Proveo sam previše sati čitajući bijele knjige i specifikacijeskladištenje energije. I evo šta sam shvatio: cijeli krajolik je neuredniji i zanimljiviji nego što većina članaka zvuči.
Svi pričaju o baterijama. Istina je da-su sada posvuda. Ali skladištenje energije? To je mnogo veći razgovor. Govorimo o svemu, od masivnih rezervoara vode na planinskim vrhovima do vrtećih komada metala u vakuumskim komorama. Neke od ovih tehnologija postoje još od kada su vaši prabake-djedovi bili djeca. Drugi postoje uglavnom u laboratorijama i PowerPoint prezentacijama.
Dozvolite mi da vas provedem kroz ono što je zapravo tamo.
Stari radni konj o kome niko ne govori
Hidro skladište. Zvuči dosadno, zar ne? Dva rezervoara na različitim visinama, nekoliko turbina, voda teče gore-dole. Jednostavna fizika.
Ali evo u čemu je stvar-ova "dosadna" tehnologija upravlja s otprilike 95% cjelokupne mreže{2}}pohranjivanja energije širom svijeta. Devedeset{4}}pet posto. Kada ljudi raspravljaju o hemiji baterija i raspravljaju o litijumu naspram natrijuma, pumpna hidroelektrana samo tiho radi svoj posao u pozadini.
Koncept je gotovo sramotno jednostavan. Kada je struja jeftina (obično noću, ili kada sunce žari i solarni paneli rade), pumpate vodu uzbrdo u rezervoar. Kada cijene porastu ili potražnja skoči, pustite tu vodu da se vrati kroz turbine. Efikasnost se kreće oko 70-85%, što nije savršeno, ali je kapacitet skladištenja ogroman. Govorimo o objektima koji mogu skladištiti gigavat-sate energije. Ne megavat{9}}sati. Gigavat{11}sati. Pokušajte to učiniti s litijum-jonskim.
Naravno, postoji kvaka. Treba ti geografija. Potrebna su vam dva rezervoara. Potrebna vam je prava visinska razlika. Ne možete baš napraviti jedan od ovih u Kanzasu. Sama ekološka dozvola traje godinama. A troškovi unapred? Astronomski. Ali kada se naprave, ove fabrike rade 50, 60, ponekad i 80 godina. Objekat okruga Bath u Virginiji radi od 1985. godine i ne pokazuje znakove zaustavljanja.
Komprimirani zrak: podzemni pristup
Skladištenje energije komprimovanog vazduha (CAES) je čudni rođak hidroelektrane sa pumpama. Umjesto da pomičete vodu, vi sabijate zrak u podzemne pećine-slane kupole, iscrpljena polja prirodnog gasa, vodonosne slojeve, bilo koje geološke formacije koje su dostupne.
Tokom van{0}}vršnih sati, električni kompresori guraju zrak u ove podzemne prostore pod pritiscima od kojih bi vam uši pukle pri samoj pomisli na njih. Kada vam je potrebna struja, komprimirani zrak se oslobađa, zagrijava (obično prirodnim plinom, koji nije-tako-zeleni dio) i prolazi kroz turbine.
Trenutno rade samo dvije komercijalne CAES fabrike. Dva. Jedan u Njemačkoj koji radi od 1978. i jedan u Alabami od 1991. Tehnologija radi, jasno. Ali geološki zahtjevi su strogi, a ekonomija nije zacrtana na mnogim lokacijama. Ipak, istraživači nastavljaju da rade na naprednim verzijama-adijabatskih sistema koji hvataju i ponovo koriste toplotu iz kompresije, eliminišući potrebu za prirodnim gasom. Oni za sada postoje uglavnom u pilot projektima.
Zamašnjaci: čista mehanička ljepota
Priznajem da su-zamašnjaci moji omiljeni. Postoji nešto elegantno u pohranjivanju energije kao rotacijskog kretanja.
Sistem zamašnjaka je u suštini teški rotor koji se okreće u vakuumskoj komori, okačen na magnetne ležajeve kako bi se minimiziralo trenje. Kada imate višak struje, motori brže okreću zamašnjak. Kada vam treba vratiti struja, ta masa koja se vrti pokreće generator. Fizika je čista, intuitivna.
