- Energijos kaupimas yra labai svarbus valdant atsinaujinančiosios energijos pertrūkius.
- Pažangios baterijos ir žaliasis vandenilis yra pagrindinės tvarios energijos ateities inovacijos.
- Išmanieji tinklai integruoja įvairias kaupimo technologijas, kad optimizuotų energijos vartojimą.
- Norint pagerinti energijos kaupimo perspektyvumą, reikia spręsti su sąnaudomis ir tvarumu susijusius iššūkius.
1. Energijos kaupimas: pagrindinės sąvokos
Prieš pasineriant į naujausias naujoves, būtina suprasti, kas tiksliai yra energijos kaupimas. Paprasčiau tariant, energijos kaupimas reiškia tam tikru metu pagamintos energijos surinkimą vėlesniam naudojimui. Tai galima padaryti įvairiais būdais – nuo cheminių baterijų iki mechaninių ar šiluminių sistemų.
Kodėl energijos kaupimas toks svarbus? Atsakymas slypi daugelio atsinaujinančių energijos šaltinių pertrūkiuose. Ne visada saulė šviečia ir ne visada pučia vėjas, bet mums reikia elektros 24/7. Energijos kaupimas veikia kaip tiltas, subalansuojantis elektros pasiūlą ir paklausą.
Pagrindiniai energijos kaupimo tipai yra šie:
- Elektrocheminė saugykla (baterijos)
- Mechaninis sandėliavimas (hidraulinis siurbimas, suslėgtas oras)
- Šiluminis saugojimas
- Cheminis saugojimas (vandenilis)
Kiekvienas iš šių metodų turi savo privalumų ir specifinių pritaikymų, o kartu jie sudaro įvairią energijos kaupimo sprendimų ekosistemą.
2. Pažangios ličio jonų baterijos
Ličio jonų baterijos ilgą laiką buvo nešiojamojo energijos kaupimo arkliukas, tačiau naujausi pažanga kelia šią technologiją į naujas aukštumas. Iki 2024 m. ieškome baterijų, kurių energijos tankis yra žymiai didesnis ir kurių gyvavimo ciklas ilgesnis.
Viena įdomiausių naujovių – kietojo kūno baterijų kūrimas. Šiose baterijose naudojamas ne skystas, o kietas elektrolitas, todėl jos yra saugesnės ir galbūt ilgiau tarnauja. Rezultatas? Elektrinės transporto priemonės, kurių atstumas yra didesnis nei 1000 XNUMX km vienu įkrovimu, ir elektroniniai įrenginiai, galintys veikti kelias dienas be įkrovimo.
Tačiau patobulinimai neapsiriboja vien tik akumuliatoriaus chemija. Dėl gamybos procesų ir naudojamų medžiagų pažangos ličio jonų akumuliatoriai tampa tvaresni ir ekologiškesni. Pavyzdžiui, kai kurios įmonės kuria būdus, kaip perdirbti beveik 100 % panaudotų baterijų medžiagų, sukurdamos žiedinę ekonomiką šiai svarbiai technologijai.
Elektros tinklų srityje didelės apimties ličio jonų baterijos atlieka vis svarbesnį vaidmenį stabilizuojant tinklą ir integruojant atsinaujinančią energiją. Tokie projektai, kaip 300 MW „Big Battery“ Viktorijoje, Australijoje, parodo šių technologijų potencialą pakeisti mūsų elektros tinklų valdymo būdą.
3. Šiluminės energijos kaupimas
Šiluminės energijos kaupimas (TES) pasirodo kaip perspektyvus sprendimas sprendžiant su pertrūkiais susijusias problemas atsinaujinančios energijos srityje. Ši technologija naudoja šilumą arba šaltį energijai kaupti, siūlydama efektyvią ir dažnai pigesnę alternatyvą tradiciniams akumuliatoriams.
Viena įdomiausių šios srities sistemų yra šiluminės energijos kaupimas naudojant išlydytas druskas. Šis metodas naudoja aukštos temperatūros druskas energijai kaupti šilumos pavidalu. Kaip tai veikia? Dienos metu druskos kaitinamos naudojant koncentruotą saulės energiją. Naktį ši šiluma išleidžiama gaminant garą ir, savo ruožtu, elektrą. Ši sistema jau naudojama koncentruotose saulės elektrinėse visame pasaulyje, todėl elektros energija gali būti gaminama 24 valandas per parą.
