Суперконденсатор — это импульсное устройство, предназначенное для компенсации быстрых переходных процессов в различных электрических цепях.

Он отличается от разных типов аккумуляторных батарей значительно меньшим энергопотреблением и повышенной удельной мощностью (2-10 кВтч/кг).

Процесс накопления энергии в суперконденсаторах осуществляется за счет разделения заряда на два электрода с достаточной разностью потенциалов. Поскольку химические превращения веществ не происходят во время работы суперконденсатора (если не допускается увеличение напряжения заряда), срок службы системы велик и может превышать 100 000 циклов зарядки / разрядки.

По своим основным параметрам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между химическими источниками питания и обычными конденсаторами.

Учитывая эти характеристики суперконденсаторов, специалисты в сфере энергетического инжиниринга рекомендуют использовать их в гибридных схемах с аккумуляторными батареями.

В этом случае суперконденсатор реагирует на кратковременные пики выработки или потребления электричества, увеличивает срок службы аккумулятора, сокращает время реакции всей системы на внешние воздействия.

Технологии хранения электрической энергии для возобновляемых источников

Растущее применение возобновляемых источников энергии в энергетическом секторе приводит к активизации усилий по модернизации электросетей, а также к увеличению использования аккумуляторных батарей.

В результате развития технологий в последние годы установленные мощности ВИЭ растут рекордными темпами.

Это особенно актуально для солнечных и ветряных электростанций.

В отличие от традиционных электростанций, работающих на ископаемом топливе, а также от некоторых форм производства электроэнергии из возобновляемых источников (например, энергия биомассы, гидроэнергия и геотермальная энергия), энергия ветра и солнца может поставляться только при наличии возобновляемых ресурсов.

Это делает ВИЭ менее предсказуемыми.

Эти изменения необходимо учитывать, чтобы максимально эффективно использовать возобновляемые источники энергии в системе и гарантировать постоянное соответствие между генерацией и потреблением.

Модульность — еще одна характеристика некоторых видов возобновляемой энергии, особенно фотоэлектрической и ветровой.

Это означает, что дополнительные энергетические мощности могут быть легко добавлены и введены в эксплуатацию на месте. Системы на месте, то есть в доме, офисном здании или другом коммерческом объекте, варьируют от маломощных до крупных промышленных объектов мощностью в мегаватты.

Их устанавливают на крыше (чаще всего при использовании в бытовых целях) или в непосредственной близости от торговой или промышленной площадки. Эта так называемая распределенная генерация заменяет традиционную модель подключения крупных объектов электроснабжения к конечному пользователю на больших расстояниях.

Переменный, децентрализованный характер возобновляемых источников энергии затрудняет обеспечение надежного электроснабжения.

Системные операторы обязаны строго следить за балансом между производимой и потребляемой электроэнергией, отслеживая частоту. В Европе целевая частота тока в электросети составляет 50 Гц.

Есть много объектов, которые играют важную роль в обеспечении гибкости электроэнергетической системы, включая хранилища энергии. Их использование следует оценивать индивидуально для каждой системы, принимая во внимание особенности разных частей мира. Перезаряжаемые батареи являются распространенным вариантом, но их использование не подходит для некоторых систем ВИЭ.

Перезаряжаемые батареи могут регулировать отклонения частоты в электросети и способствовать использованию переменных возобновляемых источников, сохраняя избыточную энергию для снабжения в периоды пиковых нагрузок.

Существует широкий выбор технологий хранения энергии для возобновляемых источников. Самая старая и наиболее развитая технология — так называемые гидроаккумулирующие гидроэлектростанции, которые предпочтительны для более длительных колебаний нагрузки (в течение нескольких часов). Эти установки давно доказали свои экономические и технические преимущества во всем мире.

С другой стороны, аккумуляторная батарея — это новая разработка на рынке.

К другим новым технологиям относятся хранение энергии за счет адиабатического сжатия воздуха, генераторов водорода и суперконденсаторов.

Энергия может храниться в виде тепла с использованием котлов, тепловых насосов, льда или охлажденной воды. Такие технологии можно применять для комбинированного производства тепла и электроэнергии для достижения максимального использования энергии ветра.

Хранение электроэнергии в форме тепла часто является более дешевым вариантом, чем другие, хотя преобразование тепла в электричество менее эффективно. Поэтому обычно электричество, преобразованное в тепло, позже используется как таковое для отопления, охлаждения или в промышленных процессах.

Аккумуляторные батареи для возобновляемых источников энергии

Из-за нестабильности выработки электроэнергии с помощью ветряных турбин и солнечных фотоэлектрических панелей, технологии хранения электроэнергии стали ключевым атрибутом систем электроснабжения.

Электроэнергия, накопленная в течение дня, подается аккумуляторными батареями в электросеть в ночное время или в часы пик, когда производства недостаточно для нужд потребителей.

Перезаряжаемые батареи могут быть размещены в централизованных ветровых и солнечных установках, чтобы сбалансировать неравномерное производство энергии. Они могут хранить излишки возобновляемой энергии для дальнейшего использования.

Процесс, при котором избыточная энергия передается для использования в периоды более высокой нагрузки, называется «переключением энергоснабжения».

Система накопления энергии — это не просто аккумулятор.

Ведущие мировые компании придают этому понятию иное значение.

Они предлагают пользователю более комплексное решение, которое включает в себя аккумуляторные батареи и программные решения, обеспечивающие контроль и оптимальное распределение нагрузки.

