Energilagring - Energy storage

Llyn Stwlan -dammen i Ffestiniog Pumped Storage Scheme i Wales. Den nedre kraftstationen har fyra vattenturbiner som kan generera totalt 360 MW el i flera timmar, ett exempel på konstgjord energilagring och konvertering.

Energilagring är fångst av energi som produceras på en gång för användning vid ett senare tillfälle för att minska obalanser mellan energibehov och energiproduktion. En enhet som lagrar energi kallas vanligtvis en ackumulator eller ett batteri . Energi finns i flera former, inklusive strålning, kemikalier , gravitationspotential , elektrisk potential , elektricitet, förhöjd temperatur, latent värme och kinetik . Energilagring innebär att energi omvandlas från former som är svåra att lagra till mer bekvämt eller ekonomiskt lagringsbara former.

Vissa tekniker ger kortsiktig energilagring, medan andra kan hålla ut mycket längre. Bulk energilagring domineras för närvarande av vattenkraftsdammar, både konventionella och pumpade. Grid energy storage är en samling metoder som används för energilagring i stor skala inom ett elnät.

Vanliga exempel på energilagring är det uppladdningsbara batteriet , som lagrar kemisk energi som lätt kan omvandlas till el för att driva en mobiltelefon; den vattenkraftiga dammen, som lagrar energi i en reservoar som gravitationell potentiell energi ; och islagringstankar , som lagrar isfryst med billigare energi på natten för att möta toppbehovet på dagtid för kylning. Fossila bränslen som kol och bensin lagrar gammal energi som härrör från solljus av organismer som senare dog, begravdes och med tiden omvandlades till dessa bränslen. Mat (som tillverkas genom samma process som fossila bränslen) är en energiform som lagras i kemisk form.

Historia

Under 1900 -talets elnät genererades i huvudsak elkraft genom förbränning av fossilt bränsle. När det krävdes mindre kraft brändes mindre bränsle. Vattenkraft , en mekanisk energilagringsmetod, är den mest använda mekaniska energilagringen och har använts i århundraden. Stora vattenkraftdammar har varit energi lagringsplatser för mer än hundra år. Oron för luftföroreningar, energiimport och global uppvärmning har gett upphov till tillväxt av förnybar energi som sol- och vindkraft. Vindkraften är okontrollerad och kan generera vid en tidpunkt då ingen extra kraft behövs. Solenergin varierar med molntäcke och är i bästa fall endast tillgänglig under dagsljus, medan efterfrågan ofta toppar efter solnedgången ( se ankkurva ). Intresset för att lagra kraft från dessa intermittenta källor växer när förnybar energiindustri börjar generera en större bråkdel av den totala energiförbrukningen.

Elektrisk användning utanför nätet var en nischmarknad på 1900 -talet, men på 2000 -talet har den expanderat. Bärbara enheter används över hela världen. Solpaneler är nu vanliga på landsbygden i världen. Tillgång till el är nu en fråga om ekonomi och finansiell livskraft, och inte enbart på tekniska aspekter. Elfordon ersätter gradvis förbränningsmotorfordon. Att driva långväga transporter utan att bränna bränsle kvarstår dock under utveckling.

Metoder

Jämförelse av olika energilagringstekniker

Översikt

Följande lista innehåller en mängd olika typer av energilagring:

Mekanisk

Energi kan lagras i vatten som pumpas till en högre höjd med hjälp av pumpade lagringsmetoder eller genom att flytta fast material till högre platser ( gravitation batterier ). Andra kommersiella mekaniska metoder inkluderar komprimering av luft och svänghjul som omvandlar elektrisk energi till intern energi eller rörelseenergi och sedan tillbaka igen när det elektriska behovet toppar.

Vattenkraft

Hydroelektriska dammar med reservoarer kan drivas för att tillhandahålla el vid högsta efterfrågan. Vatten lagras i behållaren under perioder med låg efterfrågan och släpps ut när efterfrågan är hög. Nettoeffekten liknar pumpad lagring, men utan pumpförlust.

Medan en vattenkraftsdamm inte direkt lagrar energi från andra genereringsenheter, beter den sig likvärdigt genom att sänka produktionen i perioder med överskott av el från andra källor. I detta läge är dammar en av de mest effektiva formerna för energilagring, eftersom endast tidpunkten för dess generation ändras. Vattenkraftverk har en starttid i storleksordningen några minuter.

Pumpad hydro

Den Sir Adam Beck Generera ComplexNiagara Falls, Kanada , som omfattar en stor pump vattenkraft reservoar för att ge en extra 174 MW el under perioder av toppbelastning.

I hela världen är hydroelektricitet med pumpad lagring (PSH) den största kapaciteten för energilagring som finns tillgängligt och från och med mars 2012 rapporterar Electric Power Research Institute (EPRI) att PSH står för mer än 99% av bulklagringskapaciteten världen över, vilket motsvarar cirka 127 000 MW . PSH: s energieffektivitet varierar i praktiken mellan 70%och 80%, med krav på upp till 87%.

Vid tider med låg elektrisk efterfrågan används överskott av produktionskapacitet för att pumpa vatten från en lägre källa till en högre reservoar. När efterfrågan ökar släpps vatten tillbaka in i en nedre reservoar (eller vattenväg eller vattendrag) genom en turbin och genererar elektricitet. Vändbara turbingeneratoraggregat fungerar som både en pump och en turbin (vanligtvis en Francis-turbindesign ). Nästan alla anläggningar använder höjdskillnaden mellan två vattenförekomster. Rena pumplagringsanläggningar flyttar vattnet mellan behållarna, medan "pump-back" -metoden är en kombination av pumpad lagring och konventionella vattenkraftverk som använder naturligt strömflöde.

Komprimerad luft

Ett tryckluftslok som användes inne i en gruva mellan 1928 och 1961.

