Kaupallisen energian varastoinnin yleiskatsaus

Uusiutuva energia on olennainen osa pitkän aikavälin hiilineutraaliussuunnitelmaa. Huolimatta hallittavasta ydinfuusiosta, avaruuslouhinnasta ja vesivoimavarojen laajamittaisesta kypsästä kehittämisestä, jolla ei ole kaupallista reittiä lyhyellä aikavälillä, tuulienergia ja aurinkoenergia ovat tällä hetkellä lupaavimpia uusiutuvia energialähteitä. Silti tuuli- ja valoresurssit rajoittavat niitä. Energian varastointi tulee olemaan olennainen osa tulevaisuuden energiankäyttöä. Tämä artikkeli ja myöhemmät artikkelit sisältävät laajamittaisia ​​kaupallisia energian varastointitekniikoita, jotka keskittyvät pääasiassa toteutustapauksiin.

Viime vuosina energian varastointijärjestelmien nopea rakentaminen on tehnyt joistakin aiemmista tiedoista enää hyödytöntä, kuten "paineilmaenergian varastointi sijoittui toiseksi kokonaiskapasiteettinsa ollessa 440 MW, ja natriumrikkiakut sijoittuivat kolmanneksi kokonaiskapasiteettiasteikolla 440 MW. 316MW" jne. Lisäksi uutinen, että Huawei on allekirjoittanut maailman "suurimman" energian varastointiprojektin 1300 MWh:lla, on ylivoimainen. Nykyisten tietojen mukaan 1300MWh ei kuitenkaan ole merkittävin energian varastointiprojekti maailmanlaajuisesti. Keskeisin suurin energian varastointihanke kuuluu pumppuvarastoon. Fyysisten energian varastointitekniikoiden, kuten suolaenergian varastoinnin, osalta sähkökemiallisen energian varastoinnin tapauksessa 1300MWh ei ole merkittävin projekti (kyse voi olla myös tilastollinen kaliiperi). Moss Landing Energy Storage Centerin nykyinen kapasiteetti on saavuttanut 1600MWh (sisältäen 1200MWh toisessa vaiheessa, 400MWh toisessa vaiheessa). Silti Huawein tulo on korostanut energian varastointialaa näyttämöllä.

Tällä hetkellä kaupalliset ja potentiaaliset energian varastointitekniikat voidaan luokitella mekaaniseen energian varastointiin, lämpöenergian varastointiin, sähköenergian varastointiin, kemiallisen energian varastointiin ja sähkökemialliseen energian varastointiin. Fysiikka ja kemia ovat pohjimmiltaan sama asia, joten luokitelkaamme ne toistaiseksi edeltäjiemme ajattelun mukaan.

1. Mekaaninen energian varastointi / lämpövarasto ja kylmävarasto

Pumppuvarasto:

Siinä on kaksi ylä- ja alasäiliötä, jotka pumppaavat vettä ylempään säiliöön energian varastoinnin aikana ja tyhjentävät vettä alempaan säiliöön sähköntuotannon aikana. Tekniikka on kypsää. Vuoden 2020 loppuun mennessä pumppuvarastokapasiteetin maailmanlaajuinen asennettu kapasiteetti oli 159 miljoonaa kilowattia, mikä on 94 % kokonaisenergian varastointikapasiteetista. Tällä hetkellä kotimaani on ottanut käyttöön yhteensä 32.49 miljoonaa kilowattia pumppuvoimaloita; rakenteilla olevien pumppuvoimaloiden koko mittakaava on 55.13 miljoonaa kilowattia. Sekä rakennettu että rakenteilla oleva mittakaava on maailman ensimmäinen. Varastovoimalaitoksen asennettu kapasiteetti voi olla tuhansia MW, vuotuinen sähköntuotanto voi olla useita miljardeja kWh ja mustakäynnistysnopeus voi olla muutaman minuutin luokkaa. Tällä hetkellä Kiinan suurimman energian varastointivoimalan, Hebei Fengningin pumppuvoimalan, asennettu kapasiteetti on 3.6 miljoonaa kilowattia ja vuotuinen sähköntuotantokapasiteetti 6.6 miljardia kWh (joka voi ottaa vastaan ​​8.8 miljardia kWh ylimääräistä tehoa, hyötysuhteella noin 75 %). Musta aloitusaika 3-5 minuuttia. Vaikka pumppuvarastojen haittapuolena katsotaan yleensä olevan rajoitettu paikkavalinta, pitkä investointisykli ja merkittävät investoinnit, se on silti kypsin tekniikka, turvallisin toiminta ja edullisin energian varastointikeino. Energiahallinto on julkistanut pumppuvarastojen keskipitkän ja pitkän aikavälin kehittämissuunnitelman (2021-2035).