Zamašnjaci su odlični u stvarima koje baterije mrze: brzi ciklusi punjenja{0}}pražnjenja, milioni ciklusa tokom njihovog životnog vijeka, trenutna vremena odziva mjerena milisekundama. Savršeni su za regulaciju frekvencije-ona mala, stalna prilagođavanja koja su mreža potrebna da ostane stabilna na tačno 60 Hz (ili 50 Hz, ovisno o tome gdje živite).
U čemu nisu dobri? Čuvanje energije na duže periode. Čak i sa najboljim magnetnim ležajevima i skoro{1}}savršenim usisivačima, zamašnjaci vremenom gube energiju na trenje. Ostavite jedno sjedenje jedan dan i izgubili ste značajan dio pohranjene energije. Ostavite nedelju dana i, dobro, nemojte se truditi.
Dakle, zamašnjaci zauzimaju određenu nišu: kratko-trajne,-aplikacije velike snage. Centri podataka ih koriste kao most za napajanje tokom nekoliko sekundi koliko je potrebno dizel generatorima da se pokrenu. Neki tranzitni sistemi obnavljaju energiju kočenja u zamašnjake i ispuštaju je nazad u treću šinu u roku od nekoliko sekundi. NASA se igrala s njima za svemirske letjelice.
Baterije: Kategorija do koje je svima stalo
Ok, hajde da pričamo o baterijama. Elektrohemijske opcije su eksplodirale poslednjih godina, i iskreno, postaje zbunjujuće.
Litijum{0}}iondominira razgovorom s dobrim razlogom. Velika gustoća energije znači više skladištenja u manje prostora. Pristojan životni vek, posebno sa novijim hemijama. Troškovi su opali-kao, pali za 90% od 2010. godine. Vaš telefon, vaš laptop, električna vozila, i sve više, pohrana na mreži, svi rade na varijacijama litijum-jona.
Ali "litijum{0}}ion" nije jedna stvar. To je porodica. Litijum gvožđe fosfat (LFP) žrtvuje određenu gustinu energije za bolju sigurnost i duži život-bez kobalta, što je važno i etički i ekonomski. Kineski proizvođači su dali all-in-u LFP-u, a sada on preuzima. U međuvremenu, nikl-mangan-kobalt (NMC) ima više energije po kilogramu, što je važno kada pokušavate dati električnom automobilu pristojan domet.
Tamna strana litijum{0}}jona? Thermal runaway. Ove baterije se mogu zapaliti na spektakularan način ako su oštećene, prenapunjene ili jednostavno nemaju sreće. Proizvodnja je energetski-intenzivna. Lanci nabavke litijuma i kobalta imaju svoj vlastiti etički prtljag. I dok se infrastruktura za reciklažu poboljšava, većina istrošenih baterija i dalje završava na deponijama.
Protočne baterijezauzeti potpuno drugačiji pristup. Umjesto pohranjivanja energije u čvrste elektrode, oni koriste tekuće elektrolite u vanjskim spremnicima. Želite više energetskih kapaciteta? Samo nabavite veće rezervoare. Snaga i energija su odvojeni, što mijenja cijelu filozofiju dizajna.
Vanadijum redoks baterije (VRFB) su najzrelija verzija. Traju praktično zauvijek-govorimo o 15.000 do 20.000 ciklusa, možda i više. Nema degradacije od dubokog pražnjenja. Elektrolit se ne troši; samo pljusne napred-nazad kroz snop ćelija. Za dvadeset-pet godina, možete isprazniti elektrolit, poslati ga negdje drugdje i nastaviti ga koristiti.
Ali protočne baterije su glomazne. Niska gustina energije znači da nemaju smisla za vozila ili prijenosne aplikacije. Vanadijum takođe nije jeftin. Za skladištenje na mreži{3}}u kojem otisak nije bitan, a dugovječnost je važna? Sve su privlačniji.
Olovna{0}}kiselinaje originalna punjiva baterija, u osnovi nepromijenjena od 1859. Vaš auto počinje s jednom. Jeftini su,-dobro shvaćeni i 98% se mogu reciklirati. Ali životni ciklus je osrednji, gustina energije je slaba, a oni su teški. Što se tiče mrežnih aplikacija, oni su uglavnom zamijenjeni, ali i dalje dominiraju u sistemima rezervnog napajanja gdje su troškovi važniji od svega ostalog.
