По-ниските разходи за възобновяеми технологии и нарастващото глобално търсене на чиста електроенергия доведе до експоненциално нарастване на пазара на вятърни, слънчеви и водни енергийни източници през последните няколко години, като тенденцията се очаква да продължи.

Поради присъщите ограничения на възобновяемите енергийни източници, нарастването на тази технология носи със себе си растеж във вторична индустрия – съхранение на електроенергия.

Прекъсващият характер на захранването, осигурено от възобновяеми източници, като вятъра или слънчевата енергия, създава необходимост от ефективни, мащабируеми начини за съхранение и доставка на електроенергия. Така че, когато вятърът спре да духа или слънцето спре да грее, мрежовите оператори все още не могат да осигурят постоянен поток от електроенергия за непрекъсната употреба.

Като такъв, световният пазар за съхранение на електроенергия се разраства бързо. Според последните прогнози индустрията ще се увеличи с 97,8 милиарда долара до 2025г.

Системата от батерии за съхранение на електроенергия (BESS) се счита за решаващо решение за преодоляване на ограниченията за прекъсване на възобновяемите енергийни източници.

Пазарът за съхранение на електроенергия в батерии отчита кумулативно внедряване от 4,9 GW в края на 2018 г. и се очаква да достигне 22,2 GW през 2023 г. – като САЩ представляват 24,7% от световния капацитет. Очаква се разгръщането да се увеличи поради големия брой държави, които избират използването на хранилища, за да подпомогнат трансформацията на своя електроенергиен сектор.

И така, какви са основните технологии, които се разработват, за да разширят сектора за съхранение на електроенергия?

Батерии

Най-често срещаният пример за система за съхранение на електроенергия е мащабируемата батерия. Продължаващите иновации в батерийната технология непрекъснато подобряват живота, капацитета и надеждността на батериите, така че сега има няколко варианта, които могат да бъдат адаптирани, за да бъдат подходящи за развитие на мащабна мрежа за съхранение на електроенергия.

Най-широко използваната форма са литиево-йонните батерии. Първо пуснати за търговска употреба през 1991 г., литиево-йонните батерии първоначално бяха разработени само за потребителска електроника, но бяха разработени от няколко компании и в клетки с по-голям формат, които могат да се използват в приложения за съхранение на електроенергия.

Гъвкавостта и надеждността на технологията са огромно предимство, което прави тези батерии по много начини по-добри от другите форми на акумулаторни батерии и поради тази причина нейните разработчици – д-р М. Стенли Уитингъм, д-р Джон Гуденау и д-р Акира Йошино – бяха отличени с Нобелова награда за химия за 2019 г.

Въпреки че по-рано се предполагаше, че литий може да се използва за съхранение на електроенергия, именно д-р Уитингам за първи път е разработил начин да го направи при стайна температура без риск от експлозия, докато работи в ExxonMobil.

Той и неговият екип установяват, че когато литиевите йони се държат между плочи от титанов сулфид, те могат да се движат напред и назад между положителни и отрицателни полюси, създавайки електричество.

Работейки с д-р Гудънуу от Тексаския университет в Остин през 1980г., двамата учени успяха да подобрят този пробив, като включиха литиев кобалтов оксид, който предотврати склонността на лития да образува нужди и дендрити по време на процеса на презареждане – жалък ефект това би причинило вътрешно късо съединение в батериите.

И накрая, от другата страна на света, д-р Йошино предприе изследванията на двамата учени и включи графит вместо метален литий като отрицателен електрод – подобрявайки продължителността на живота на батериите и ги правейки търговски жизнеспособни за първи път.

Последни разработки в технологията на литиево-йонни батерии

Това обаче не беше краят на развитието на литиево-йонната батерия. Въпреки че първоначално те бяха разработени само за потребителска електроника – и преобладават в акумулаторни устройства като мобилни телефони и лаптопи – компаниите продължиха да разработват клетки с по-голям формат, които могат да се използват за големи приложения за съхранение на електроенергия.