Tryckluftsenergilagring (CAES) använder överskottsenergi för att komprimera luft för efterföljande elproduktion. Småskaliga system har länge använts i sådana applikationer som framdrivning av gruvlok. Tryckluften lagras i en underjordisk behållare , till exempel en saltkupol .

Tryckluftsenergilagringsanläggningar (CAES) kan överbrygga klyftan mellan produktionsvolatilitet och belastning. CAES -lagring tillgodoser konsumenternas energibehov genom att effektivt tillhandahålla lätt tillgänglig energi för att möta efterfrågan. Förnybara energikällor som vind och solenergi varierar. Så ibland när de ger lite ström måste de kompletteras med andra energiformer för att möta energibehovet. Trycklufts energilagringsanläggningar kan ta in överskottsenergiproduktionen från förnybara energikällor under tider med överproduktion av energi. Denna lagrade energi kan användas vid ett senare tillfälle när efterfrågan på el ökar eller tillgången på energiresurser minskar.

Komprimering av luft skapar värme; luften är varmare efter kompression. Expansion kräver värme. Om ingen extra värme tillsätts blir luften mycket kallare efter expansion. Om värmen som genereras under komprimering kan lagras och användas under expansion, förbättras effektiviteten avsevärt. Ett CAES -system kan hantera värmen på tre sätt. Luftlagring kan vara adiabatisk , diabatisk eller isotermisk . Ett annat tillvägagångssätt använder tryckluft för att driva fordon.

Svänghjul

Huvudkomponenterna i ett typiskt svänghjul.
Ett Flybrid Kinetic Energy Recovery System svänghjul . Byggd för användning på Formel 1 -tävlingsbilar , den används för att återställa och återanvända rörelseenergi som fångats under bromsning.

Svänghjulsenergilagring (FES) fungerar genom att accelerera en rotor (ett svänghjul ) till en mycket hög hastighet och hålla energin som rotationsenergi . När energi tillförs ökar svänghjulets rotationshastighet, och när energi extraheras minskar hastigheten på grund av energibesparing .

De flesta FES -system använder el för att accelerera och sakta ner svänghjulet, men enheter som direkt använder mekanisk energi övervägs.

FES-system har rotorer gjorda av höghållfasta kolfiberkompositer , upphängda av magnetiska lager och snurrar med hastigheter från 20 000 till över 50 000 varv per minut (rpm) i ett vakuumhölje. Sådana svänghjul kan nå maximal hastighet ("laddning") på några minuter. Svänghjulssystemet är anslutet till en kombination elmotor / generator .

FES-system har relativt långa livslängder (varar årtionden med lite eller inget underhåll; livscykler för helcykel som anges för svänghjul sträcker sig från över 10 5 , upp till 10 7 , användningscykler), hög specifik energi (100–130 W · h /kg, eller 360–500 kJ/kg) och effekttäthet .

Massa gravitationsmassa

Att ändra höjden på fasta massor kan lagra eller släppa energi via ett upphöjningssystem som drivs av en elmotor/generator. Studier tyder på att energi kan börja släppas med så lite som 1 sekund varning, vilket gör metoden till ett användbart komplement till ett elnät för att balansera belastningssteg.

Effektiviteten kan vara så hög som 85% återvinning av lagrad energi.

Detta kan uppnås genom att placera massorna inuti gamla vertikala gruvaxlar eller i specialkonstruerade torn där de tunga vikterna vinschar upp för att lagra energi och tillåter en kontrollerad nedstigning att släppa den. År 2020 byggs en prototyp vertikal butik i Edinburgh, Skottland

Potentiell energilagring eller tyngdkraftsenergilagring var under aktiv utveckling 2013 i samarbete med California Independent System Operator . Den undersökte rörelsen för jordfyllda järnvägsvagnar som drivs av elektriska lok från lägre till högre höjder.

Andra föreslagna metoder inkluderar:-

  • använda skenor och kranar för att flytta betongvikter upp och ner;
  • använder höghöjda soldrivna ballongplattformar som stöder vinschar för att höja och sänka fasta massor slungade under dem,
  • använder vinschar som stöds av en havs pråm för att dra fördel av en höjdskillnad på 4 km mellan havsytan och havsbotten,
Fjärrvärme ackumulering torn från Theiss nära Krems an der Donau i Nedre Österrike med en termisk kapacitet på 2 GWh

Termisk

Termisk energilagring (TES) är tillfällig lagring eller borttagning av värme.

Känslig värme termisk

Förnuftig värmelagring utnyttjar förnuftig värme i ett material för att lagra energi.

Seasonal termisk energilagring (STES) gör att värme eller kyla kan användas månader efter att det samlats in från avfallsenergi eller naturliga källor. Materialet kan lagras i inneslutna akviferer, kluster av borrhål i geologiska underlag som sand eller kristallint berggrund, i fodrade gropar fyllda med grus och vatten eller vattenfyllda gruvor. Säsongmässiga termiska energilagringsprojekt (STES) har ofta återbetalning på fyra till sex år. Ett exempel är Drake Landing Solar Community i Kanada, för vilket 97% av året runt värme tillhandahålls av solvärmesamlare på garagetaken, med en borrhåls termisk energilager (BTES) som möjliggörande teknik. I Braedstrup, Danmark, samhällets sol fjärrvärmesystemet använder också STES, vid en temperatur av 65 ° C (149 ° F). En värmepump , som endast drivs när det finns överskott av vindkraft på nätet, används för att höja temperaturen till 80 ° C (176 ° F) för distribution. När överskott av vindgenererad el inte finns tillgänglig, används en gaseldad panna. Tjugo procent av Braedstrups värme är solceller.

Latent värme termisk (LHTES)

Latent värme termisk energilagringssystem fungerar genom att överföra värme till eller från ett material för att ändra dess fas. En fasförändring är smältning, stelning, förångning eller flytande. Ett sådant material kallas ett fasförändringsmaterial (PCM). Material som används i LHTES har ofta hög latent värme så att fasförändringen vid sin specifika temperatur absorberar en stor mängd energi, mycket mer än förnuftig värme.