Kitas naujoviškas metodas – kriogeninis energijos kaupimas. Ši technologija naudoja elektrą orui vėsinti, kol jis suskystėja, saugodamas jį izoliuotose talpyklose. Kai reikia energijos, skystas oras kaitinamas ir plečiasi, varomas turbina generuoti elektrą. Pagrindinis šio metodo privalumas yra jo gebėjimas panaudoti likusį „šaltį“ šaldymo reikmėms, dar labiau padidinant jo efektyvumą.
Šiluminės saugyklos integravimas su atsinaujinančia energija atveria naujas elektros tinklo valdymo galimybes. Pavyzdžiui, Danijoje didelės karšto vandens talpyklos naudojamos kaip „baterijos“ vėjo energijos pertekliui kaupti ir šildyti namus, kai paklausa yra didelė.
4. Žalias vandenilis: ateities energijos vektorius
Žaliasis vandenilis tampa vienu iš perspektyviausių sprendimų ilgalaikiam energijos kaupimui ir sunkiai elektrifikuojamų sektorių dekarbonizavimui. Bet kas tiksliai yra žalias vandenilis ir kodėl jis kelia tiek daug įspūdžių?
Žaliasis vandenilis gaminamas vandens elektrolizės būdu, naudojant elektros energiją iš atsinaujinančių šaltinių. Šis procesas padalija vandens molekules į vandenilį ir deguonį, neišskirdamas CO2. Šio metodo grožis yra jo universalumas: vandenilis gali būti saugomas, transportuojamas ir naudojamas įvairiais būdais.
Vienas įdomiausių žaliojo vandenilio panaudojimo būdų yra sunkiojo transporto sektoriuje. Vandeniliniai sunkvežimiai, laivai ir lėktuvai gali pakeisti pasaulinę logistiką ir pasiūlyti švarią alternatyvą iškastiniam kurui. Pavyzdžiui, Norvegijos įmonė „Nel ASA“ kuria vandenilio degalų papildymo stotis, kurias naudojant vandenilinės transporto priemonės degalų papildymas būtų toks pat greitas ir paprastas, kaip ir benzino.
Pramonėje žalias vandenilis gali dekarbonizuoti procesus, kurie anksčiau buvo laikomi sunkiai elektrifikuojamais, pavyzdžiui, plieno ir cemento gamyba. Pavyzdžiui, Švedijos plieno gamintoja SSAB jau pagamino pirmąjį pasaulyje „be iškastinio kuro“ plieną, naudodama žaliąjį vandenilį, o ne anglį.
Tačiau vandenilio saugojimas kelia savų iššūkių. Šiuo metu tiriami keli sprendimai – nuo aukšto slėgio saugojimo iki skysto organinio vandenilio nešiklio (LOHC) naudojimo. Šios technologijos galėtų leisti ilgą laiką saugoti didelius atsinaujinančios energijos kiekius, veikdamos kaip savotiška „sezoninė baterija“ elektros tinklui.
5. Suslėgto oro sistemos (CAES)
Suslėgto oro energijos kaupimo (CAES) sistemos yra išradingas sprendimas didelio masto energijos kaupimui. Ši technologija, nors ir nėra nauja, išgyvena renesansą dėl naujovių, kurios daro ją efektyvesnę ir universalesnę.
Kaip veikia CAES? Iš esmės jis naudoja elektros energiją mažo poreikio metu, kad suspaustų orą ir laikytų jį požeminėse urvuose ar rezervuaruose. Kai elektros poreikis didėja, šis suslėgtas oras išleidžiamas ir pašildomas, plečiasi, kad būtų varomas turbina, kuri gamina elektrą.
Vienas iš svarbiausių CAES privalumų yra galimybė ilgą laiką kaupti didelius energijos kiekius. Pavyzdžiui, „Huntorf“ projektas Vokietijoje – pirmasis komercinis CAES pasaulyje – veikia nuo 1978 m., įrodantis šios technologijos ilgaamžiškumą ir patikimumą.