Natrijum{0}}ionda li novajlija dobija ozbiljnu pažnju. Natrijum je posvuda-bukvalno u morskoj vodi-tako da problemi u lancu snabdijevanja praktično nestaju. Proizvodni proces može ponovo koristiti postojeću fabričku opremu litijum{4}}ona. Performanse još nisu sasvim na nivou litijum{6}}jona, ali brzo se smanjuju. CATL je započeo masovnu proizvodnju 2023. U roku od pet godina, natrijum-jon bi mogao zauzeti ozbiljan tržišni udio za stacionarno skladištenje.
Trebao bih napomenutinikl-kadmijum(još se koristi u nekim industrijskim aplikacijama, iako je kadmijum otrovan i EU ga je ograničila),nikl-metal hidrid(sećate li se Priusa pre nego što je otišao na litijum?), inatrijum-sumpor(visokotemperaturni sistemi koje su japanske kompanije snažno forsirale 2000-ih). Ali u ovom trenutku navodim stvari samo da ih navedem. Praktična realnost je da su litijum{4}}jonske i protočne baterije tamo gdje je akcija, s natrijum-jonskim koji se brzo povećavaju.
Termalno skladištenje: Toplina kao baterija
Evo kategorije kojoj se ne pridaje dovoljno pažnje: skladištenje energije kao toplote (ili hladnoće).
Skladište rastopljene solitako rade koncentrisane solarne elektrane noću. Ogledala fokusiraju sunčevu svetlost na toranj, zagrevajući rastopljenu so na 500-600 stepeni. Ta sol se skladišti u izolovanim rezervoarima, a kada vam zatreba struja, koristite je za proizvodnju pare i pokretanje turbine. Postrojenje Gemasolar u Španiji može proizvoditi energiju 15 sati nakon zalaska sunca. Crescent Dunes u Nevadi zadržava dovoljno toplote za 10 sati proizvodnje.
Dobra stvar u vezi sa rastopljenom soli je to što je skladištenje toplote jeftino. Mnogo jeftinije po kWh od baterija. Ono što nije{2}}kul stvar je -efikasnost povratnog putovanja-koja gubite mnogo u konverziji iz topline u električnu energiju i natrag.
Skladištenje ledaje termalni ekvivalent vremenskog{0}}pomaka. Komercijalne zgrade zamrzavaju vodu preko noći kada su cijene električne energije niske, a zatim koriste taj led za klimatizaciju u vršnim popodnevnim satima. Nije glamurozno, ali radi. Disney World ga koristi. Mnoge poslovne zgrade u vrućim klimama ga koriste. Vi u suštini koristite led kao bateriju za potrebe hlađenja.
Postoje i noviji koncepti:Carnot baterijekoji pohranjuju električnu energiju kao toplinu i pretvaraju je natrag pomoću toplotnih motora, rezervoara tople vode koji vremenski{0}}mijenjaju električno grijanje, sezonske termalne akumulacije za cijele četvrti. Termalni univerzum je iznenađujuće dubok.
Vodonik: Wildcard
Skladištenje energije vodika ima strastvene zagovornike i oštre kritičare, i iskreno, i jedno i drugo ima valjane stavove.
Privlačnost je jednostavna: koristite višak obnovljive električne energije da podijelite vodu na vodik i kisik (elektroliza). Čuvajte vodonik. Kada vam je potrebna struja, provedite je kroz gorivnu ćeliju ili je spalite u turbini. Vodonik može pohraniti ogromne količine energije za veoma dug period-sedmica, mjeseci, čak i sezona.
Kritika je jednako jednostavna: efikasnost povratnog-putovanja je užasna. U elektrolizi gubite 30%. Više gubite kompresijom ili ukapljivanjem. Više gubite pretvarajući se u električnu energiju. Od-do-kraja, možda ćete dobiti 30-40% svoje originalne energije nazad. Uporedite to sa 85-90% za litijum-jonske.
Dakle, kada vodonik ima smisla? Kada trebate skladištiti zaista ogromne količine energije na duži period. Kada dekarbonizirate industrijske procese koji zahtijevaju veliku toplinu. Kada vam je potreban energent koji se može transportovati na velike udaljenosti. Kada druge opcije bukvalno ne mogu obaviti posao.
Njemačka se jako kladila na vodonik. Kao i Japan. Australija gradi izvoznu infrastrukturu za otpremu zelenog vodonika u Aziju. Hoće li se ova opklada isplatiti ovisi o troškovima koji se smanjuju brže nego što se baterije poboljšavaju-i baterije se brzo poboljšavaju.