En ångackumulator är en typ av LHTES där fasförändringen sker mellan vätska och gas och använder latent förångningsvärme av vatten. Islagrings luftkonditioneringssystem använder el från högtrafik för att lagra kallt genom att frysa vatten till is. Lagrad kyla i is släpper ut under smältningsprocessen och kan användas för kylning vid högtrafik.

Kryogen termisk energilagring

Se huvudartikel Kryogen energilagring

Luft kan kondenseras genom kylning med el och lagras som kryogen med befintlig teknik. Den flytande luften kan sedan expanderas genom en turbin och energin återvinnas som elektricitet. Systemet demonstrerades vid en pilotanläggning i Storbritannien 2012. År 2019 meddelade Highview planer på att bygga en 50 MW i norra England och norra Vermont, med den föreslagna anläggningen som kan lagra fem till åtta timmars energi, för en 250-400 MWh lagringskapacitet.

Carnot -batteri

Se huvudartikel Carnot -batteri

Elektrisk energi kan lagras i värmelagring genom resistiv uppvärmning eller värmepumpar, och den lagrade värmen kan omvandlas till el via Rankine -cykel eller Brayton -cykel . Denna teknik har studerats för att eftermontera befintliga kolkraftverk i fossila bränslefria generationssystem. Koleldade pannor ersätts av högtemperaturvärmelagring som laddas av överskott av el från variabla förnybara energikällor. År 2020 börjar German Aerospace Center att bygga världens första storskaliga Carnot-batterisystem, som har 1 000 MWh lagringskapacitet.

Elektrokemisk

Laddningsbart batteri

En laddningsbar batteribank som används som en avbrottsfri strömförsörjning i ett datacenter

Ett uppladdningsbart batteri består av en eller flera elektrokemiska celler . Det är känt som en "sekundär cell" eftersom dess elektrokemiska reaktioner är elektriskt reversibla. Uppladdningsbara batterier finns i många former och storlekar, allt från knappceller till megawattnät.

Laddningsbara batterier har lägre totalkostnad och miljöpåverkan än icke laddningsbara (engångs) batterier. Vissa uppladdningsbara batterityper finns i samma formfaktorer som engångsartiklar. Laddningsbara batterier har högre startkostnad men kan laddas mycket billigt och användas många gånger.

Vanliga laddningsbara batterikemikalier inkluderar:

  • Blybatteri : Blybatterier innehar den största marknadsandelen för produkter för elektrisk lagring. En enda cell producerar cirka 2V när den laddas. I det laddade tillståndet den metalliska bly negativa elektroden och blysulfat positiva elektroden är nedsänkta i en utspädd svavelsyra (H 2 SO 4 ) elektrolyt . I urladdningsprocessen skjuts elektroner ut ur cellen när blysulfat bildas vid den negativa elektroden medan elektrolyten reduceras till vatten.
  • Bly-syra batteriteknik har utvecklats i stor omfattning. Underhåll kräver minimal arbetskraft och kostnaden är låg. Batteriets tillgängliga energikapacitet utsätts för snabb urladdning vilket resulterar i låg livslängd och låg energitäthet.
Flödesbatteri

Ett flödesbatteri fungerar genom att leda en lösning över ett membran där joner byts ut för att ladda eller ladda ur cellen. Cellspänning bestäms kemiskt av Nernst -ekvationen och varierar i praktiska tillämpningar från 1,0 V till 2,2 V. Lagringskapacitet beror på lösningsvolymen. Ett flödesbatteri är tekniskt besläktat med både en bränslecell och en elektrokemisk ackumulatorcell . Kommersiella applikationer är avsedda för lång halvcykel lagring, t.ex. reservnät.

Superkondensator

En av en flotta av elektriska kapabuser som drivs av superkondensatorer, vid en snabbladdningsstation-busshållplats, i tjänst under Expo 2010 Shanghai Kina . Laddskenor kan ses hängande över bussen.

Superkondensatorer , även kallade elektriska dubbelskiktskondensatorer (EDLC) eller ultrakondensatorer, är en familj av elektrokemiska kondensatorer som inte har konventionell fast dielektrik . Kapacitans bestäms av två lagringsprinciper, dubbelskikts kapacitans och pseudokapacitans .

Superkondensatorer överbryggar klyftan mellan konventionella kondensatorer och laddningsbara batterier . De lagrar mest energi per volymenhet eller massa ( energitäthet ) bland kondensatorer. De stöder upp till 10 000 farads / 1,2 volt, upp till 10 000 gånger högre än för elektrolytkondensatorer , men levererar eller accepterar mindre än hälften så mycket effekt per tidsenhet ( effekttäthet ).

Medan superkondensatorer har specifik energi och energitäthet som är cirka 10% av batterierna, är deras effekttäthet i allmänhet 10 till 100 gånger större. Detta resulterar i mycket kortare laddnings-/urladdningscykler. De tolererar också många fler laddningsurladdningscykler än batterier.

Superkondensatorer har många applikationer, inklusive:

  • Låg strömförsörjning för minnesbackup i statiskt slumpmässigt åtkomstminne (SRAM)
  • Kraft för bilar, bussar, tåg, kranar och hissar, inklusive energiåtervinning från bromsning, kortsiktig energilagring och burst-mode kraftleverans

Kemisk

Ström till gas

Den nya tekniken hjälper till att minska växthusgaser och driftskostnader vid två befintliga högfabriker i Norwalk och Rancho Cucamonga . Batterilagringssystemet på 10 megawatt i kombination med gasturbinen gör att högtalaren snabbare kan reagera på förändrade energibehov, vilket ökar tillförlitligheten hos elnätet.

Kraft till gas är omvandling av elektricitet till ett gasformigt bränsle som väte eller metan . De tre kommersiella metoderna använder elektricitet för att reducera vatten till väte och syre med hjälp av elektrolys .

