Рут Хоус и Секази Мингва
Большинству из нас сейчас хорошо известно, что экономическая безопасность Соединенных Штатов требует развития возобновляемых источников энергии и что наша стареющая электрическая сеть нуждается в обновлении. Хранение электроэнергии имеет важное значение для обеих этих целей. POPA недавно подготовила отчет по этой проблеме, который можно скачать по адресу http://www.aps.org/policy/reports/popa-reports/ , Эта статья обобщает этот отчет.
Существуют как минимум три критических свойства системы электроснабжения: 1) стабильное напряжение при любом токе; 2) Стабильная частота (критично для цифрового оборудования) и 3) Отсутствие прерывания обслуживания даже в течение очень коротких периодов времени. В одном исследовании (1) оценивается, что перебои в подаче электроэнергии обходятся потребителям в США в 79 миллиардов долларов в год, причем 2/3 из-за перебоев в работе менее 5 минут. Короткие перебои в подаче электроэнергии редко бывают критичными для бытовых потребителей, но они приводят к тому, что при больших операциях по обработке компьютеров происходит перезагрузка всех компьютеров в их системах. Для заводов, где производятся чипы, даже кратковременное отключение электроэнергии означает потерю целой партии расплавленного материала плюс трудоемкость устранения возникающего беспорядка. Накопитель электроэнергии может функционировать в качестве резервного источника электроэнергии во время неизбежных отключений электроэнергии.
В США спрос на электроэнергию меняется примерно на треть в зависимости от времени суток, а также от времени года. Поэтому энергетические компании варьируют источники энергии, используемые для выработки электроэнергии, которую они предоставляют. Например, ядерные реакторы не могут быть быстро остановлены и перезапущены, в то время как установки по производству природного газа могут быть быстро запущены и остановлены. Ядерная энергетика отлично подходит для обеспечения энергии для обеспечения стабильной базовой нагрузки, в то время как установки на природном газе используются для реагирования на скачки спроса или пиковые нагрузки, возникающие, когда люди возвращаются с работы домой или когда жаркая погода заставляет людей использовать их кондиционеры. Накопитель электроэнергии может накапливать электроэнергию из фонового источника и использовать ее для удовлетворения пиковых потребностей. Повышенная зависимость от атомных электростанций потребует хранения для своевременного удовлетворения пикового спроса. Многие возобновляемые источники энергии, например солнечная энергия и энергия ветра, по своей природе являются переменными, и потребуется хранение, чтобы позволить им поставлять электроэнергию, когда спрос самый высокий.
Многие возобновляемые источники электроэнергии географически распределены и должны быть подключены к сети, чтобы обеспечить возможность резервного копирования на локальный генератор и дать возможность локальным генераторам добавлять электроэнергию в сеть. Такие системы будут нуждаться в хранении для обеспечения соответствия частоты и напряжения. Согласование энергопотребления в системах хранения электроэнергии станет более важным с ростом технологий нового поколения, основанных на возобновляемых источниках.
Наконец, местные электроэнергетические компании могут использовать крупномасштабные хранилища для подачи электроэнергии в изолированные подразделения, планируя будущее строительство и равномерно распределяя расходы с течением времени. Ни одна технология хранения не может быть серьезно оценена без учета экономической целесообразности. Любая коммерчески жизнеспособная технология должна иметь достаточно длительный срок службы. В приведенной ниже таблице 1 описаны свойства систем хранения, необходимые для их эффективного использования в различных приложениях. Номинальные свойства включают скорость, с которой энергия может быть разряжена (разряженная мощность), общее накопленное количество энергии, требуемая эффективность и общий срок службы. Приложения включают в себя согласование мощности (обеспечение большей мощности для удовлетворения пиковых или внезапных скачков спроса), резервное питание во время отключений, использование возобновляемых технологий (путем накопления энергии, генерируемой с помощью периодически возобновляемых технологий, таких как солнечная энергия или энергия ветра, для использования, когда источник питания недоступно), а также качество электроэнергии (то есть постоянство напряжения и частоты при колебаниях спроса).