Ultra{0}}Kratkotrajne{1}} stvari
Superkondenzatoripohranjuju energiju elektrostatički, a ne elektrohemijski. Mogu se puniti i isprazniti gotovo trenutno, izdržati milione ciklusa i pružiti smiješnu gustinu snage. Ono što ne mogu je da skladište mnogo energije. Banka superkondenzatora veličine transportnog kontejnera mogla bi pohraniti ono što sadrži baterija veličine kofera.
Njihova slatka tačka su ultra-kratki rafali: regenerativno kočenje u tranzitnim sistemima, glatka isporuka energije u obnovljivim instalacijama, obezbjeđujući tu djeliću-sekunde energije koja je potrebna UPS-u prije nego što baterije preuzmu snagu.
Superprovodno skladištenje magnetske energije(SMES) je još egzotičnija. Čuvajte energiju u magnetnom polju stvorenom supravodljivim zavojnicama ohlađenim na kriogene temperature. Skoro -trenutni odgovor, bez degradacije, u suštini beskonačan životni ciklus. Ali troškovi i složenost održavanja superprovodljivih temperatura zadržali su SMES u nišnim aplikacijama-uglavnom kvalitetom energije za poluprovodničke fabrike i druge objekte gdje čak i trenutni pad napona koštaju milione.
Gravitaciono skladištenje: Nova stara ideja
Još jedna kategorija vrijedna spomena: gravitacijski{0}}sistemi koji se ne pumpaju hidro.
Energy Vaultgradi sisteme dizalica koji slažu i rastavljaju masivne betonske blokove. Podignite blokove kada je energija jeftina, spustite ih kroz generatore kada vam treba struja. U suštini je pumpana hidroelektrana bez vode.
Druge kompanije istražuju napuštene rudnike-smanjite težinu u okno, podignite ih natrag. Ili namjenski{2}}izgrađeni tornjevi. Ili čak koncepti koji uključuju vagone natovarene kamenjem na kosim šinama.
Žiri je još uvijek u nedoumici mogu li se ovi ekonomski takmičiti. Gustoća energije gravitacionog skladištenja je sama po sebi niska-potrebno vam je puno mase i visine da pohranite značajnu energiju. No, zagovornici tvrde da bi korištenje jeftinih materijala (beton, šljunak) i jednostavne mehanike mogle smanjiti troškove baterija za dugotrajne-prilike.
Dakle, šta je zapravo važno?
Ako ste čitali do sada, možda se pitate: koja tehnologija pobjeđuje?
Pogresno pitanje.
Skladištenje energije nije pobjednik-zauzeti-svo tržište. Različite tehnologije odgovaraju različitim nišama na osnovu trajanja, vremena odziva, lokacije, strukture troškova i primjene.
Trebate regulaciju frekvencije u milisekundama? Zamašnjaci ili baterije. Trebate četiri sata rezervne kopije za solarnu elektranu? Litijum{1}}jonske ili protočne baterije. Trebate prebaciti sezonski obnovljivi višak? Vjerovatno vodonik, ili pumpana hidro ako geografija dozvoljava. Trebate hlađenje zgrade tokom najveće potražnje? Skladištenje leda.
Mreža budućnosti neće raditi na jednoj tehnologiji skladištenja. Položit će višestruke tehnologije-superkondenzatore za trenutni odgovor, baterije od nekoliko minuta do sati, pumpnu vodu za svakodnevni ciklus, vodonik ili termičku za duže vrijeme. Svaki prorez u spektru trajanja će vjerovatno biti popunjen bilo kojom tehnologijom koja nudi najbolju ekonomičnost za tu specifičnu primjenu.
Uzbudljivo je to što troškovi padaju u gotovo svim ovim kategorijama. Troškovi litijum{1}}jonskih baterija su porasli. Elektrolizatori slijede sličnu krivulju učenja. Proizvodnja protočnih baterija se povećava. Čak i pumpna hidroelektrana bilježi inovacije sa zatvorenim-sistemima i podzemnim rezervoarima.
Prije deset godina, ništa od ovoga nije izgledalo ekonomski održivo u velikim razmjerima. Sada? Skladištenje je najbrže-rastući segment energetskog sektora.