I den första metoden injiceras väte i naturgasnätet eller används för transport. Den andra metoden är att kombinera väte med koldioxid för att producera metan med användning av en metanationsreaktion , såsom Sabatier -reaktionen , eller biologisk metanering, vilket resulterar i en extra energiomvandlingsförlust på 8%. Metanen kan sedan matas in i naturgasnätet. Den tredje metoden använder utgångsgasen från en trägasgenerator eller en biogasanläggning , efter att biogasuppgraderaren har blandats med vätet från elektrolysatorn, för att uppgradera biogasens kvalitet.

Väte

Elementet väte kan vara en form av lagrad energi. Väte kan producera el via en vätgasbränslecell .

Vid penetrationer under 20% av nätbehovet förändrar förnybar energi inte ekonomin allvarligt; men bortom cirka 20% av den totala efterfrågan blir extern lagring viktig. Om dessa källor används för att göra joniskt väte kan de expanderas fritt. Ett femårigt samhällsbaserat pilotprogram med vindkraftverk och vätgeneratorer startade 2007 i det avlägsna samhället Ramea, Newfoundland och Labrador . Ett liknande projekt började 2004 på Utsira , en liten norsk ö.

Energiförluster involverade i vätelagringscykeln kommer från elektrolys av vatten , förvätskning eller kompression av väte och omvandling till elektricitet.

Cirka 50 kW · h (180 MJ) solenergi krävs för att producera ett kilo väte, så kostnaden för el är avgörande. På 0,03 dollar/kWh, en vanlig högspänningsledning i USA , kostar väte 1,50 dollar per kilo för elen, motsvarande 1,50 dollar/gallon för bensin . Andra kostnader inkluderar elektrolysatoranläggningen , vätgaskompressorer eller kondensering , lagring och transport .

Väte kan också produceras av aluminium och vatten genom att avlägsna aluminiumets naturligt förekommande aluminiumoxidbarriär och introducera det i vatten. Denna metod är fördelaktig eftersom återvunna aluminiumburkar kan användas för att generera väte, men system för att utnyttja detta alternativ har inte utvecklats kommersiellt och är mycket mer komplexa än elektrolyssystem. Vanliga metoder för att avlägsna oxidskiktet inkluderar kaustiska katalysatorer såsom natriumhydroxid och legeringar med gallium , kvicksilver och andra metaller.

Underjordisk vätlagring är praktiken för vätlagring i grottor , saltkupoler och utarmade olje- och gasfält. Stora mängder gasformigt väte har lagrats i grottor av Imperial Chemical Industries i många år utan några problem. Det europeiska Hyunder -projektet indikerade 2013 att lagring av vind- och solenergi med hjälp av underjordiskt väte skulle kräva 85 grottor.

Powerpaste är en vätskebaserad magnesium- och vätebaserad gel som avger väte när den reagerar med vatten . Det uppfanns , patenterades och utvecklas av Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials ( IFAM ) från Fraunhofer-Gesellschaft . Powerpaste tillverkas genom att kombinera magnesiumpulver med väte för att bilda magnesiumhydrid i en process som utförs vid 350 ° C och fem till sex gånger atmosfärstryck . En ester och ett metallsalt tillsätts sedan för att göra den färdiga produkten. Fraunhofer uppger att de bygger en produktionsanläggning som är planerad att starta produktionen 2021, som kommer att producera 4 ton Powerpaste årligen. Fraunhofer har patenterat deras uppfinning i USA och EU . Fraunhofer hävdar att Powerpaste kan lagra vätenergi vid 10 gånger energitätheten för ett litiumbatteri med liknande dimension och är säkert och bekvämt för bilsituationer.

Metan

Metan är den enklaste kolväte med molekylformeln CH 4 . Metan lagras och transporteras lättare än väte. Lagrings- och förbränningsinfrastruktur (rörledningar, gasometrar , kraftverk) är mogna.

Syntetisk naturgas ( syngas eller SNG) kan skapas i en flerstegsprocess, som börjar med väte och syre. Väte reageras sedan med koldioxid i en Sabatier -process , vilket producerar metan och vatten. Metan kan lagras och senare användas för att producera el. Det resulterande vattnet återvinns, vilket minskar behovet av vatten. I elektrolyssteget lagras syre för metanförbränning i en ren syremiljö vid ett intilliggande kraftverk, vilket eliminerar kväveoxider .

Metanförbränning producerar koldioxid (CO 2 ) och vatten. Koldioxiden kan återvinnas för att öka Sabatier -processen och vatten kan återvinnas för ytterligare elektrolys. Metanproduktion, lagring och förbränning återvinner reaktionsprodukterna.

CO 2 har ekonomiskt värde som en komponent i en energilagringsvektor, inte en kostnad som vid koldioxidavskiljning och lagring .

Ström till vätska

Kraft till vätska liknar kraft till gas förutom att vätet omvandlas till vätskor som metanol eller ammoniak . Dessa är lättare att hantera än gaser och kräver färre säkerhetsåtgärder än väte. De kan användas för transport , inklusive flygplan , men också för industriella ändamål eller inom kraftsektorn.

Biobränslen

Olika biobränslen som biodiesel , vegetabilisk olja , alkoholbränsle eller biomassa kan ersätta fossila bränslen . Olika kemiska processer kan omvandla kol och väte i kol, naturgas, växt- och djurbiomassa och organiskt avfall till korta kolväten som är lämpliga som ersättare för befintliga kolvätebränslen. Exempel är Fischer – Tropsch diesel, metanol , dimetyleter och syntetiska gaser . Denna dieselkälla användes flitigt under andra världskriget i Tyskland, som hade begränsad tillgång till råoljeförsörjning. Sydafrika producerar det mesta av landets diesel av kol av liknande skäl. Ett långsiktigt oljepris över US $ 35/bbl kan göra så storskaliga syntetiska flytande bränslen ekonomiska.

