Проблеми та перспективи акумуляції електричної енергії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет «Одеська політехніка»

Проблеми та перспективи акумуляції електричної енергії

Ольга Сергіївна Тарахтій канд.техн.наук, доцент

Богдан Іванович Лесів

Аспірант

Україна

Анотація

Автори визначають актуальність проблеми акумуляції теплової енергії в контексті швидкого росту використання відновлювальних джерел енергії та необхідності забезпечення стабільності енергетичних систем. Зазначається, що існуючі енергетичні котли вже вичерпали свій ресурс, і тому виникає потреба в альтернативних методах зберігання теплової енергії. Стаття зосереджується на розвитку технологій акумуляції теплової та електричної енергії в ряді країн. Зазначається, що дослідження в цих напрямках підтримуються на законодавчому рівні і фінансуються з державних бюджетів. Стаття детально описує сучасний стан ринку накопичувачів енергії та визначає три основні сегменти: джерела безперебійного живлення, підтримка енергосистем і накопичувачі для транспорту. Автори підкреслюють, що основний акцент робиться на сегменті акумуляції електричної енергії. Ключові слова: електрична енергія, проблеми акумуляції' енергії

Abstract

Title (in English): Problems and prospects of accumulation of of electric energy

Summary. The authors determine the relevance of the problem of thermal energy accumulation in the context of the rapid growth of the use of renewable energy sources and the need to ensure the stability of energy systems. It is noted that the existing energy boilers have already exhausted their resource, and therefore there is a need for alternative methods of thermal energy storage. The article focuses on the development of thermal and electrical energy storage technologies in a number of countries. It is noted that research in these areas is supported at the legislative level and financed from state budgets. The article describes in detail the current state of the energy storage market and identifies three main segments: uninterruptible power supplies, power system support and transport storage. The authors emphasize that the main emphasis is on the segment of electric energy storage.

Key words: electric energy, problems of energy accumulation

Формулювання задачі

За даними агентства I3loomberg 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 акумулювальних систем найбільш поширені акумулювальні системи механічної енергії у вигляді гідроакумулювальних (ГАЕС) і пневмоакумулювальних (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.

Акумуляція електричної енергії. 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]. акумуляція тепловий енергія

Накопичувачі електроенергії для сонячних і вітряних електростанцій. 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.

Найбільш досконалі на сьогодні літій-іонні мають ємність 100 - 150 Вт/кг. за ціни літію близько 700 дол. США за кілограм. Зберігати значні кількості енергії з їхньою допомогою дорого. Екологічна чистота такого зберігання також викликає питання, оскільки літій - лужний метал, пожежонебезпечний і вибухонебезпечний у разі зіткнення з парами води, які завжди присутні в навколишній атмосфері.

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.

Рис. 1 Принцип роботи водневого акумулятора

Головними перевагами водневого акумулятора є:

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.

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.

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:

Інфраструктурні 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.

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.

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". Акумуляція електричної енергії. (2017)

Размещено на Allbest.ru