По данным US Energy Storage Monitor, 94,2% батарей, используемых для хранения энергии в Соединенных Штатах, являются литий-ионными, еще 5% приходится на проточные батареи с окислительно-восстановительным потенциалом ванадия и 0,5% рынка составляют свинцово-кислотными батареями.

Сейчас в целевом хранении электроэнергии преобладают литий-ионные батареи, устанавливаемые в домах с солнечными батареями.

С помощью новых технологий можно создать большую электрическую сеть, из которой каждый клиент будет использовать электроэнергию в соответствии со своими потребностями (на уровне счетчика).

Аккумуляторы преобразуют электричество в химическую энергию для хранения и обратно в электричество при необходимости. Они могут выполнять разные функции на разных этапах электрической сети. С солнечными фотоэлектрическими системами и ветряными турбинами батареи могут уравновешивать генерацию и накапливать избыточную энергию для использования при более высокой нагрузке.

В настоящее время эти колебания компенсируются энергией от природного газа, атомных электростанций или угольных электростанций, но для этой технологии обычно требуется больше времени для достижения максимальной мощности.

С другой стороны, аккумуляторные батареи довольно быстро реагируют на потребности потребителя. При их использовании вместо электростанций на ископаемом топливе они значительно сокращают выбросы углекислого газа в атмосферу.

При низких отпускных ценах на электроэнергию аккумуляторные батареи могут хранить энергию некоторое время, пока цены не вырастут. В домашних условиях батареи могут накапливать энергию для использования в любое время, а также обеспечивать резервное питание домов и предприятий в чрезвычайной ситуации.

Один из таких аккумуляторов — алюминиево-воздушные батареи.

Эта технология основана на процессе плавления, используемом при производстве алюминия. Батареи изготавливаются из дешевых материалов и имеют более высокую удельную энергоемкость, чем литий-ионные элементы. С другой стороны, их нужно обслуживать вручную: пользователи должны заменять алюминиевые пластины, чтобы заряжать аккумулятор.

Еще одна технология хранения энергии для ВИЭ — так называемые проточные аккумуляторы.

Аккумуляторы мгновенного действия особенно подходят для хранения энергии на уровне сети, поскольку их легко масштабировать. Они дают электричество, прокачивая раствор электролита через элемент, поэтому увеличение их емкости связано с увеличением размера резервуаров для хранения электролита.

Поскольку активные компоненты разделены, проточные аккумуляторы безопаснее использовать в больших масштабах, чем обычные батареи. Они также быстро заряжаются и имеют длительный срок эксплуатации, но необходимые материалы, такие как электролиты с высокой энергоемкостью энергии и ионообменные мембраны, остаются дорогими.

Некоторые компании на рынке разрабатывают способы увеличения удельной энергоемкости нынешних батарей с помощью экологически чистых материалов и по более низкой цене. Но электричество — не единственный экономически эффективный вид энергии.

Исследователи также ищут более эффективные способы хранения и использования тепла в будущем.

Например, команда ученых из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США) разрабатывает метод хранения тепла солнечных электростанций с использованием «сверхкритических жидкостей» или жидкостей, нагретых до высоких температур и высокого давления. Большинство солнечных электростанций, где установлены системы накопления энергии, используют специальную расплавленную соль, которая сохраняет тепло и выделяет его ночью для нагрева воды, вращающей турбину.

С помощью сверхкритических жидкостей такие электростанции могут снизить затраты на хранение энергии до 40% за счет более дешевой, простой и надежной конструкции.

Таким образом, солнечные электростанции могут обеспечивать более надежную и постоянную энергию, а также стать более конкурентоспособными по сравнению с атомными электростанциями и угольными электростанциями.

Инновационные системы накопления энергии

Батарея является лишь частью сложной системы, состоящей из нескольких основных компонентов, включая сам аккумулятор, системы управления и контроля, а также систему преобразования энергии.

Системы контроля и мониторинга гарантируют ее безопасность, максимальную производительность и надежность эксплуатации.

Система предотвращает перегрузку отдельных элементов и контролирует зарядку и разрядку аккумулятора, что важно для эффективности. Это делает выбор оборудования для контроля и мониторинга критически важным при реализации крупных проектов в области энергетического инжиниринга.

В случае литий-ионных аккумуляторов это оборудование должно следить за температурой, поскольку они имеют тенденцию к перегреву. При выходе на рынок многих новых устройств система хранения энергии также подключается к инвертору, чтобы предоставить законченный, полностью интегрированный продукт.

Децентрализованные решения на основе аккумуляторов

Электрификация островов и изолированных сельских районов — это вызов и в то же время уникальная возможность для интеграции ВЭИ.

Некоторые удаленные районы полагаются на дизельные генераторы, но этот вид производства энергии является дорогостоящим и производит большое количество вредных выбросов.

Удаленность и отсутствие инфраструктуры означают, что регулярные поставки дизельного топлива — дело дорогое и рискованное. В то же время дизельные генераторы считаются наиболее доступным и экономичным решением для производства энергии в отдаленных районах, поскольку они гибко реагируют на переменную нагрузку.

Тем не менее, изолированные потребители имеют отличную возможность попробовать аккумуляторные батареи. Эту технологию хранения энергии можно использовать для интеграции возобновляемых источников энергии, снижения зависимости от дизельного топлива и газа, а в некоторых случаях и для снижения затрат.

В некоторых удаленных районах действуют «микросети» со слабыми сетевыми связями и недостаточно гибкими источниками энергии.

Эти объекты выиграют от накопления энергии для более надежного использования местных ветряных и солнечных электростанций.

Источник: ESFC Investment Group: Технологии хранения электрической энергии