Aluminium

Aluminium har föreslagits som ett energilager av ett antal forskare. Dess elektrokemiska ekvivalent (8,04 Ah/cm3) är nästan fyra gånger större än litium (2,06 Ah/cm3). Energi kan utvinnas från aluminium genom att reagera med vatten för att generera väte . Det måste emellertid först avlägsnas sitt naturliga oxidskikt , en process som kräver pulverisering, kemiska reaktioner med frätande ämnen eller legeringar. Biprodukten av reaktionen för att skapa väte är aluminiumoxid , som kan återvinnas till aluminium med Hall – Héroult -processen , vilket gör reaktionen teoretiskt förnybar. Om Hall-Heroult-processen körs med sol- eller vindkraft kan aluminium användas för att lagra den producerade energin med högre effektivitet än direkt solelektrolys.

Bor, kisel och zink

Bor , kisel och zink har föreslagits som energilagringslösningar.

Annan kemikalie

Den organiska föreningen norbornadien  omvandlas till quadricyclane vid exponering för ljus och lagrar solenergi som energin för kemiska bindningar. Ett fungerande system har utvecklats i Sverige som ett molekylärt solvärmesystem.

Elektriska metoder

Kondensator

Denna mylarfilm, oljefyllda kondensator har mycket låg induktans och lågt motstånd, för att ge högeffekt (70 megawatt) och mycket hög hastighet (1,2 mikrosekund) urladdningar som behövs för att driva en färglaser .

En kondensator (ursprungligen känd som en 'kondensator') är en passiv tvåterminal elektrisk komponent som används för att lagra energi elektrostatiskt . Praktiska kondensatorer varierar mycket, men alla innehåller minst två elektriska ledare (plattor) åtskilda av ett dielektrikum (dvs isolator ). En kondensator kan lagra elektrisk energi när den kopplas bort från sin laddningskrets, så den kan användas som ett tillfälligt batteri eller som andra typer av laddningsbart energilagringssystem . Kondensatorer används vanligtvis i elektroniska enheter för att bibehålla strömförsörjningen medan batterierna byts. (Detta förhindrar förlust av information i flyktigt minne.) Konventionella kondensatorer ger mindre än 360 joule per kilogram, medan ett konventionellt alkaliskt batteri har en densitet på 590 kJ/kg.

Kondensatorer lagrar energi i ett elektrostatiskt fält mellan sina plattor. Med tanke på en potentialskillnad mellan ledarna (t.ex. när en kondensator är ansluten över ett batteri) utvecklas ett elektriskt fält tvärs över dielektrikumet, vilket får positiv laddning (+Q) att samlas på en platta och negativ laddning (-Q) att samlas på den andra plattan. Om ett batteri är anslutet till en kondensator under tillräckligt lång tid kan ingen ström flöda genom kondensatorn. Om en accelerations- eller växelspänning appliceras över kondensatorns ledningar kan emellertid en förskjutningsström strömma. Förutom kondensatorplattor kan laddning också lagras i ett dielektriskt lager.

Kapacitansen är större med tanke på en smalare separation mellan ledare och när ledarna har en större ytarea. I praktiken avger dielektrikum mellan plattorna en liten mängd läckström och har en gräns för elektrisk fältstyrka, känd som nedbrytningsspänning . Effekten av återhämtning av ett dielektrikum efter ett högspänningsavbrott har dock lovande för en ny generation av självläkande kondensatorer. Ledarna och ledningarna introducerar oönskad induktans och motstånd .

Forskning bedömer kvanteffekterna av nanoskala kondensatorer för digitala kvantbatterier.

Superledande magnetik

Superledande magnetiska energilagringssystem (SMES) lagrar energi i ett magnetfält som skapas av flödet av likström i en supraledande spole som har kylts till en temperatur under dess supraledande kritiska temperatur . Ett typiskt SMES -system inkluderar en supraledande spole , kraftkonditioneringssystem och kylskåp. När den supraledande spolen är laddad förfaller inte strömmen och magnetenergin kan lagras på obestämd tid.

Den lagrade energin kan släppas ut till nätet genom urladdning av spolen. Den tillhörande växelriktaren/likriktaren svarar för cirka 2–3% energiförlust i varje riktning. SMES förlorar den minsta mängden av elektricitet i lagringsprocessen energi jämfört med andra metoder för att lagra energi. SMES-system erbjuder rundturseffektivitet större än 95%.

På grund av energikraven för kylning och kostnaden för supraledande tråd används SMES för lagring under kort tid, t.ex. förbättring av strömkvaliteten . Det har också applikationer inom nätbalansering.

Ansökningar

Kvarnar

Den klassiska tillämpningen före den industriella revolutionen var kontrollen av vattenvägar för att driva vattenkvarnar för bearbetning av spannmål eller maskiner. Komplexa system av reservoarer och dammar konstruerades för att lagra och släppa ut vatten (och den potentiella energin det innehöll) vid behov.

Hem

Hushållens energilagring förväntas bli allt vanligare med tanke på den växande betydelsen av distribuerad produktion av förnybar energi (särskilt solceller) och den viktiga andelen energiförbrukning i byggnader. För att överstiga en självförsörjning på 40% i ett hushåll utrustat med solceller behövs energilagring. Flera tillverkare producerar laddningsbara batterisystem för lagring av energi, i allmänhet för att hålla överskottsenergi från solenergi eller vindgenerering i hemmet. Idag, för energilagring i hemmet, är litiumjonbatterier att föredra framför blysyra med tanke på samma kostnad men mycket bättre prestanda.

Tesla Motors producerar två modeller av Tesla Powerwall . Den ena är en 10 kWh veckocykelversion för backup -applikationer och den andra är en 7 kWh -version för applikationer med daglig cykel. År 2016 kostade en begränsad version av Tesla Powerpack 2 $ 398 (US)/kWh för att lagra el värd 12,5 cent/kWh (genomsnittligt nätpris i USA) vilket gör en positiv avkastning på investeringen tveksam om inte elpriserna är högre än 30 cent/kWh.