Таблица 1: Требования к различным применениям хранения электроэнергии
Основано на данных из Schoenung (ссылка 2)
заявка
Соответствие предложения электроэнергии нагрузке
Обеспечение резервного питания для предотвращения перебоев
Включение возобновляемых технологий
Качество электроэнергии
Разряженная сила
<1 МВт до 100 МВт
1 - 200 МВт
20 кВт до 10 МВт
От 1 кВт до 20 МВт
Время отклика
<10мин
<10 мс (подсказка)
<10 мин (условно)
<1сек
<20мс
Энергия хранится
1 МВтч до 1000 МВтч
1 МВтч до 1000 МВтч
От 10 кВт до 200 МВтч
От 50 до 500 кВтч
Потребность в высокой эффективности
Высоко
Средняя
Высоко
Низкий
Нужен длинный цикл или календарь жизни
Высоко
Высоко
Высоко
Средняя
Технологии накопления энергии
В настоящее время существует шесть технологий хранения электроэнергии, которые активно рассматриваются для коммерческого использования: откачиваемая гидроэнергетика, хранение сжатого воздуха (CAES), батареи, маховики, сверхпроводящее накопление магнитной энергии (SMES) и «супер» конденсаторы. Они находятся на разных стадиях разработки и коммерциализации и предлагают различные преимущества.
Накопительное гидроэнергетическое хранилище использует непиковую электроэнергию для работы насосов, которые заполняют водохранилище. При пиковой потребности запасенная вода высвобождается через гидроэлектростанцию. Технология хорошо понятна и была коммерчески развернута, например, TVA на заводе Raccoon Mountain, мощность которого составляет 1600 мегаватт. Гидроэнергетика быстро реагирует на изменения спроса и может генерировать высокие уровни мощности в течение длительного времени. Сложность работы с насосной гидроэлектростанцией заключается в том, что для нее требуется большой резервуар с сопутствующими экологическими проблемами, а системы очень дороги в строительстве. Прогнозируемые улучшения основаны на насосах и турбинах с регулируемой скоростью, которые могут привести к повышению эффективности как минимум на 3%.
В хранилище сжатого воздуха используется непиковая мощность для подачи сжатого воздуха в емкость для хранения. В коммерческом масштабе контейнер, вероятно, будет полостью известняка. Если CAES будет использоваться для поддержки распределенной генерации, контейнер будет герметичным резервуаром. Есть два крупных объекта CAES, построенных как демонстрационные установки, хотя пока нет коммерческих объектов. CAES менее вреден для окружающей среды, чем насосная гидроэлектростанция, и, как предполагается, распределенная система будет работать в качестве естественного партнера в области генерации ветра. Крупномасштабные системы требуют резервуара для хранения сжатого воздуха, а мелкомасштабные системы имеют проблемы безопасности с возможностью взрыва контейнеров. Технический прогресс включает разработку небольших систем для распределенной генерации и более качественных контейнеров для хранения сжатого воздуха.
Аккумуляторы являются основной технологией для портативного накопления энергии и находят широкое применение в транспортной и портативной технике. Здесь мы рассмотрим только их применение для хранения электроэнергии. В этих приложениях, которые в основном коммерциализируются на объектах, таких как фабрики, где перебои в подаче электроэнергии катастрофические, банки аккумуляторов расположены рядом с защищаемым объектом. Местные энергетические компании также используют аккумуляторные батареи для обеспечения аварийного электроснабжения в районах, где спрос на электроэнергию быстро растет. Аккумуляторы обеспечивают высокую плотность накопления энергии, быстрое время отклика и портативны. Однако они очень дороги и имеют ограниченный срок службы. Материалы, из которых они сделаны, представляют опасность для окружающей среды. В настоящее время ведутся серьезные исследования по разработке аккумуляторов, которые стоят дешевле и имеют более длительный срок службы. Исследование является креативным, но предстоит пройти долгий путь, прежде чем батареи станут доступным вариантом для хранения электроэнергии в жилых или промышленных масштабах.
Маховики накапливают энергию как вращательную кинетическую энергию. Они могут накапливать больше энергии, если работают на больших скоростях вращения или если они больше. Они ограничены свойствами материалов, из которых они изготовлены, поскольку большие колеса имеют тенденцию разрушаться при высоких угловых скоростях и динамической нестабильностью при вращении. Маховики реагируют очень быстро и могут быть соединены в «фермах» для большого накопления энергии. В настоящее время они находятся в стадии разработки и очень дороги. Очевидные потребности в исследованиях в области материаловедения.
Сверхпроводящее накопление магнитной энергии использует большие токи в сверхпроводящих катушках для накопления электрической энергии. Системы SMES предлагают возможность очень быстрого отклика с разрядом большой мощности. Для крупномасштабного накопления энергии они могут быть объединены в сеть, и они имеют долгий срок службы, потому что у них нет движущихся частей. Однако им требуются криогенные системы, которые изнашиваются, и они очень дороги и в настоящее время экспериментальны. Однако возможно, что разработки в таких материалах, как сверхпроводники с высокой Tc, могли бы сделать эту привлекательную технологию практическим методом накопления электрической энергии.