Vuoteen 2025 mennessä pumppuvarastojen kokonaistuotantomäärä on yli 62 miljoonaa kilowattia; vuoteen 2030 mennessä täysi tuotantoasteikko on noin 120 miljoonaa kilowattia; vuoteen 2035 mennessä muodostuu nykyaikainen pumppuvarastoteollisuus, joka vastaa uuden energian suuren osuuden ja laajamittaisen kehittämisen tarpeisiin.

Hebei Fengningin pumppuvoimala - Alempi säiliö

Paineilmaenergian varastointi:

Kun sähkökuorma on alhainen, ilma puristuu ja varastoidaan sähköllä (yleensä maanalaisissa suolaluolissa, luonnonluolissa jne.). Kun sähkönkulutus on huipussaan, korkeapaineinen ilma vapautuu ajamaan generaattoria tuottamaan sähköä.

paineilmaenergian varastointi

Paineilmaenergian varastointia pidetään yleisesti pumppuvaraston jälkeen toiseksi sopivimpana teknologiana GW-mittakaavan energian varastointiin. Silti sitä rajoittavat sen tiukemmat paikkavalintaehdot, korkeat investointikustannukset ja energian varastoinnin tehokkuus kuin pumppuvarastolla. Alhainen, paineilmaenergian varastoinnin kaupallinen kehitys on hidasta. Tämän vuoden syyskuuhun (2021) asti maani ensimmäinen laajamittainen paineilmaenergian varastointiprojekti - Jiangsu Jintan Salt Cave -paineilmaenergian varastoinnin kansallinen testiesittelyprojekti on juuri liitetty verkkoon. Hankkeen ensimmäisen vaiheen asennettu kapasiteetti on 60 MW ja tehonmuunnoshyötysuhde noin 60 %; hankkeen pitkän aikavälin rakentamisen mittakaava on 1000 MW. Lokakuussa 2021 ensimmäinen maani itsenäisesti kehittämä 10 MW:n edistynyt paineilmaenergian varastointijärjestelmä yhdistettiin verkkoon Bijiessä, Guizhoussa. Voidaan sanoa, että kompaktin ilmaenergian varastoinnin kaupallinen tie on vasta alkanut, mutta tulevaisuus on lupaava.

Jintan paineilmaenergian varastointiprojekti.

Sulan suolan energian varastointi:

Sulan suolan energian varastointi, yleensä yhdistettynä aurinkolämpövoiman tuotantoon, keskittää auringonvalon ja varastoi lämpöä sulaan suolaan. Sähkön tuotannossa käytetään sulan suolan lämpöä sähkön tuottamiseen, ja suurin osa niistä tuottaa höyryä turbiinigeneraattorin käyttämiseksi.

sulan suolan lämmön varastointi

He huusivat Hi-Tech Dunhuang 100MW sulan suolatornin aurinkolämpövoimalaitosta Kiinan suurimmassa aurinkolämpövoimalassa. Delinghan 135 MW CSP-projekti, jossa on suurempi asennettu kapasiteetti, on alkanut rakentaa. Sen energian varastointiaika voi olla 11 tuntia. Hankkeen kokonaisinvestointi on 3.126 miljardia juania. Virallisesti se on suunniteltu liitettäväksi verkkoon ennen 30, ja se voi tuottaa vuosittain noin 2022 miljoonaa kWh sähköä.