RoseWater Energy producerar två modeller av "Energy & Storage System", HUB 120 och SB20. Båda versionerna ger 28,8 kWh effekt, vilket gör det möjligt att köra större hus eller lätta kommersiella lokaler och skydda anpassade installationer. Systemet tillhandahåller fem nyckelelement i ett system, inklusive en ren 60 Hz sinusvåg, noll överföringstid, överspänningsskydd i industriell kvalitet, återförsäljning av förnybart energinät (tillval) och batteribackup.

Enphase Energy tillkännagav ett integrerat system som gör att hemanvändare kan lagra, övervaka och hantera el. Systemet lagrar 1,2 kWh energi och 275W/500W effekt.

Att lagra vind- eller solenergi med hjälp av lagring av termisk energi men mindre flexibelt är betydligt billigare än batterier. En enkel 52-liters elektrisk varmvattenberedare kan lagra ungefär 12 kWh energi för att komplettera varmvatten eller uppvärmning.

För rent ekonomiska ändamål i områden där nätmätning är tillgänglig kan hemgenererad elektricitet säljas till elnätet via en växelriktare utan användning av batterier för lagring.

Elnät och kraftverk

Förnybar energi

Konstruktion av salttankarna som ger effektiv lagring av termisk energi så att el kan genereras efter att solen gått ner och produktionen kan planeras för att möta efterfrågan. 280 MW Solana Generation Station är utformad för att ge sex timmars lagring. Detta gör att anläggningen kan generera cirka 38% av sin nominella kapacitet under ett år.
150 MW Andasol solkraftverk i Spanien är ett paraboliskt solvärmeverk som lagrar energi i tankar med smält salt så att det kan fortsätta generera el när solen inte skiner.

Den största källan och den största lagringen av förnybar energi tillhandahålls av vattenkraftsdammar. En stor magasin bakom en damm kan lagra tillräckligt med vatten för att genomsnittliga flodens årliga flöde mellan torra och våta årstider. En mycket stor reservoar kan lagra tillräckligt med vatten för att genomsnittet av en flod mellan torra och våta år. Medan en vattenkraftsdamm inte direkt lagrar energi från intermittenta källor, balanserar den elnätet genom att sänka sin effekt och behålla sitt vatten när kraft genereras av sol eller vind. Om vind- eller solgenerering överstiger regionens vattenkraftskapacitet, behövs ytterligare en energikälla.

Många förnybara energikällor (särskilt sol och vind) producerar variabel kraft . Lagringssystem kan jämna ut obalanserna mellan utbud och efterfrågan som detta orsakar. Elektricitet måste användas när den genereras eller omvandlas omedelbart till lagringsbara former.

Huvudmetoden för lagring av elnät är vattenkraft med pumplagring . Områden i världen som Norge, Wales, Japan och USA har använt förhöjda geografiska funktioner för reservoarer , med hjälp av eldrivna pumpar för att fylla dem. Vid behov passerar vattnet genom generatorer och omvandlar gravitationspotentialen för det fallande vattnet till elektricitet. Pumpad lagring i Norge, som får nästan all sin el från vattenkraft, har för närvarande en kapacitet på 1,4 GW men eftersom den totala installerade kapaciteten är nästan 32 GW och 75% av den är reglerbar kan den utökas avsevärt.

Vissa former av lagring som producerar elektricitet inkluderar pumpas-storage kraftverksdammar , uppladdningsbara batterier , termisk lagring inklusive smälta salter som effektivt kan lagra och frisätta mycket stora mängder värmeenergi, och komprimerad lagring luft-energi , svänghjul , kryogena system och supraledande magnetspolar .

Överskottskraft kan också omvandlas till metan ( sabatierprocess ) med lager i naturgasnätet.

Under 2011 skapade Bonneville Power Administration i nordvästra USA ett experimentprogram för att absorbera överskott av vind och vattenkraft som genereras på natten eller under stormiga perioder som åtföljs av kraftiga vindar. Under central kontroll absorberar hushållsapparater överskottsenergi genom att värma keramiska tegelstenar i speciella rumsvärmare till hundratals grader och genom att höja temperaturen på modifierade varmvattenberedare . Efter laddning ger apparaterna uppvärmning av hemmet och varmt vatten efter behov. Experimentsystemet skapades som ett resultat av en kraftig storm från 2010 som överproducerade förnybar energi i den utsträckning att alla konventionella kraftkällor stängdes av, eller i fallet med ett kärnkraftverk, reducerades till lägsta möjliga driftsnivå och lämnade en stor område som körs nästan helt på förnybar energi.

En annan avancerad metod som används vid det tidigare Solar Two -projektet i USA och Solar Tres Power Tower i Spanien använder smält salt för att lagra termisk energi som fångas upp från solen och sedan omvandla den och skicka den som elektrisk kraft. Systemet pumpar smält salt genom ett torn eller andra speciella ledningar som ska värmas upp av solen. Isolerade tankar lagrar lösningen. Elektricitet produceras genom att göra vatten till ånga som matas till turbiner .

Sedan början av 2000-talet har batterier applicerats på verktyg för lastutjämning och frekvensreglering .

I lagring mellan fordon och elnät kan elektriska fordon som är anslutna till energinätet leverera lagrad elektrisk energi från sina batterier till nätet vid behov.

Luftkonditionering

Värmeenergilagring (TES) kan användas för luftkonditionering . Det används mest för att kyla enskilda stora byggnader och/eller grupper av mindre byggnader. Kommersiella luftkonditioneringssystem är de största bidragsgivarna till topp elektrisk belastning. År 2009 användes termisk lagring i över 3 300 byggnader i över 35 länder. Det fungerar genom att kyla material på natten och använda det kylda materialet för kylning under de varmare dagtidstiderna.