Обычные конденсаторы хранят энергию в виде заряда на электродах, разделенных диэлектрическим материалом. Хранение заряда зависит от площади электродов. «Супер» конденсаторы увеличивают площадь электрода с помощью пористых электродов и меняют материалы для увеличения рабочих напряжений. Они потенциально способны к быстрым и мощным разрядам. Как и системы SMES, они не имеют движущихся частей и потенциально долго работают. В настоящее время они являются экспериментальными, дорогими и способны хранить мало энергии.
Рисунок 1, подготовленный Джоном Скофилдом, сравнивает возможности технологий хранения электроэнергии на момент написания этой статьи.
Последняя проблема в накоплении электрической энергии - это система преобразования энергии, которая высвобождает или накапливает энергию и сопоставляет напряжение и частоту с сетью. Системы преобразования энергии должны работать с быстрым временем отклика при высоких токах и напряжениях для выработки энергии со стабильными напряжениями и частотами. Они должны быть надежными и эффективными. Хотя на них часто не обращают внимания при обсуждении технологий хранения данных, на системы преобразования энергии приходится не менее 20% и не более 70% стоимости системы хранения электроэнергии, поскольку они являются единственными в своем роде. Они требуют теплового резервного копирования и ограничены доступными в настоящее время термическими материалами. Наконец, компьютерные модели систем не включают преобразование мощности. Существует реальная потребность в программном обеспечении для моделирования систем хранения как части сетки, которая позволит эффективно планировать.
Рисунок 1: Возможности существующих технологий хранения электроэнергии
Политические проблемы в реализации хранения электроэнергии
Даже если технические проблемы хранения электроэнергии могут быть решены, существует ряд политических барьеров для внедрения новых систем, особенно на распределенной основе. Первый вопрос: кто должен платить за внедрение систем хранения и демонстрационные проекты? Энергетические компании утверждают, что федеральное правительство и правительства штатов должны поддерживать исследования и разработки до тех пор, пока технологии не окажутся коммерчески осуществимыми. Демонстрационные проекты, затраты на которые делятся между правительством и коммунальной компанией, кажутся многообещающими для крупного проекта хранения. В случае распределенных систем хранения необходимо спросить, владеет ли владелец сети или владелец генерирующей системы системой хранения. Вполне возможно, что будет разработана система, в соответствии с которой энергетические компании будут взимать премиальные цены за высококачественную электроэнергию, которая является бесперебойной и имеет очень стабильное напряжение и частоту.
На федеральном уровне исследования и разработки систем накопления электроэнергии распространяются на агентства, от DOE и DOD до NASA. Крайне необходимо, чтобы центральная группа координировала усилия, а также рекомендовала ценообразование и нормативную политику для содействия разработке и развертыванию систем хранения электроэнергии. Также важно учитывать воздействие различных систем хранения на окружающую среду.
В заключение, ясно, что для обеспечения большей зависимости от ядерного деления или возобновляемых источников энергии для производства электроэнергии потребуются системы накопления электроэнергии. Хотя системы накопления электроэнергии и требуемые им системы преобразования энергии не являются гламурными, как крупные ветряные электростанции или огромные зеркала солнечной тепловой энергии, они будут важным компонентом энергосистемы будущего.
Рекомендации
1. K. LaCommare и J. Eto, Lawrence Berkeley National Laboratory Report №. LBNL-55718, Понимание стоимости отключений электроэнергии для потребителей электроэнергии в США, сентябрь 2004 г., http://repositories.cdlib.org/lbnl/LBNL-55718 ,
2. Schoenung, Сьюзен B: характеристики и технологии для Long-vs. Краткосрочное накопление энергии (2001) Отчет Sandia SAND2001-0765, опубликованный Национальными лабораториями Sandia.
Рут Хоус работала в Sekazi Mtingwa в качестве сопредседателя исследования POPA по проблемам технологий хранения электроэнергии. Она является почетным профессором физики в Государственном университете Болл и физиком-экспериментатором.
Sekazi Mtingwa был председателем исследования POPA по готовности американской рабочей силы к вызовам 21-го века. Он физик-ускоритель и старший преподаватель Массачусетского технологического института. В 1998-2008 годах он работал в Консультативном комитете по ядерным энергетическим исследованиям Министерства энергетики США и продолжает работать в его Подкомитете по передовым технологиям в области ядерных преобразований, который консультирует Министерство энергетики по своей программе НИОКР по отработавшему топливу в реакторах.
Этот вклад не был рецензирован. Он представляет исключительно точку зрения автора (ов), а не обязательно точку зрения APS.
Первый вопрос: кто должен платить за внедрение систем хранения и демонстрационные проекты?