Dunhuangin CSP-asema

Fyysisiä energian varastointitekniikoita ovat vauhtipyörän energian varastointi, kylmävarastoenergian varastointi jne.

2. Sähköenergian varastointi:

Superkondensaattori: Alhainen energiatiheys (katso alla) ja voimakas itsepurkautuminen rajoittavat sitä, joten sitä käytetään tällä hetkellä vain pienessä osassa ajoneuvojen energian talteenottoa, hetkellistä parranajohuippua ja laakson täyttöä. Tyypillisiä käyttökohteita ovat Shanghai Yangshanin syvävesisatama, jossa 23 nosturia vaikuttaa merkittävästi sähköverkkoon. Nostureiden sähköverkkoon kohdistuvan vaikutuksen vähentämiseksi varalähteeksi on asennettu 3MW/17.2KWh superkondensaattorienergian varastointijärjestelmä, joka pystyy jatkuvasti tarjoamaan 20s sähkönsyötön.

Suprajohtavan energian varastointi: jätetty pois

3. Sähkökemiallinen energian varastointi:

Tämä artikkeli luokittelee kaupallisen sähkökemiallisen energian varastoinnin seuraaviin luokkiin:

Lyijyakut, lyijy-hiiliakut

virta-akku

Metalli-ioniakut, mukaan lukien litiumioniakut, natrium-ioni-akut jne.

Ladattavat metalli-rikki/happi/ilmaakut

muut

Lyijyhappo- ja lyijy-hiiliakut: Kypsänä energian varastointiteknologiana lyijyakkuja käytetään laajalti autojen käynnistyksissä, varavirtalähteissä viestintätukiasemien voimaloissa jne. Lyijyakun negatiivisen Pb-elektrodin jälkeen on seostettu hiilimateriaaleilla, lyijy-hiiliakku voi tehokkaasti parantaa ylipurkausongelmaa. Tiannengin vuoden 2020 vuosikertomuksen mukaan yhtiön toteuttama State Grid Zhicheng (Jinling Substation) 12MW/48MWh lyijy-hiilienergian varastointiprojekti on ensimmäinen supersuuri lyijy-hiilienergian varastointivoimala Zhejiangin maakunnassa ja jopa koko maassa.

Virtausakku: Virtausakku koostuu yleensä nesteestä, joka on varastoitu säiliöön, joka virtaa elektrodien läpi. Varaus ja purkaminen suoritetaan ioninvaihtokalvon läpi; katso alla olevaa kuvaa.

Akun virtauskaavio

Edustavamman all-vanadium-virtausakun suuntaan Dalian Institute of Chemical Physicsin ja Dalian Rongke Energy Storagen toteuttama Guodian Longyuan, 5MW/10MWh -projekti oli maailman laajin täysvanadiinivirtausakkuenergian varastointijärjestelmä. Tuolloin maailma, joka on parhaillaan rakenteilla. Laajempi kokovanadiini-pelkistysvirtausakkujen energiavarastojärjestelmä saavuttaa 200MW/800MWh.

Metalli-ioniakku: nopeimmin kasvava ja laajimmin käytetty sähkökemiallinen energian varastointitekniikka. Niistä litiumioniakkuja käytetään yleisesti kulutuselektroniikassa, tehoakuissa ja muilla aloilla, ja niiden sovellukset energian varastoinnissa ovat myös lisääntymässä. Mukaan lukien aiemmat rakenteilla olevat Huawei-projektit, joissa käytetään litiumioniakkuenergian varastointia, suurin tähän mennessä rakennettu litiumioniakkuenergian varastointiprojekti on Moss Landingin energian varastointiasema, joka koostuu vaiheista I 300MW/1200MWh ja vaiheen II 100MW/400MWh. yhteensä 400MW/1600MWh.