Den mest populära tekniken är islagring , som kräver mindre utrymme än vatten och är billigare än bränsleceller eller svänghjul. I denna applikation körs en standardkylare på natten för att producera en ishög. Vatten cirkulerar genom högen under dagen för att kyla vatten som normalt skulle vara kylarens dagtid.

Ett partiellt lagringssystem minimerar investeringar genom att köra kylaggregatet nästan 24 timmar om dygnet. På natten producerar de is för lagring och under dagen kyler de vatten. Vatten som cirkulerar genom den smältande isen ökar produktionen av kyldt vatten. Ett sådant system gör is i 16 till 18 timmar om dagen och smälter is i sex timmar om dagen. Investeringarna minskar eftersom kylaggregaten bara kan vara 40% - 50% av den storlek som behövs för en konventionell design utan lagring. Lagring tillräckligt för att lagra en halv dags tillgänglig värme är vanligtvis tillräcklig.

Ett fullständigt lagringssystem stänger av kylaggregatet under hög belastningstid. Kapitalkostnaderna är högre, eftersom ett sådant system kräver större kylare och ett större islagringssystem.

Denna is produceras när elnätet är lägre. Kylsystem utanför topp kan sänka energikostnaderna. US Green Building Council har utvecklat programmet Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) för att uppmuntra design av byggnader med minskad miljöpåverkan. Lågkylning kan hjälpa till med LEED-certifiering.

Termisk lagring för uppvärmning är mindre vanligt än för kylning. Ett exempel på termisk lagring är att lagra solvärme som ska användas för uppvärmning på natten.

Latent värme kan också lagras i tekniska fasförändringsmaterial (PCM). Dessa kan inkapslas i vägg- och takpaneler, till måttliga rumstemperaturer.

Transport

Flytande kolvätebränslen är de vanligaste formerna för energilagring för transport , följt av en växande användning av batteri elbilar och hybridelektroniska fordon . Andra energibärare som väte kan användas för att undvika att producera växthusgaser.

Kollektivtrafiksystem som spårvagnar och vagnar kräver elektricitet, men på grund av deras rörelseförändring är en stabil elförsörjning via förnybar energi utmanande. Fotovoltaiska system installerade på byggnadens tak kan användas för att driva kollektivtrafik under perioder där det finns en ökad efterfrågan på el och tillgång till andra energiformer inte är lättillgängliga. Kommande övergångar i transportsystemet inkluderar också t.ex. färjor och flygplan, där elektrisk strömförsörjning undersöks som ett intressant alternativ.

Elektronik

Kondensatorer används i stor utsträckning i elektroniska kretsar för att blockera likström samtidigt som växelström kan passera. I analoga filternät släpper de ut strömmen från strömförsörjningen . I resonanskretsar ställer de in radioer på specifika frekvenser . I elektriska kraftöverföringssystem stabiliserar de spänning och effektflöde.

Användningsfall

Den United States Department of Energy International Energy Storage Database (IESDB), är en gratisdatabas projekt energilagring och politik som finansieras av Förenta staternas Department of Energy Office of Electricity och Sandia National Labs .

Kapacitet

Lagringskapacitet är mängden energi som utvinns från en energilagringsenhet eller -system. vanligtvis mätt i joule eller kilowattimmar och deras multiplar, kan det anges i antal timmars elproduktion vid kraftverkets typskyltkapacitet ; när lagring är av primär typ (dvs. termiskt eller pumpat vatten), hämtas uteffekten endast med det inbyggda lagringssystemet för kraftverket.

Ekonomi

Ekonomin för energilagring beror strikt på den reservtjänst som efterfrågas, och flera osäkerhetsfaktorer påverkar lönsamheten för energilagring. Därför är inte varje lagringsmetod tekniskt och ekonomiskt lämplig för lagring av flera MWh, och den optimala storleken på energilagret är marknad och platsberoende.

Dessutom påverkas ESS av flera risker, t.ex.

  • Teknikonomiska risker, som är relaterade till den specifika tekniken;
  • Marknadsrisker, vilka är de faktorer som påverkar elförsörjningssystemet;
  • Reglering och politiska risker.

Därför är traditionella tekniker baserade på deterministiskt diskonterat kassaflöde (DCF) för investeringsbedömningen inte helt tillräckliga för att utvärdera dessa risker och osäkerheter och investerarens flexibilitet att hantera dem. Därför rekommenderar litteraturen att bedöma värdet av risker och osäkerheter genom Real Option Analysis (ROA), vilket är en värdefull metod i osäkra sammanhang.

Den ekonomiska värderingen av storskaliga applikationer (inklusive pumpad vattenlagring och tryckluft) tar hänsyn till fördelar inklusive: undvikande av begränsningar, undvikande av nätstopp, prisarbitrage och kolfri energileverans. I en teknisk bedömning från Carnegie Mellon Electricity Industry Center kunde ekonomiska mål uppnås med hjälp av batterier om deras kapitalkostnad var $ 30 till $ 50 per kilowattimme.

Ett mått på energieffektivitet för lagring är energilagring på investerad energi (ESOI), vilket är mängden energi som kan lagras av en teknik, dividerat med den mängd energi som krävs för att bygga den tekniken. Ju högre ESOI, desto bättre är lagringstekniken energiskt. För litiumjonbatterier är detta cirka 10, och för blybatterier är det cirka 2. Andra lagringsformer som pumpad vattenkraftlagring har i allmänhet högre ESOI, till exempel 210.

