Акумуляція енергії: сучасний стан і проблеми

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет «Одеська політехніка»

Акумуляція енергії. Сучасний стан і проблеми

Ольга Сергіївна Тарахтій канд.техн.наук, доц.

Богдан Іванович Лесів аспірант

Україна

Анотація

В роботі розглянута актуальність, основні проблеми і перспективи питання акумуляції енергії. Розглядаються основні види сучасних систем накопичення енергії, типи акумуляторів енергії їхні переваги та недоліки. Проаналізовано які акумулятори доцільніше використовувати у складі сонячних і вітрових електростанцій. Докладно розглянуті водневі акумулятори, як доволі перспективні і екологічні.

Ключові слова сонячні електростанція, вітрова електростанція, відновлювальні джерела енергії, акумулятор електричної енергії

Формулювання задачі

Необхідність в акумуляції енергії обумовлюється декількома вагомими причинами. По-перше, вона викликана непостійністю природніх джерел енергії: сонце, припливи, вітер та ін. По-друге, акумуляція енергії є дуже актуальною за умов нерівномірності графіку споживання електричної енергії, яка виробляється на електростанціях Це обумовлено небажаністю роботи електричних станцій у перехідних режимах. Акумуляція надлишків виробленої електричної енергії дозволить подальше її використання у пікових режимах споживання. До того ж популяризація електричних видів транспорту кидає виклики виробникам акумуляторів електричної енергії і вимагає від них вдосконалення технологій виробництва.

За даними агентства Bloomberg частка вітрової та сонячної енергії в структурі світової енергетики подвоїлась за останні 5 років. Також активно розвиваються технології перероблювання твердих фракцій біомаси в біогаз або синтез-газ, використання різних видів рідкого біопалива. Використання та розвиток у різних сферах енергії з відновлювальних джерел дозволяє знизити залежність від традиційних видів палива та викиди у навколишнє середовище. До того ж більшість енергетичних котлів, якими оснащені ТЕС і котельні України вже виробили свій ресурс і тому ККД таких котлоагрегатів не перевищує 60 - 75 %. Враховуючи все вище сказане питання акумуляції теплової енергії стає що року все актуальнішим. Стрімко розвиваються технології акумуляції теплової та електричної енергії в країнах Євросоюзу, Японії, Китаї і США. Наукові дослідження у цих напрямках підтримуються на законодавчому рівні і фінансуються з державних бюджетів [1].

У промисловій енергетиці серед акумуляційних систем найбільш поширені акумуляційні системи механічної енергії у вигляді гідроакумулюючих (ГАЕС) і пневмоакумулюючих (ПАЕС) електростанцій. Питання акумуляції енергії для даних об'єктів добре описані та не представляють інтересу для дослідження [2]. На даний час багато більший інтерес становлять питання акумуляції електричної енергії.

Під час розгляду різних типів акумуляторів енергії слід брати до уваги багато їхніх характеристик. Для транспортних установок першорядне значення має питома енергія акумуляторів, тобто енергія, що запасається в 1 кг активної речовини акумулятора. У низці випадків, коли обмежені габарити, істотною може виявитися щільність накопиченої енергії на одиницю об'єму. Важливим показником будь-якого акумулятора є втрати енергії в процесі зберігання і взагалі можлива тривалість зберігання енергії. Іноді власне акумулюванню енергії передує більш-менш довгий ланцюжок перетворень енергії. У цьому разі дуже важливим виявляється сумарний ККД процесу акумулювання, а потім видачі енергії в тій чи іншій зручній формі. Нарешті, особливо для великих акумуляторів, істотне значення має питома вартість, що включає як вартість активної речовини, так і конструктивних елементів, допоміжних механізмів тощо. Зрозуміло, важливими є й експлуатаційні характеристики - температури, тиск, магнітні та електричні поля, безпека, простота обслуговування і багато іншого.

Світовий ринок накопичувачів енергії має три основні сегменти:

Сегмент джерел безперебійного живлення (далі ДБЖ).

Сегмент підтримки енергосистем.

Сегмент накопичувачів у засобах транспорту.