Litiumioniakku

Litiumin tuotantokapasiteetin ja kustannusten rajoitusten vuoksi natriumionien korvaamisesta suhteellisen alhaisella energiatiheydellä, mutta runsailla reserveillä odotetaan laskevan hintaa, on tullut litiumioniakkujen kehityspolku. Sen toimintaperiaate ja päämateriaalit ovat samanlaisia ​​kuin litiumioniakut, mutta sitä ei ole vielä teollistettu suuressa mittakaavassa. , nykyisten raporttien mukaan käyttöön otettu natrium-ioni-akkuenergian varastointijärjestelmä on nähnyt mittakaavan vain 1 MWh.

Alumiini-ioniakuilla on korkea teoreettinen kapasiteetti ja runsaat varannot. Se on myös tutkimussuunta litiumioniakkujen vaihtamiseen, mutta selkeää kaupallistamisreittiä ei ole. Äskettäin suosittu intialainen yritys ilmoitti kaupallistavansa alumiini-ioni-akkujen tuotannon ensi vuonna ja rakentavansa 10 MW:n energiavarastoyksikön. Odotetaan ja katsotaan.

odota ja katso

Ladattavat metalli-rikki-/happi-/ilma-akut: mukaan lukien litium-rikki-, litium-happi-/ilma-, natrium-rikki-, ladattavat alumiini-ilma-akut jne., joiden energiatiheys on suurempi kuin ioni-akut. Nykyinen kaupallistamisen edustaja on natrium-rikkiakut. NGK on tällä hetkellä johtava natrium-rikkiakkujärjestelmien toimittaja. Valtava mittakaava, joka on otettu käyttöön, on 108MW/648MWh natrium-rikkiakkuenergian varastointijärjestelmä Yhdistyneissä arabiemiirikunnissa.

4. Kemiallinen energian varastointi: Vuosikymmeniä sitten Schrödinger kirjoitti, että elämä riippuu negatiivisen entropian hankkimisesta. Mutta jos et luota ulkoiseen energiaan, entropia kasvaa, joten elämän täytyy ottaa valtaa. Elämä löytää tiensä, ja varastoidakseen energiaa kasvit muuntavat aurinkoenergian kemialliseksi energiaksi orgaanisessa aineessa fotosynteesin avulla. Kemiallinen energian varastointi on ollut luonnollinen valinta alusta alkaen. Kemiallinen energian varastointi on ollut vankka energian varastointimenetelmä ihmisille siitä lähtien, kun se teki volteista sähköpiippuja. Suuren mittakaavan energiavarastoinnin kaupallinen hyödyntäminen on kuitenkin vasta alkanut.

Vedyn varastointi, metanoli jne.: Vetyenergialla on merkittäviä etuja korkea energiatiheys, puhtaus ja ympäristönsuojelu, ja sitä pidetään laajalti ihanteellisena energialähteenä tulevaisuudessa. Vedyn tuotanto → vedyn varastointi → polttokenno on jo matkalla. Tällä hetkellä kotimaassani on rakennettu yli 100 vetyn tankkausasemaa, jotka ovat maailman kärkisijoilla, mukaan lukien maailman suurin vetyn tankkausasema Pekingissä. Vedyn varastointitekniikan rajoitusten ja vedyn räjähdysriskin vuoksi metanolin edustama epäsuora vedyn varastointi voi kuitenkin olla myös välttämätön polku tulevaisuuden energialle, kuten Li Canin Dalian Instituten tiimin "nestemäisen auringonvalo" -teknologia. Chemistry, Kiinan tiedeakatemia.

Metalli-ilma-primaariset akut: edustavat alumiini-ilma-akut, joilla on korkea teoreettinen energiatiheys, mutta kaupallistamisessa on edistytty vain vähän. Monissa raporteissa mainittu edustava yritys Phinergy käytti ajoneuvoissaan alumiini-ilma-akkuja. Tuhat mailia, johtava ratkaisu energian varastoinnissa on ladattavat sinkki-ilma-akut.