Солнечные электростанции генерируют электроэнергию только днем, ветровые энергогенераторы только когда есть ветер, атомные электростанции круглосуточно работают в одном режиме, хотя ночью потребление электричества снижается в несколько раз.
Для человечества все более актуальными становятся вопросы накопления энергии и использования ее именно тогда, когда она больше всего нужна. В данном материале мы продолжаем обзор современных технологий для аккумуляции электроэнергии. Читайте предыдущую часть, про места хранения энергии.
Проточные батареи с окислительно-восстановительным циклом
Батарея с окислительно-восстановительным циклом является проточным аккумулятором, где химическая реакция проходит в двух соединенных резервуарах с жидкими электролитами. В одном резервуаре содержание циркулирует вокруг анода, в другом вокруг катода. При этом катод, анод и электролиты разделены полупроницаемой мембраной, в результате ионы из одного отделения постепенно перетекают в другой. Емкость такого аккумулятора ограничена только размерами самих резервуаров, а выходная мощность зависит от площади мембраны. Таким образом, проточные батареи можно масштабировать для хранения очень большого объема энергии.
На сегодняшний день наиболее прогрессивными аккумуляторами проточного типа считаются ванадиевые окислительно-восстановительные батареи, которые «сохраняют заряд» в ионах ванадия, содержащихся в растворе на водной основе. Хотя электролит на базе ванадия используется чаще всего, решения на базе цинка, хлора и соленой воды также применяются.
Несмотря на то, что такие аккумуляторные батареи имеют гораздо более низкую эффективность, чем литий-ионные батареи, с которыми знакомы большинство потребителей, их недостатки не являются критическими для электросетей. Большой размер и вес этих батарей не имеют особого значения, поскольку их не нужно перемещать с места на место. Кроме того, как сообщает японская технологическая компания Sumitomo Electric, такие аккумуляторы имеют длительный срок службы, и всегда можно повысить мощность за счет увеличения емкости.
В настоящее время в электросетях подобные батареи не используются, но есть проекты на стадии строительства. Больше всего аккумуляторное хранилище, которое известно на сегодняшний день, строится китайской корпорацией Rongkeon на полуострове Ляодун. Это батарея мощностью 200 МВт/800 МВт-г, завершение строительства ожидается к концу 2018 года.
Обычные литий-ионные аккумуляторы
Наверное, самый популярный среди современных вариантов хранения энергии это привычный для всех литий-ионный аккумулятор, что используется в смартфонах, планшетах и ноутбуках. Литий-ионные батареи долгое время считались слишком дорогими, чтобы быть полезными для масштабных задач, однако такие компании как Tesla и AES Energy Storage изменили это суждение, благодаря относительно масштабным сооружением в Калифорнии и Австралии.
Литий-ионные аккумуляторы, но меньшей мощности, также используются производителями ветровых турбин. Как сообщается, Vestas Wind Systems исследует подключения своих турбин до литий-ионных батарей, кроме того, компания Deepwater Wind планирует приобрести систему 40-МВт-г производства Tesla для подсоединения к береговой ветроэлектростанции возле побережья штата Массачусетс, которая будет завершена в 2022 году.
Автомобильные компании также предлагают дешевые решения на базе ионно-литиевых аккумуляторов. Они используют сотни аккумуляторных батарей из старых электрокаров, которые уже частично исчерпали свой ресурс, для создания крупных энергохранилищ.
Нелитиевые батареи
Перед тем, как Tesla сделала гигантские энергохранилища на базе ионно-литиевых батарей чрезвычайно популярной технологии, и прежде чем использование литий-ионных батарей стало считаться экономически целесообразным, коммунальные и другие компании применяли химические батареи на базе других материалов. Многие из этих аккумуляторных систем все еще работают сегодня (они еще не очень старые, но большинство из них изначально работали как тестовые системы, а не как коммерческие).
Термальные энергохранилища
Как и многие другие системы хранения энергии, термальные энергохранилища очень отличаются от того, что обычный человек называет «аккумулятором». Подобно энергохранилищам на базе сжатого воздуха и гидроаккумуляции, термальные системы используют дешевую электроэнергию (как правило, ночью), чтобы замораживать воду. В течение дня этот лед плавится, а полученный холод через специальную циркуляционную систему позволяет охлаждать соседние сооружения без запуска энергоемкого кондиционирования воздуха в жаркий день (когда потребность в электроэнергии уже высокая).
Термальные технологии оптимальны в регионах с жарким климатом, но прохладными вечерами, особенно в Калифорнии и на юго-западе США. Например, в мае этого года компания Ice Energy поставила 1800 «ледовых батарей» для коммерческих и промышленных потребителей южной Калифорнии.
Инерционные механизмы
Ассоциация хранения энергии (ESA) дает следующее определение инерционным механизмам (flywheels): это системы, которые сохраняют электрическую энергию в виде кинетической. Для раскрутки ротора до огромной скорости используется дешевая электроэнергия (например, ночью). Когда нужно преобразовать кинетическую энергию в электрическую, ротор замедляет вращение. Но в период низкого спроса на электроэнергию его опять раскручивают до номинальной скорости. Инерционные механизмы, как правило, эксплуатируются в герметичных модулях с відкачаним воздухом, ведь вакуум позволяет снизить сопротивление почти до нуля.
На сегодня существует всего несколько «ферм» инерционных механизмов, но это довольно интересный, хотя и мало известный способ хранения энергии. Сети из комплексов инерционных механизмов, как правило, используются для компенсации частоты электротока в период пикового потребления электроэнергии, а не для ее хранения. То есть инерционный механизм не применяют в качестве резервного источника питания. Тем не менее, это очень полезная технология, которая позволяет на некоторое время «законсервировать» электроэнергию после ее производства.
Интересно, что инерционные механизмы использовались в свое время для создания так называемого гиробуса. Этот траспортное средство было оборудован инерционным механизмом, который раскручивался до частоты 3 тыс. оборотов в минуту. Полностью заряженный гиробус мог проехать до 6 км по ровной горизонтальной дороге со скоростью от 50 до 60 км/час. Зарядка гиробуса, то есть раскрутки ротора инерционного механизма, занимало от 30 секунд до 3 минут; чтобы уменьшить время зарядки, напряжение питания было увеличено с 380 В до 500 В.