Сегменти "ДБЖ" і "Підтримки енергосистем" є цільовими для накопичувачів енергії, оскільки тут накопичувачі застосовують для розв'язання проблем якості електроенергії в промисловому масштабі, і вони є вельми привабливими за потенціалом зростання. Згідно з розрахунками НДІ Електроенергетики США (EPRI), поточні потреби північноамериканського ринку в стаціонарних накопичувачах енергії вартістю до 500 дол. США / 1 кВт*год становлять близько 34 ГВт. За розрахунками консалтингової компанії IMS Research, сумарна потужність накопичувачів енергії в гібридних системах із сонячними панелями в середньому зростатиме більш ніж на 100% протягом наступних п'яти років і зросте майже до 7 ГВт. При цьому до 2033 р. загальна потужність накопичувачів енергії на акумуляторах зросте до 40 ГВт. [3]. акумулятор енергія сонячний вітровий

Електрична енергія дуже розповсюджена і застосовується майже у всіх сферах життя людини. Враховуючи це, є дуже заманливою ідея збереження цієї енергії у такому виді, щоб не виникало необхідності в її перетворенні при зарядженні і розрядженні акумулятора. В принципі такі акумулятори вже існують, це електричні і електромагнітні накопичувачі енергії [4].

Накопичувачі електроенергії для сонячних і вітряних електростанцій. Управління енергетичної інформації США (EIA) опублікувало статистичні дані та прогноз до 2023 року щодо застосування систем накопичення енергії (СНЕ) на промислових об'єктах сонячної та вітрової генерації. Американці зазначають, що кількість таких гібридних, комбінованих об'єктів стрімко зростає. Якщо у 201 6 році їх було всього 16, то за підсумками 2019 року стало 53. У планах до 2023 року ще 56 таких нових об'єктів, тобто їхня кількість досягне 109. [5].

Рис. 1 Кількість та потужність накопичувачів енергії з відновлювальних джерел у США 2011-2023 рр.

Середній коефіцієнт використання потужностей сонячних і вітряних електростанцій (СВЕ) у світі становить 20%, тоді як вугільних перевищує 55%. Це свідчить про необхідність застосування засобів накопичення електроенергії та підняття коефіцієнта використання встановленої потужності СВЕ до рівня вугільних. Найпоширеніший сьогодні спосіб - це хімічні акумулятори. Схема використання акумуляторів такого типу з модулем сонячних батарей наведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема накопичення та споживання сонячної енергії

Особливість використання модулів сонячних батарей полягає в тому, що вказаний модуль не подає електричну енергію напряму споживачу, а заряджає акумулятори, які після перетворення у інверторі передають енергію споживачам.

В електростанціях на сонячних панелях в основному використовують хімічні акумулятори. За типом вони поділяються на дві великі групи - свинцево- кислотні та літієві. В таблиці 1 наведені основні типи таких акумуляторів, а також їхні переваги та недоліки.

Таблиця 1 Типи хімічних акумуляторів

взято з [4]

Лужні АКБ (Ni-Cd, NiMH) для застосування в системах сонячної електроенергетики не підходять, оскільки не можуть приймати заряд малими струмами, які виробляють сонячні панелі. Малі струми протікають через лужні елементи живлення, не збільшуючи їхню ємність. Тому лужні АКБ підходять для автономних енергетичних систем на основі дизель-генераторів, але не для сонячних панелей.

Механічні накопичувані енергії. До числа таких систем накопичення енергії належать різні установки гравітаційного, гігроскопічного, пружинного і газового типу. При цьому вони не призначаються для використання в комплексі з сонячними та іншими електростанціями, що працюють від альтернативних джерел енергії, оскільки вимагають високих струмів заряду.

До їх числа належать:

маховики - пристрої для миттєвої подачі електричного струму з використанням обертання; системи на основі стисненого повітря;

пристрої зберігання, що працюють за допомогою перетворення енергії на гази, наприклад, водень або метан;

гідроакумулюючі насосні станції, а також гравітаційні накопичувачі, суть функціонування яких полягає у скиданні вантажів з певної висоти.

Відомо, що енергія ідеального газу пропорційна його тиску, що дає можливість накопичити її у вигляді стисненого повітря. Ємністю для нього можуть слугувати герметичні цистерни, як у 9-мегаватного накопичувача Next Gen CAES на одній з електростанцій у Нью-Йорку, штольні покинутих шахт або природні печери-каверни. На тому ж принципі різниці тисків працює запропонований німецькими інженерами концепт ORES. Порожнисті бетонні ємності занурюються на дно і підключаються до офшорної електростанції: надлишок енергії вони накопичують, закачуючи всередину воду, а в разі потреби вона під тиском стисненого всередині повітря викидається назовні, запускаючи генератор.

