 2.4. Краткое описание технологий 48 3.Приложения ES 49 3.1.1.Временной сдвиг 50 3.1.2.Сезонное хранение энергии 50 3.1.3.Крупномасштабная интеграция возобновляемых источников энергии 50 3.1.5.Регулирование сети 51 3.1.6.Управление энергией 52 3.1.7.Качество электроэнергии 52 3.1.8.Надежность питания 52 3.1.9.Распределенная интеграция возобновляемых источников энергии 53 3.1.10.Транспортные приложения 53 4.Заключение 58 Благодарности 59 Использованная литература 60 2. Bristol, UK: Taylor & Francis; 1998. 70 Сокращения: AC, alternate current (переменный ток); A-CAES, adiabatic compressed air energy storage (адиабатическое накопителение энергии на сжатом воздухе); AFC, alkaline fuel cell (щелочной топливный элемент); BOP, balance-of-plant (баланс установки); CAES, compressed air energy storage (накопителение энергии сжатого воздуха); CHP, combined heat and power (комбинированное производство тепла и электроэнергии); Conv., conventional (конвенциональный); DC, direct current (постоянный ток); D-CAES, diabatic compressed air energy storage (диабатическое накопителение энергии на сжатом воздухе); DHW, domestic hot water (горячая вода бытового назначения); DOD, depth of discharge (глубина разряда); DSM, demand side management (управление спросом); EES, electricity energy storage (аккумулирование электроэнергии); ES, energy storage (накопление энергии); FC, fuel cell (топливный элемент); GHG, greenhouse gases (ПГ, парниковые газы); GtP, gas-to-power (газ-в-энергию); HT, high temperature (высокая температура); HVAC, heat, ventilation and air conditioning (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха); I-CAES, isothermal compressed air energy storage (изотермическое накопление энергии на сжатом воздухе); LAES, liquid air energy storage (жидкостно-воздушное накопление энергии); LH-TES, latent heat thermal energy storage (аккумулирование тепловой энергии со скрытой теплотой); MCFC, molten carbonate fuel cell (топливный элемент с расплавленным карбонатом); NG, natural gas (природный газ); PAFC, phosphoric acid fuel cell (топливный элемент на основе фосфорной кислоты); PCM, phase-change material (материал с фазовым переходом); PCS, power conversion system (система преобразования энергии); PEMFC, polymer electrolyte membrane fuel cell (топливный элемент с мембраной из полимерного электролита); PHS, pumped hydro storage (Насосные гидроаккумуляторы); PSB, polysulfide bromide battery (полисульфид-бромидная батарея); PTES, pumped thermal energy storage (насосное накопление тепловой энергии); PtG, power-to-gas (энергия-в-газ); PtL, power-to-liquids (энергия-в-жидкость); PtP, power-to-power (энергия-в-энергию); PV, photovoltaic (фотогальванический); R&D, research and development (исследования и разработки); RES, renewable energy sources (ВИЭ, возобновляемые источники энергии); RWGS, reverse water gas shift (обратная конверсия водяного газа); SH-TES, sensible heat thermal energy storage (накопитель тепловой энергии явного тепла); SMES, superconducting magnetic energy storage (сверхпроводящий магнитный накопитель энергии); SOFC, solid oxide fuel cell (твердооксидный топливный элемент); T&D, transmission and distribution (передача и распределение); TCES, thermochemical energy storage (термохимическое накопление энергии); TES, thermal energy storage (накопление тепловой энергии); UPS, uninterrupted power supply (ИБП - источник бесперебойного питания); UW-CAES, underwater compressed air energy storage (подводный накопитель энергии на сжатом воздухе); VRB, vanadium redox battery (ванадиевая окислительно-восстановительная батарея); VRES, variable renewable energy sources (переменные возобновляемые источники энергии); WGS, water gas shift (сдвиг водяного пара); ZBB, zinc-bromine battery (бромно-цинковая батарея). 1. Введение Многие исследователи, особенно те, кто занимается антропогенной деятельностью, в последние десятилетия все больше озадачены изменением климата и выбросами парниковых газов (ПГ). Как показывают некоторые отчеты, за последнее десятилетие (2000-2010 гг.) [1] эти выбросы выросли примерно на 10 миллиардов тонн эквивалента CO2[1], и, как следствие, уровень CO2 в атмосфере увеличился на 2 ppm в год за тот же период, потенциально достигая 400 ppm к концу 2015 г. [2]. По мнению некоторых исследователей, если концентрация CO2 сохранит текущую тенденцию, температура на Земле может подняться на 5°C или 6°C до конца века, но ограничение роста концентрации CO2 до 450 ppm, вероятно, позволит