Tačiau tradicinės CAES sistemos turi trūkumą: oro suspaudimo metu jos praranda energiją šilumos pavidalu. Siekiant išspręsti šią problemą, kuriamos pažangios adiabatinės CAES sistemos, kurios fiksuoja ir kaupia šią šilumą vėlesniam naudojimui, žymiai padidindamos proceso efektyvumą.
Įspūdingas CAES naujovių pavyzdys yra „Hydrostor“ projektas Kanadoje. Ši įmonė sukūrė sistemą, kurioje suslėgtam orui laikyti naudojami požeminiai urvai, užpildyti vandeniu. Kai reikia energijos, išleidžiamas oras, išstumiantis vandenį ir gaminantis elektrą. Šis metodas yra ne tik efektyvesnis, bet ir leidžia statyti CAES įrenginius tose vietose, kur natūraliai nėra tinkamų geologinių formacijų.
6. Srauto baterijos
Flow baterijos yra unikalus ir daug žadantis požiūris į didelio masto energijos kaupimą. Skirtingai nuo įprastų baterijų, kur energija kaupiama kietuose elektroduose, srauto akumuliatoriuose naudojami du skysto elektrolito rezervuarai, kurie pumpuojami per elektrocheminį elementą elektros energijai gaminti.
Kokie yra šios sistemos privalumai? Pirma, srauto akumuliatoriaus talpa gali būti padidinta tiesiog pridedant daugiau elektrolito, todėl jie yra labai keičiami. Be to, šių baterijų tarnavimo laikas yra ypač ilgas, nes gali atlaikyti dešimtis tūkstančių įkrovimo ir iškrovimo ciklų be reikšmingo gedimo.
Yra keletas srauto baterijų tipų, tačiau šiuo metu pažangiausios ir komercializuojamos vanadžio-redokso srauto baterijos (VRFB). Šiose baterijose kaip elektrolitai naudojami skirtingos vanadžio oksidacijos būsenos rūgšties tirpale. Vienas iš pagrindinių VRFB privalumų yra tas, kad naudojant tą patį elementą abiejuose elektrolituose, pašalinama kryžminio užteršimo rizika, kuri yra įprasta kitų tipų srauto akumuliatorių problema.
Įkvepiantis srauto baterijų pritaikymo pavyzdys – projektas Dalian mieste, Kinijoje, kur sumontuota didžiausia pasaulyje 200 MW/800 MWh VRFB sistema. Ši sistema padeda integruoti vėjo ir saulės energiją į elektros tinklą, parodydama srauto baterijų potencialą tinklo masto energijos kaupimui.
Naujausi srauto baterijų pokyčiai yra skirti energijos tankio didinimui ir sąnaudų mažinimui. Pavyzdžiui, Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinės laboratorijos mokslininkai sukūrė naują srauto baterijų chemiją, pagrįstą organiniais elektrolitais, kuri žada būti pigesnė ir tvaresnė nei tradicinės srauto baterijos.
7. Superkondensatoriai
Superkondensatoriai, taip pat žinomi kaip ultrakondensatoriai, atsiranda kaip papildoma energijos kaupimo technologija tradiciniams akumuliatoriams. Šie įrenginiai užima unikalią nišą energijos kaupimo ekosistemoje, siūlydami didelės galios ir greito įkrovimo / iškrovimo derinį, todėl jie idealiai tinka tam tikroms reikmėms.
Bet kuo superkondensatoriai skiriasi nuo įprastų baterijų? Pagrindinis skirtumas tarp superkondensatorių ir įprastų baterijų yra tai, kaip jie kaupia energiją. Nors baterijos naudoja chemines reakcijas, superkondensatoriai kaupia energiją elektriniame lauke. Tai leidžia jiems įkrauti ir išsikrauti daug greičiau ir atlaikyti daug didesnį ciklų skaičių be degradacijos.
Kur naudojami superkondensatoriai? Įspūdingas pavyzdys yra viešasis transportas. Kinijoje elektrinius autobusus su superkondensatoriais galima visiškai įkrauti per kelias sekundes kiekvienoje stotelėje, todėl nereikia ilgų įkrovimo pertraukų. Ši sistema ne tik pagerina viešojo transporto efektyvumą, bet ir sumažina didelių ir sunkių akumuliatorių poreikį.