Гъвкавостта на технологията ги направи съществени в индустрията на електрически превозни средства, където те могат да бъдат адаптирани като малки батерии с висока мощност за хибридно захранване с мощност, до батерии със средна мощност, които могат да осигурят както електрическа енергия, така и буфериране в plug-in хибриди, за да са все по-ефективните високоенергийни батерии в само електрически превозни средства.

И през последните няколко години те започнаха да формират основата на големи разработки за съхранение в мащабна електрическа мрежа, най-голямата от които е построена от Tesla за работа с вятърната електроцентрала Hornsdale в Австралия.

Разработката за 90 милиона долара е инсталирана през декември 2017г., като е построена само за 100 дни. Той осигурява 100 мегавата авариен резервен ток за до 30 000 жилища. Според партньора за развитие Neoen, съоръжението спестява на потребителите 40 милиона долара през първата си година.

Има много ползи за литиево-йонните батерии, поради което в проучване от 2016г. беше установено, че тази технология представлява 95% от внедрените системи на пазара на батерии в мрежа. Има обаче недостатъци, които стимулират търсенето на други форми на батерии.

Недостатъците на литиево-йонните батерии

Тъй като самите батерии не са предназначени за промишлена употреба, разработването им в мащаб има значителни разходи. И макар да са изключително рентабилни при продължителност на съхранение от 30 минути до три часа, те са по-малко ефективни, когато се налага по-дълго съхранение.

Те могат да имат проблеми със здравината, като батериите могат да експлодират, ако са повредени. С течение на времето те също ще се влошат и ще изискват попълване. Самият литий е сравнително рядък минерал, който трябва да се добива с нарастващи разходи, плюс има няколко проблема за устойчивостта при изхвърляне на стари батерии.

Алтернативни батерии

Поради тези причини се наблюдава увеличен тласък в развитието на алтернативни батерии, като през последните няколко години се увеличават и други форми на развитие в мащабна мрежа.

Редокс проточни батерии

Редокс батериите са друг клас електрохимични устройства за съхранение на енергия, които бяха изследвани от НАСА за космическата програма през 70-те години. Името „редокс“ се отнася до химическата редукция и окислителната реакция, която протича в разтвор на течен електролит, който тече през батерия от електрохимични клетки по време на зареждане и разреждане, съхранявайки енергия.

Редокс батериите са изключително приспособими, като мощността (kW) се основава на размера на блока мощност, докато енергийният капацитет (kWh) е отделен фактор, основан на размера на резервоара за съхранение и обема на електролитите в резервоарите. Това означава, че на теория всяка комбинация от енергия и мощност може да бъде конфигурирана.

Проточните батерии могат да имат изключително дълъг живот на цикъла – трайни десетки хиляди цикли без присъщи деградации. Така че, въпреки че може да са по-скъпи за изграждане от литиево-йонни, техните клетки може да не се налага да се сменят толкова често.

Те обаче имат по-ниска енергийна плътност от сравним литиев разтвор, така че за да се получи същото ниво на мощност, е необходима много по-голяма площ. Това означава, че те не са толкова оптимални за електрически превозни средства – където ниската плътност на мощността може да се преведе като кратък обхват на движение (въпреки че могат да се зареждат много бързо, така че може да бъдат полезни за хибриди) – но все пак може да бъдат подходящи за вятърни или слънчеви ферми, където пространството е по-малък проблем.

Цинково-хибридни батерии

Друга батерийна технология, която пима по-голямо тяга, е цинково-хибридната. Първата от тези акумулаторни батерии е използвана през 1996г. за захранване на малки и средни автобуси в Сингапур. Тези батерии използват порест анод, направен от маса цинкови частици, които след това се насищат с електролит по време на разреждане.

Хидроксилните йони, образувани в катода чрез кислородна реакция, се придвижват към анода, за да образуват цинкат, който освобождава електрони, които се насочват към катода. Това е оптимално за четиричасов енергиен разряд, подобен на поточните батерии.

Въпреки че батериите имат по-ниска ефективност от литиевите (приблизително 65%-70%) и подобен живот, който изисква попълване на клетките, цинкът е по-широко достъпен и по-евтин материал от лития. Също така е по-лесно да се набавят и изхвърлят етично и екологично.