избежать глобального потепления более чем на 2°C [1]. Чтобы сдержать темпы роста выбросов парниковых газов, правительства ведут переговоры о дополнительных обязательствах по возобновляемым источникам энергии, энергоэффективности и сокращению выбросов [3]. Несмотря на все дискуссии, возобновляемые источники энергии значительно распространились в последние годы. Установленная мощность ветроэнергетики в мире достигла 370 ГВт, из которых 51 ГВт были добавлены только в 2014 г., а к 2019 г. установленная мощность достигнет 666 ГВт [4]. Глобальная установленная мощность солнечных фотоэлектрических систем увеличилась на 39 ГВт только в 2014 г., достигнув 177 ГВт [5], при этом в некоторых исследованиях указывается, что она может достигнуть примерно 400 ГВт к 2020 г. [6,7]. Тем не менее спрос на первичную энергию будет расти в ближайшие годы [8], увеличивая потребность в источниках с низким или нулевым выбросом углерода (таких, как возобновляемые источники энергии (ВИЭ)) при переходе к устойчивой энергетической системе. ВИЭ (RES) создают многочисленные проблемы для традиционной системы производства электроэнергии, поскольку некоторые из них не могут быть накоплены, выдаваемая ими мощность переменна и ее доступность зачастую неподконтрольна [9-11]. ВИЭ, такие как гидроэнергетика, биомасса и геотермальная энергия могут работать так же, как и традиционные электростанции, но наиболее важные представители ВИЭ, ветряные и солнечные источники, непостоянны и менее предсказуемы, их обычно называют переменными возобновляемыми источниками энергии (VRES) [12,13]. Исследования показали, что энергосистема может поглощать колебания подаваемой энергии при прямой интеграции с VRES до 10% от установленной мощности системы без серьезных технических проблем и существенных дополнительных затрат [15,16]. Тем не менее, в ближайшем будущем ожидается крупномасштабная интеграция VRES на пути к энергетическому переходу, что приведет к более частым несоответствиям между спросом и предложением. Это указывает на необходимость сделать энергосистему более гибкой. [11,14,17–21]. Существует множество возможных решений для повышения гибкости: улучшение и усиление сети за счет модернизации, расширения и интеграции [22–26]; увеличение традиционной управляемой резервной мощности [27]; улучшение прогнозирования VRES [28–31]; меры по управлению спросом (DSM) [32–34]; интеграция технологий накопления энергии [10,18,35–44]; системные инновации (интеграция нескольких энергетических рынков и технологичные решения) [45–48]. Между тем, у этих решений есть свои недостатки: улучшения сети часто задерживаются, в том числе из-за непринятия их населением [49]; традиционные управляемые резервные источники энергии основаны на углеводородах, что приводит к выбросам больших количеств ПГ(парниковых газов) (GHG)[50]; развитая система прогнозирования частично решает проблему, но она не может отследить изменчивость мощностей, выдаваемых VRES, не может отследить поведение потребителей энергии, поведенческие аспекты ограничивают возможный потенциал DSM [51]. Накопление энергии (ES) выглядит многообещающе, потому что оно может разделить спрос и предложение, сдвигать подачу электроэнергии во времени, а затем допускать временные несоответствия между спросом и предложением электроэнергии, что делает его ценным системным инструментом [18]. Это свойство ES позволяет задействовать неиспользованные излишки VRES, которые в противном случае не имеют ценности, что увеличивает долю возобновляемых источников энергии в глобальном производстве [11, 52, 53]. ES также может увеличить распределенную генерацию VRES, обеспечив питание изолированных систем электроснабжения и улучшив собственное потребление распределенных генераторов, подключенных к сети [54–57]. ES также может улучшить другие уровни цепочки создания стоимости электроэнергии. Сокращая цикличность генерации базовой нагрузки и увеличивая ее среднюю мощность генерации, ES повышает общую эффективность цепи, уменьшая работу для высокозатратных мощных электростанций[58,59]. ES может уменьшить перегрузку сети и сгладить колебания частоты и напряжения, обеспечивая надежность и безопасность сети [60–63]. Цель этой статьи состоит в том, чтобы представить всесторонний обновленный обзор технологий ES, кратко рассмотреть их применение и проанализировать то, как применение этих технологий может работать в контексте энергетического перехода. Эта работа построена следующим образом: технологии ES классифицируются, описываются и характеризуются в Разделе 2, применения ES классифицируются и кратко описываются в Разделе 3. В том же разделе также приводятся рассуждения на обозначенную тему с учетом контекста энергетического перехода. В разделе 4 сделаны выводы, а также даны рекомендации для дальнейших исследований. 