Buitinės elektronikos pasaulyje superkondensatoriai atranda kelią į įrenginius, kuriems reikia didelės galios energijos pliūpsnių. Pavyzdžiui, kai kuriuose išmaniuosiuose telefonuose fotoaparato blykstei maitinti jau naudojami superkondensatoriai, todėl galima padaryti daugiau nuotraukų su blykste neišsikraunant pagrindinės baterijos.
Naujausi medžiagų pažanga kelia superkondensatorius į naujas aukštumas. Pavyzdžiui, dėl didelio paviršiaus ploto ir puikaus laidumo grafenas yra tiriamas kaip perspektyvi superkondensatorių elektrodų medžiaga. Surėjaus universiteto mokslininkai sukūrė grafeno pagrindu pagamintus superkondensatorius, kurie elektroninius prietaisus gali įkrauti per kelias sekundes ir gali sukelti revoliuciją elektrinėse transporto priemonėse, įgalindami itin greitą įkrovimo laiką.
8. Gravitacinė saugykla
Gravitacinis kaupimas yra viena inovatyviausių ir tuo pačiu konceptualiai paprastų idėjų energijos kaupimo srityje. Ši technologija panaudoja gravitacijos jėgą energijai kaupti ir išleisti, o tai yra potencialus sprendimas ilgalaikiam energijos kaupimui.
Kaip tiksliai tai veikia? Įsivaizduokite betoninių blokelių bokštą. Kai tinkle yra energijos perteklius, ji naudojama šiems blokams pakelti. Kai reikia energijos, blokai numetami, per generatorius potencialią energiją paverčiant elektra. Skamba paprastai, tiesa? Tačiau dėl šio paprastumo ši technologija yra tokia patraukli.
Viena iš šios srities lyderių yra „Energy Vault“. Jų sistema naudoja kranus 35 tonų betono blokams sukrauti į bokštą. Kai reikia energijos, programinė įranga kontroliuoja blokų nusileidimą, paverčiant potencialią energiją kinetine, o vėliau elektra. Įspūdingas šio požiūrio dalykas yra tai, kad jis gali užtikrinti ilgalaikį saugojimą, nereikalaujant egzotiškų medžiagų ar sudėtingų cheminių procesų.
Kita naujoviška gravitacinio saugojimo koncepcija apima traukinių naudojimą. JAV bendrovė „Advanced Rail Energy Storage“ (ARES) sukūrė sistemą, kuri šlaite naudoja stipriai apkrautus traukinius. Traukiniai lipa į šlaitą, kai yra energijos perteklius, ir leidžiasi, kai reikia elektros. Ši sistema gali tiekti šimtus megavatų galios ir kaupti energiją kelias dienas ar net savaites.
Kokie yra gravitacinio saugojimo pranašumai? Pirma, jis turi labai ilgą tarnavimo laiką, nes nėra cheminio skilimo, kaip baterijose. Be to, jis naudoja daug ir pigių medžiagų, todėl tai gali būti labai pelninga dideliu mastu. Galiausiai, šias sistemas galima sukurti praktiškai bet kur, todėl jos yra labai universalios.
9. Saugojimo sistemų integravimas į išmaniuosius tinklus
Tikroji energijos kaupimo revoliucija yra ne tik atskirų technologijų kūrimas, bet ir protingas jų integravimas į mūsų elektros tinklus. Išmanieji tinklai, kuriuose naudojamos skaitmeninės technologijos elektros paklausai ir pasiūlai valdyti, yra šios transformacijos pagrindas.
Kaip veikia šie išmanieji tinklai su integruota saugykla? Įsivaizduokite miestą, kuriame namų baterijos, elektrinės transporto priemonės ir didelės saugojimo sistemos yra prijungtos prie tinklo. Pažangi energijos valdymo programinė įranga koordinuoja šiuos išteklius, įkrauna juos, kai yra atsinaujinančios energijos perteklius, ir iškrauna, kai yra didelė paklausa.
Įspūdingas šios integracijos pavyzdys yra Tesla virtualios elektrinės projektas Pietų Australijoje. Šis projektas sujungia tūkstančius saulės baterijų ir „Powerwall“ namų baterijų, kad būtų sukurta „virtuali elektrinė“, kuri prireikus galėtų tiekti energiją tinklui. Tai ne tik padėjo stabilizuoti tinklą, bet ir sumažino dalyvių išlaidas elektros energijai.