Акумулаторните цинково-хибридни акумулаторни системи са сравнително нова технология за съхранение в електрическа мрежа. През юни 2019г. базираните в Бирмингам Bryt Energy и Eos Energy Storage обявиха планове да започнат тестването на първата в ЕС система от цинкови хибридни батерии, като плановете са за разпространението й във Великобритания.

Други компании също разработват по-големи решения за съхранение на енергия, използвайки цинково-хибридни батерии, за да се възползват от икономическите ползи. Тъй като технологията е на по-ранен етап в процеса на комерсиализация, разходите трябва да спаднат повече от другите решения.

Всяка батерийна технология има свои собствени предимства и предизвикателства, особено когато е увеличена за използване в мрежата. Въпреки че литиево-йонните батерии остават най-популярното решение, тъй като разработването и тестването на тези и други технологии на батериите продължават, може да има по-ефективни, надеждни и рентабилни опции, които да формират бъдещето на акумулирането на електроенергия от батерии.

Съхранение на топлинна енергия

Съхранението на топлинна енергия преобразува енергията в топлина, която може да се използва повторно по-късно. Основният процес, който премотича, е сравнително прост в сравнение със сложните химични процеси, които изграждат батериите, но мащабните решения могат да изискват огромни строителни проекти.

Има три основни форми на системи за съхранение на топлинна енергия:

Разумно съхранение на топлина

Разумното съхранение на топлина е най-често използваната форма на съхранение на топлинна енергия и относително най-проста за изпълнение. Разумните топлинни системи използват енергия за загряване или охлаждане на твърди или течни вещества, като вода, сол, пясък или скали.

В слънчевите енергийни системи, например, слънчевата енергия се използва за загряване на вода или сол в изолиран контейнер. Топлата вода или солта след това могат да се държат няколко часа, докато е необходимо, когато може да се използва за създаване на пара и задвижване на турбина, превръщайки тази енергия в електричество.

Един от най -големите примери за това в света е проектът за слънчева енергия Crescent Dunes, базиран в Невада. Той включва огледала с размер на билборд, които отразяват слънчевата светлина върху централен приемник в горната част на кула от 640 фута.

Тази слънчева светлина нагрява разтопената сол директно до температури от 566 градуса, след което тя се прехвърля в горещ резервоар. След това може постепенно да се подава в парогенератор. През юли 2016г. операторите управляваха централата за непрекъснат период от 120 часа, през което време тя доставя 24-часова слънчева енергия на мрежата.

Латентно съхранение на топлина

Следващата форма на съхранение на топлинна енергия е латентното съхранение на топлина. Този по-рядко използван метод разчита на променящите се състояния на носителя за съхранение – напр. от твърдо до течно. Това може да се използва в приложения като климатизация или хладилна технология, замръзваща вода през нощта, след което позволява на този лед бавно да се топи и охлажда сграда през деня – балансирайки пиковите енергийни нужди.

Въпреки че съхранението на латентна топлина е по-скъп подход, той произвежда енергийна плътност три пъти по-голяма от разумното съхранение на топлина, което означава, че правилният дизайн в система с мащабна мрежа може да се окаже полезен.

Термохимично съхранение

Последната форма на съхранение на топлинна енергия е термохимичното съхранение, което използва химически реакции за съхранение на енергия. Този подход се счита за най-енергийно ефективен, като термохимичните реакции дават най-голям капацитет за съхранение.

Използваните химикали включват силикагел/вода, магнезиев сулфат/вода, литиев бромид/вода, литиев хлорид/вода и NaOH/вода. Процесът включва използване на топлина за изпаряване на водата и създаване на ендотермична реакция. Когато водата се добави отново, тя създава екзотермична реакция, която генерира топлина, която може да се използва за генериране на електричество.

Тъй като солевите химикали, образувани при първоначалната реакция, могат да се съхраняват за дълги периоди от месеци или дори години, този подход може да бъде изгоден за сезонно съхранение на енергия – напр. използване на слънчева енергия от лятото за генериране на топлина през зимата.

Обаче оборудването и материалите, необходими за всеки термохимичен реактор, са значително по-скъпи от другите решения. Съществува и проблем с ефективно запечатване на химикалите в мащаб.