2. Технологии хранения энергии. Большое количество статей в журналах, связанных с энергетикой, а также отчетов нескольких исследовательских центров, связаны с изучением технологии хранения энергии. Эти исследования позволяют лучше понять технологические характеристики, лежащие в основе ES, их потенциальные применения и ограничения. Некоторые исследования более всеобъемлющи в технологическом подходе [10, 18, 36–44, 60], в то время как другие установили границы для более глубокого анализа [56–58, 64–70]. В этом разделе будет собран широкий спектр технологий ES, здесь собраны самые последние данные с использованием наиболее важных характеристик для описания и оценки технологий ES. 2.1 Классификация накопителей энергии. В первую очередь, необходимо ввести определение некоторых основных технических характеристик. Это необходимо для описания технических аспектов ES. Эти параметры применительно к каждой технологии позволяют сравнивать их, выделяя их возможности и ограничения. На основе литературного обзора были выбраны следующие параметры: номинальная мощность, время разряда, время отклика, скорость саморазряда, подходящий период хранения, КПД, плотность энергии, плотность мощности, удельная энергия, удельная мощность, срок службы, капитальные затраты, технологическая развитость и экологические проблемы. До сих пор в этой статье везде использовался термин «энергия», но для проведения классификаций с этого момента необходимо провести границы и внести ясность. Технологии хранения энергии можно сначала классифицировать в соответствии с используемым процессом преобразования. В этой классификации оцениваются формы входной и выходной энергии. Так как хранение твердого и жидкого топлива не связано с процессом конверсии, они не будут предметом данного исследования. Таким образом, для технологий ES существует два возможных энерго-входа: электрическая и тепловая энергия (тепло или холод), а диапазон возможных выходов энергии более широкий, например, электроэнергия, тепловая энергия, газообразные и жидкие топлива и другие химические соединения [71]. Процессы преобразования электричества в другую форму энергии и восстановления энергии обратно в электричество классифицируются как «Power-to-Power». Эти процессы составляют основную классификацию хранения, известную как Electricity Energy Storage (EES). Когда электричество преобразуется в другую форму энергии, и энергия восстанавливается в виде тепла или холода, эти процессы классифицируются как «Энергия-в-Тепло» (“Power-to-Thermal”), являясь частью основной классификации хранения, известной как Thermal Energy Storage (TES), которая также включает процессы, использующие тепловую энергию как на входе, так и на выходе. Процессы, использующие электричество для производства газообразного и жидкого топлива, соответственно классифицируются как «Энергия-в-Газ» («Power-to-Gas») и «Энергия-в-Жидкость» («Power-to-Liquid»), и оба они включены в основную классификацию хранения энергии, известную как «Хранение химической энергии», которая также включает процессы, использующие тепловую энергию, например, солнечную энергию для синтеза топлива, такой процесс называется «Solar-to-Fuels» [40,71]. У EES есть три последовательные классификации, учитывающие промежуточную форму энергии, в которой хранится электроэнергия. Первая известна как Хранение Механической Энергии. Здесь электричество хранится в виде кинетической или потенциальной (гравитационной или упругой) энергии с использованием механического процесса, такого как накачка, сжатие, расширение, ускорение и замедление. Вторая - Хранение Электрохимической энергии, энергия хранится в виде химической энергии с использованием обратимых электрохимических реакций, в частности окислительно-восстановительных реакций. Наконец, третья классификация - Хранение Электрической Энергии включает процессы, в которых энергия запасается в виде электрической потенциальной энергии с помощью специальных устройств для создания электрического поля (электростатический потенциал) или магнитного поля (электродинамический или магнитный потенциал) [40]. В таблице 1 приведены классификации процесса преобразования и хранения.  2.2 Описание технологий ES |