Kitas įdomus atvejo tyrimas yra El Hierro salos Kanarų salose. Ši maža sala pasiekė energijos apsirūpinimą derindama vėjo energiją su siurbline kaupimo sistema. Kai yra vėjo energijos perteklius, vanduo pumpuojamas į didelio aukščio rezervuarą. Kai vėjas nepučia, vanduo išleidžiamas, kad būtų sukurta hidroelektrinė. Ši hibridinė sistema leido saloje veikti beveik vien tik atsinaujinančia energija.
Saugojimo sistemų integravimas į išmaniuosius tinklus taip pat atveria naujas galimybes vartotojams dalyvauti energijos rinkoje. Pavyzdžiui, kai kuriose vietose elektrinių transporto priemonių savininkai gali užsidirbti pinigų, leisdami naudoti savo baterijas, kad subalansuotų tinklą. Ši koncepcija vadinama „transporto priemonės ir tinklo“ (V2G) pavadinimu.
10. Ateities iššūkiai ir galimybės
Nepaisant įspūdingos pažangos energijos kaupimo srityje, dar reikia įveikti didelius iššūkius. Viena iš pagrindinių kliūčių yra kaina. Nors baterijų kainos per pastarąjį dešimtmetį smarkiai sumažėjo, mums vis dar reikia toliau mažinti energijos kiekį, kad energijos kaupimas būtų ekonomiškai perspektyvus.
Kitas svarbus iššūkis yra tvarumas. Nors tokios technologijos kaip gravitacinis saugojimas yra tvarios, kitos, pavyzdžiui, ličio jonų baterijos, priklauso nuo ribotų medžiagų ir gavybos procesų, kurie gali būti kenksmingi aplinkai. Veiksmingų perdirbimo metodų kūrimas ir alternatyvių medžiagų paieška yra pagrindinės tyrimų sritys.
Kalbant apie politiką ir reglamentus, mums reikia sistemų, kurios skatintų investicijas į energijos kaupimą ir palengvintų jos integravimą į tinklą. Kai kurios šalys šiuo atžvilgiu pirmauja. Pavyzdžiui, Kalifornija iškėlė ambicingus energijos kaupimo diegimo tikslus, o tai paskatino inovacijas ir šių technologijų pritaikymą.
Energijos kaupimo rinkos perspektyvos yra labai daug žadančios. Remiantis „Bloomberg New Energy Finance“ ataskaita, tikimasi, kad pasaulinė energijos kaupimo rinka iki 942 m. išaugs iki 2,857 GW / 2040 620 GWh ir pritrauks XNUMX mlrd. USD investicijų. Šį augimą lems mažėjančios baterijų kainos, didėjanti atsinaujinančių išteklių skverbtis ir didėjantis tinklo atsparumo poreikis.
Energijos kaupimo išvada
Energijos kaupimas yra perėjimo prie švaresnės ir tvaresnės energetikos ateities pagrindas. Nuo pažangių ličio jonų baterijų iki naujoviškų gravitacinių saugojimo sistemų – technologijos, kurias išnagrinėjome šiame straipsnyje, keičia energijos generavimo, paskirstymo ir vartojimo būdus.
Šie sprendimai ne tik daro atsinaujinančią energiją gyvybingesnę ir patikimesnę, bet ir įgalina vartotojus, pagerina mūsų elektros tinklų atsparumą ir atveria naujas energijos valdymo galimybes.
Žvelgiant į 2024 m. ir vėlesnius metus, įdomu įsivaizduoti, kaip šios energijos kaupimo technologijos toliau vystysis ir kokių naujų naujovių atsiras. Vienas dalykas yra tikras: energijos kaupimas vaidins lemiamą vaidmenį formuojant mūsų energetikos ateitį.
O jūs, ką manote apie šias energijos kaupimo naujoves? Ar manote, kad jie labai pakeis mūsų energijos vartojimo ir mąstymo apie tai būdą? Pasidalykite šiuo straipsniu su draugais ir šeima, kad pradėtumėte pokalbį apie energetikos ateitį ir apie tai, kaip galime prisidėti prie tvaresnio pasaulio.