Понастоящем повечето системи за съхранение на топлинна енергия използват разумен топлинен процес, въпреки че значителна научноизследователска и развойна дейност се насочват към латентна топлина и термохимично съхранение на топлина, което може да доведе до по-голямо бъдещо използване.

Механично съхранение на енергия

Механичните системи за съхранение на енергия използват кинетични или гравитационни сили за съхранение на енергия. Тъй като генераторите използват движението на турбина за генериране на електричество, тези системи използват потенциалната сила за задвижване на тази турбина за по-късен етап.

Подобно на съхранението на топлинна енергия, тя се основава на сравнително проста теория, но дава някои сложни и въображаеми резултати. В най-простата си форма може да приеме формата на тежест и ролка, с енергията, необходима за повдигане на теглото, съхранявано като гравитационен потенциал, докато не се освободи отново. Но са необходими по-амбициозни идеи, за да се съхранява енергията в мрежа.

Помпената акумулираща водна електроенергия е една от основните форми, която се използва от 80-те години на миналия век. Най-голямата помпена станция за съхранение в момента е окръг Бат във Вирджиния. Подобно на всички язовири за водноелектрическа енергия, тя използва силата на протичаща вода, за да завърти турбина и да генерира енергия, като язовирът контролира потока на водата, за да оптимизира производството.

Там, където това се различава от стандартните язовири за водноелектрически централи, е, че „съхранява“ енергия, като използва енергия по време на ниско потребление за изпомпване на вода от долния към горния резервоар. Когато търсенето е по-голямо, тази вода може да бъде освободена отново през турбината.

Друга концепция, която използва гравитационния потенциал за съхранение на енергия, е дизайн на швейцарската компания Energy Vault. Тяхната концепция е кула от бетонни блокове, които могат да бъдат повдигнати от поредица от кранове.

Компанията използва тези блокове заедно с вятърни паркове, с излишна мощност от вятърните турбини, използвани за управление на крановете. Когато търсенето е по-голямо, бетонните блокове се спускат обратно на земята. Кинетичната енергия, генерирана при падането им, ще генерира електричество, освобождавайки съхранената енергия. Според дизайнерите тези блокове имат енергийна ефективност от около 90%.

Съхранение на енергия от водород (енергия от газ)

Енергията може да се съхранява чрез електролиза на вода, която разделя молекулите водород и кислород. След това водородът може да се съхранява и след това да се използва за генериране на електричество по почти същия начин като изкопаемите горива – но без никакви емисии. Използва се ефективно и в горивни клетки за автомобилния сектор.

Когато се използва в малък мащаб, водородът може да се съхранява в съдове под налягане. Но за мащабни проекти се съхранява в подземни солени пещери до 500 000 кубически метра при налягане от 2900 psi. Пещерата с този размер и налягане би доставила капацитет от около 100 GWh съхранена електроенергия.

Според доклад за проучване на пазара, публикуван през октомври 2019 г. от MarketsandMarkets, глобалният пазар за съхранение на енергия с водород се очаква да достигне 18,2 млрд. долара до 2024г.

Използването на това за мащабни проекти е сравнително ново развитие. Проектите от по-голям мащаб включват германския Energiepark Mainz – проект за електролиза и съхранение на 6MW – и американското съоръжение за съхранение на енергия Markham в САЩ – 2.5MW съоръжение в Онтарио, което е проектирано и изградено на 5MW мащабируема платформа.

Ефективността е проблем за електрозахранването на газовите системи, като ефективността от двупосочен път е средно по-малко от 50% през 2013 г. Новите изследвания обаче предлагат начини за подобряване на това, като проучване от 2019г. предполага, че до 80% може да бъде осъществимо с помощта на обратими под налягане горивни клетки от твърд оксид.

Тъй като възобновяемата енергия става все по-разпространена, нараства и необходимостта от ефективно, мащабируемо и рентабилно съхранение на енергия. Въпреки това остава предизвикателство да се намери оптимално решение, което да отговаря на всички ситуации. Вероятно по-нататъшното развитие на всеки метод за съхранение на енергия ще продължи, като заедно с проектите за възобновяема енергия в целия свят се разработват много различни съоръжения.