Рис. 4 Гравітаційний накопичувач енергії

Водневе акумулювання. Привабливість та перспективність водню як універсального енергоносія визначається екологічною чистотою, гнучкістю та ефективністю процесів перетворення енергії з його участю. Технології різномасштабного виробництва водню досить добре освоєні і мають практично необмежену сировинну базу. Однак низькі густина газоподібного водню і температура його пожвавлення, а також висока вибухонебезпечність ставлять на перший план проблеми розроблення ефективних і безпечних систем зберігання водню - саме ці проблеми стримують розвиток водневої енергетики та технології на сьогоднішній день.

Водневі акумулятори знаходять широке застосування в різних галузях. У транспортній сфері їх можна використовувати для живлення електричних автомобілів, вантажівок і автобусів, що дає змогу зменшити викиди парникових газів і залежність від нафтових продуктів. Також вони можуть бути використані в стаціонарних енергетичних системах, забезпечуючи резервне електропостачання та усуваючи проблеми, пов'язані з коливаннями в мережі. Вони також можуть бути застосовані в галузі телекомунікацій, де надійне і тривале енергопостачання відіграє важливу роль.

Водневі акумулятори працюють на основі електрохімічних реакцій, які відбуваються у водневій комірці. У комірці є анод і катод, розділені електролітичною мембраною. Водень подається на анод, де відбувається окислення водню і виділення електронів. Електрони проходять через зовнішній ланцюг, створюючи електричний струм, а іони водню проникають через електролітичну мембрану на катод, де відбувається редукція і з'єднання з киснем. Цей процес створює воду як кінцевий продукт реакції.

Електричний двигун

Рис. 5 Принцип роботи водневого акумулятора

Головними перевагами водневого акумулятора є: 1) висока енергетична щільність: акумулятори мають високу енергетичну щільність, що означає, що вони здатні зберігати велику кількість енергії у відносно невеликому обсязі. Це робить їх ефективними для мобільних і переносних пристроїв, а також для застосування в транспортних засобах; 2) екологічна чистота: водень є чистим і екологічно безпечним джерелом енергії. Під час використання водневого акумулятора не виділяються шкідливі викиди або токсичні відходи, що сприяє зниженню негативного впливу на навколишнє середовище і клімат; 3) швидка перезарядка: акумулятори на основі водню мають високу швидкість перезарядки. Це дає змогу швидко відновлювати енергію і підвищує зручність використання акумулятора в повсякденному житті.

До недоліків водневих акумуляторів відносяться: 1) Інфраструктурі проблеми: для широкого використання водневих акумуляторів потрібна розвинена інфраструктура для виробництва, зберігання і розподілу водню. Наразі інфраструктура водневої енергетики обмежена, що обмежує доступність і поширення акумуляторів такого типу; 2) Високі витрати: водневі акумулятори є відносно дорогими через складні технології та процеси, пов'язані з виробництвом і зберіганням водню. Це обмежує їхнє широке комерційне застосування і доступність для споживачів.

Висновки

Найкраще для застосування в складі систем альтернативної електроенергетики підходять Li-ion батареї типу LiFePO4. Усі свинцево-кислотні батареї чутливі до глибокого розряду, але можуть у постійному режимі заряджатися невеликими струмами. За всіма критеріями, крім ціни, Li-ion батареї мають перевагу перед свинцево-кислотними моделями. І навіть за ціною вони виграють, якщо врахувати кількість робочих циклів. Якщо ж обирати між літій- іонними АКБ різних типів, найкращими на сьогодні визнані літій-залізо- фосфатні батареї. Вони лідирують і за критеріями безпеки, і за робочими параметрами, і за терміном служби. Головне - купити батареї високої якості, що точно відповідають заявленим характеристикам.

Загалом світовий ринок систем накопичення енергії розвивається дуже швидкими темпами, що призводить до регулярної появи систем накопичення енергії принципово нових типів, здатних покривати потреби не тільки підприємств, а й цілих населених пунктів.

Список використаних джерел

1. Демченко В.Г., Коник А.В. Основні аспекти процесів теплоакумулювання / Збірник наукових праць молодих вчених, аспірантів та студентів / Том 84, №1. 2020. С. 48-53.

2. Гичов Ю.О. Проблеми теорії і технології перетворення та використання енергії / Дніпропетровськ НМетАУ.2011.

3. ТОВ "Консалтингово-Внедренський центр "Відновлювані ресурси".

4. Энергетика. Проблемы и перспективы - Аккумуляторы электрической и электромагнитной энергии

Размещено на Allbest.ru