Pumpelagrad vattenkraft är den klart största lagringstekniken som används globalt men har begränsad tillväxtpotential i de flesta länder på grund av mycket hög markanvändning för relativt liten kraft . Höga kostnader och begränsad livslängd gör fortfarande batterier till ett "svagt substitut" för leveransbara strömkällor och kan inte täcka för variabla förnybara energiklyftor som varar i dagar, veckor eller månader. I nätmodeller med hög VRE -andel tenderar de överdrivna lagringskostnaderna att dominera kostnaderna för hela nätet - till exempel i Kalifornien skulle 80% andel VRE kräva 9,6 TWh lagring men 100% kräva 36,3 TWh. Från och med 2018 hade staten bara 150 GWh lagringsutrymme, främst i pumplager och en liten bråkdel i batterier. Enligt en annan studie skulle 80% av USA: s efterfrågan från VRE kräva ett smart nät som täcker hela landet eller batterilagring som kan leverera hela systemet i 12 timmar, båda till en kostnad uppskattad till 2,5 biljoner dollar.

Forskning

Tyskland

År 2013 tilldelade den tyska federala regeringen 200 miljoner euro (cirka 270 miljoner dollar) för forskning och ytterligare 50 miljoner euro för att subventionera batterilagring i solpaneler på taket i bostäder, enligt en representant för German Energy Storage Association.

Siemens AG beställde en produktionsforskningsanläggning för att öppna 2015 vid Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff (ZSW, det tyska centret för solenergi och väteforskning i delstaten Baden-Württemberg ), ett universitet/branschsamarbete i Stuttgart, Ulm och Widderstall, bemannad av cirka 350 forskare, forskare, ingenjörer och tekniker. Anläggningen utvecklar nya nära-tillverkande tillverkningsmaterial och processer (NPMM & P) med hjälp av ett datoriserat system för övervakningskontroll och datainsamling (SCADA). Det syftar till att möjliggöra expansion av laddningsbara batteriproduktioner med ökad kvalitet och lägre kostnad.

Förenta staterna

Under 2014 öppnade forsknings- och testcenter för att utvärdera energilagringsteknik. Bland dem fanns Advanced Systems Test Laboratory vid University of Wisconsin i Madison i Wisconsin State , som samarbetade med batteritillverkaren Johnson Controls . Laboratoriet skapades som en del av universitetets nyöppnade Wisconsin Energy Institute . Deras mål inkluderar utvärdering av toppmoderna och nästa generations elbatterier , inklusive deras användning som nättillskott.

Den staten New York presenterade sin New York batteri och Energy Storage Technology (NY-BEST) Test och kommersialisering Center vid Eastman Business Park i Rochester, New York , till en kostnad av $ 23 miljoner för sin nästan 1700 m 2 laboratorium. Centret inkluderar Center for Future Energy Systems, ett samarbete mellan Cornell University of Ithaca, New York och Rensselaer Polytechnic Institute i Troy, New York . NY-BEST testar, validerar och certifierar oberoende olika former av energilagring avsedd för kommersiellt bruk.

Den 27 september 2017 introducerade senatorer Al Franken från Minnesota och Martin Heinrich från New Mexico Advancing Grid Storage Act (AGSA), som skulle ägna mer än 1 miljard dollar åt forskning, tekniskt bistånd och bidrag för att uppmuntra energilagring i USA.

I nätmodeller med hög VRE -andel tenderar de överdrivna lagringskostnaderna att dominera kostnaderna för hela nätet - till exempel i Kalifornien skulle 80% andel VRE kräva 9,6 TWh lagring men 100% kräva 36,3 TWh. Enligt en annan studie skulle 80% av USA: s efterfrågan från VRE kräva ett smart nät som täcker hela landet eller batterilagring som kan leverera hela systemet i 12 timmar, båda till en kostnad uppskattad till 2,5 biljoner dollar.

Storbritannien

I Storbritannien allierade sig omkring 14 branscher och myndigheter med sju brittiska universitet i maj 2014 för att skapa SUPERGEN Energy Storage Hub för att hjälpa till med samordningen av forskning och utveckling av energilagringsteknik.

Se även

Referenser

Vidare läsning

Tidskrifter och papper

  • Chen, Haisheng; Thang Ngoc Cong; Wei Yang; Chunqing Tan; Yongliang Li; Yulong Ding. Framsteg i lagringssystem för elektrisk energi: En kritisk granskning , Progress in Natural Science , accepterad 2 juli 2008, publicerad i Vol. 19, 2009, s. 291–312, doi: 10.1016/j.pnsc.2008.07.014. Hämtat från National Natural Science Foundation of China och Chinese Academy of Sciences . Utgiven av Elsevier och Science in China Press. Sammanfattning: en genomgång av teknik för lagring av elektrisk energi för stationära applikationer. Hämtad från ac.els-cdn.com den 13 maj 2014. (PDF)
  • Corum, Lyn. The New Core Technology: Energy storage is part of the smart grid evolution , The Journal of Energy Efficiency and Reliability , 31 december, 2009. Diskuterar: Anaheim Public Utilities Department, litiumion energy storage, iCel Systems, Beacon Power, Electric Power Research Institute (EPRI), ICEL, Self Generation Incentive Program, ICE Energy, vanadium redox flöde, litiumjon, regenerativ bränslecell, ZBB, VRB, blysyra, CAES och termisk energilagring. (PDF)
  • de Oliveira e Silva, G .; Hendrick, P. (2016). "Blybatterier i kombination med solceller för ökad självförsörjning i hushåll". Tillämpad energi . 178 : 856–867. doi : 10.1016/j.apenergy.2016.06.003 .
  • Whittingham, M. Stanley. Historik, utveckling och framtida status för energilagring , IEEE -förfaranden , manuskript accepterat 20 februari 2012, datum för publicering 16 april 2012; datum för nuvarande version 10 maj 2012, publicerad i Proceedings of the IEEE , Vol. 100, 13 maj 2012, 0018–9219, s. 1518–1534, doi: 10.1109/JPROC.2012.219017. Hämtad från ieeexplore.ieee.org 13 maj 2014. Sammanfattning: En diskussion om viktiga aspekter av energilagring, inklusive framväxande batteriteknologier och vikten av lagringssystem i viktiga applikationsområden, inklusive elektroniska enheter, transport och elnätet. (PDF)

Böcker

externa länkar