Основные типы накопителей. Накопители энергии в электроэнергетических системахПортал об энергетике в России и в миреЕсть проблема Как известно, передача электроэнергии от генератора к потребителям в электроэнергетической системе (ЭЭС) происходит мгновенно и непрерывно, без возможности её накапливания в значительных (соизмеримых с выработкой) количествах. Потребление электроэнергии в течение суток происходит неравномерно (в соответствии с суточными графиками нагрузки), поэтому возникает необходимость постоянно регулировать выдачу электроэнергии в сеть, поддерживая в любой момент времени баланс между вырабатываемой и потребляемой активной мощностью. От соблюдения баланса зависит частота электрического тока – одного из показателей качества электрической энергии и важнейшего параметра режима энергосистемы. Согласно государственному стандарту, частота должна находиться в пределах 50 ± 0,2 Гц не менее 95% времени суток, не выходя за предельно допустимые 50 ± 0,4 Гц. Есть решение В качестве технического решения проблемы управления ЭЭС может быть предложено создание и применение мощных систем накопления электрической энергии – сетевых накопителей энергии (СНЭ), которые предназначались бы для участия в покрытии пиковых и полупиковых участков суточных графиков нагрузки энергосистемы. Это позволит оптимизировать режимы ЭЭС, снизить расход топлива, значительно повысив энергоэффективность процессов производства и передачи электроэнергии и, в конечном счете, повысить экономическую эффективность управления энергосистемой. Большой интерес представляют собой широко обсуждаемые в настоящее время в научной среде вопросы о роли и месте систем накопления электроэнергии в интеллектуальной электроэнергетической системе с активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС), более известной по зарубежным публикациям как Smart Grid. Согласно одному из тезисов концепции Smart Grid электрическая сеть из пассивного устройства транспорта и распределения электроэнергии превращается в активный элемент, параметры и характеристики которого изменяются в реальном времени в зависимости от режимов работы энергосистемы. По мнению идеологов концепции Smart Grid, энергетическая система, построенная по принципу Smart Grid, должна упростить взаимодействие объектов традиционной и распределённой генерации с имеющими стохастические (случайные) графики выработки электроэнергии возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) и накопителями электроэнергии посредством создания стандартизованной связи «сеть – генерация». В такой системе применение накопителей электроэнергии целесообразно как в качестве СНЭ, которые работают одновременно с сетью, добавляя или забирая часть нагрузки, так и в качестве традиционных источников бесперебойного питания (ИБП), которые работают только тогда, когда по каким-то причинам отключилось внешнее электропитание. Эволюция аккумуляторных батарей В качестве накопителей энергии в энергосистемах с конца прошлого столетия и до настоящего времени широко используются известные и давно применяемые в быту аккумуляторные батареи с различными типами электролитов, на основе которых формируют мощные системы накопления – аккумуляторные батареи большой энергоёмкости (АББЭ). Больше половины эксплуатируемых аккумуляторов – кислотно-свинцовые, главным их недостатком является относительно небольшой срок службы – до десяти лет. В настоящее время проявляется повышенный интерес к литий-ионным накопителям, постоянно ведётся работа по их усовершенствованию. Они обладают высокой энергоёмкостью, глубокими циклами заряда-разряда (70–80%), низким током саморазряда, отсутствием эффекта памяти, то есть лишены недостатков, присущих накопителям энергии на основе серно-натриевых аккумулирующих установок. Тем не менее у литий-ионных аккумуляторов есть и свои недостатки: высокая удельная стоимость, недостаточный ресурс работы (небольшое количество циклов заряда-разряда), существенное уменьшение ресурса при работе в пиковых режимах при заряде и разряде, наличие специальных требований к глубине разряда. Сегодня сетевые накопители на основе литий-ионных аккумуляторов работают в режимах опытной эксплуатации, и их свойства недостаточно изучены. Специалисты продолжают их совершенствовать. Альтернативный подход Промышленное производство широкого класса сверхпроводников дало возможность развернуть работы по созданию макетных и опытно-промышленных образцов силового оборудования для энергосистем на основе использования как высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП, азотный уровень), так и традиционных низкотемпературных (гелиевый уровень) сверхпроводящих материалов (НТСП). Из разработанных сверхпроводниковых устройств (СП) для электроэнергетических систем весьма перспективными представляются сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (СПИНЭ). Они могут находить применение в электроэнергетике как одно из эффективных средств повышения режимной надёжности и устойчивости электроэнергетических систем. При этом выделяются такие свойства индуктивных накопителей, как быстродействие, высокий КПД, возможность полной автоматизации ввода и вывода энергии, большая удельная энергоёмкость, регулирование активной и реактивной мощности. Основные отличительные особенности СПИНЭ состоят в высокой удельной мощности при достаточно низкой плотности энергии, очень быстром времени реагирования (заряда-разряда), неограниченном числе циклов заряда-разряда, отсутствии движущихся частей, малой трудоёмкости работ по техобслуживанию, возможности быстрой перезарядки, высокой эффективности передачи энергии (КПД > 95%). Одним из ведущих научных центров по разработке СПИНЭ в России является ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС». Очевидно, что включение в электроэнергетическую систему мощных, имеющих лучшие технические и экономические характеристики сетевых накопителей электрической энергии для частичного или полного разделения во времени процессов выработки и потребления энергии является весьма важной комплексной научно-практической задачей, направленной на повышение энергоэффективности процессов производства, передачи и распределения электрической энергии. Именно поэтому с 2013 года ООО «Центр энергоэффективности Интер РАО ЕЭС» совместно с профильными научными институтами и инжиниринговыми компаниями активно участвует в работе по совершенствованию систем накопления электрической энергии и улучшению технических характеристик сетевых накопителей. Автор: Владимир Николаев peretok.ru Накопители энергииВ настоящее время разрабатываются накопители энергии, которые в будущем сыграют важнейшую роль в активно-адаптивных электрических сетях. Их разработка предполагает выполнение этими устройствами целого ряда функций:
Существует несколько основных видов накопителей энергии, из которых отдельные устройства уже успешно выпускаются и применяются. Виды накопителейВ первую очередь, это электростатические накопители в виде аккумуляторных батарей большой энергоемкости, которые связаны с сетями с помощью специальных устройств – преобразователей напряжения или тока. Созданы и успешно испытываются опытные образцы накопителей энергии, в основе которых лежат молекулярные конденсаторы. На их базе разрабатываются сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии, обладающие сверхпроводимостью. В настоящее время применяются передвижные системы с небольшой энергоемкостью. Более широкое применение планируется после создания сверхпроводников, работающих в высокотемпературном режиме. Данный вид планируется использовать в энергетических системах для повышения их устойчивости и надежности, благодаря высокому коэффициенту полезного действия, возможности ввода и вывода электроэнергии в автоматическом режиме. Кроме того, они отличаются быстродействием, большой удельной энергоемкостью и способностью регулировать реактивную и активную мощность. В перспективе, это должны быть недорогие устройства с достаточной энергоемкостью. Особенности электромагнитных накопителейЭлектромагнитные накопители энергии в настоящее время разрабатываются в двух вариантах.
В первом случае агрегаты обладают большим диапазоном изменений скоростей и повышенной способностью к применению кинетической энергии, получаемой при вращении машин. Второй вид позволяет регулировать частоту в количестве 50% от первоначальной синхронной частоты. Ведется работа над накопителями энергии, основой которых являются супер маховики, изготовленные из сверхпрочных углеродных волокон, на основе нанотехнологий. Это возможно, поскольку данное устройство может разгоняться до очень высоких скоростей. Накопитель солнечной энергииПортал об энергетике в России и в миреСолнечная электростанция эффективно работает только в светлое время дня и при безоблачном небе, а ветряк – когда дует ветер, и эти провалы в выработке нужно как-то компенсировать. Например, накапливать часть вырабатываемой энергии при помощи промышленных аккумуляторов, а расходовать её во время вечерних и утренних пиков потребления. Хранилища энергии пригодятся и в случае аварий в энергосистемах. Как отмечает глава учебного центра АББ в РФ Максим Рябчицкий, сегодня объёмы выработки и потребления электричества сбалансированы и электростанции подстраиваются под график потребителя. Но в случае внезапных отключений в энергосистеме, по масштабам сопоставимой с российской, ситуацию спасёт аккумулятор мощностью от 10–20 МВт, способный 1,5–2 часа закрывать энергодефицит. При поддержке государства По мнению главы «Роснано» Анатолия Чубайса, доля ВИЭ в общем объёме генерации к 2050 году составит 40% мирового энергобаланса, а хранение электроэнергии станет коммерчески состоявшейся технологией, в результате чего «мы придём к другой электроэнергетике». «Мировая и российская электроэнергетика находится в одном шаге от преобразования базового технологического принципа – соответствия уровня генерации и потребления в единый момент времени. Прорывная технология, которая позволит разделить генерацию и потребление, – накопление энергии. Эта технология полностью изменит всю систему диспетчеризации, соотношение традиционной и альтернативной электроэнергетики и многое другое. Если к технологии накопления энергии добавить хорошую IT-логику, то это будет, бесспорно, революция», – считает Чубайс. Есть понимание проблемы и на государственном уровне. В начале этого года вице-премьер Аркадий Дворкович поручил Минэнерго и «Роснано» разработать техзадание на создание госпрограммы поддержки кластера промышленного хранения электроэнергии (power storage). Участники совещания с вице-премьером также сочли, что промышленное хранение электроэнергии находится в стартовой точке бума, который затронет изолированные, малые электрические хозяйства и транспорт. В «Роснано» считают, что господдержка позволит сформировать на рынке пул национальных игроков. Стимулировать спрос на накопители планируется за счёт компенсации рисков инвестпроектов и повышения их инвестпривлекательности. Использование промышленных аккумуляторов позволит создавать экономически эффективные локальные энергосистемы, сгладить пики потребления и создавать рынки торговли электроэнергией для распределённой энергетики, отмечают в компании. Электрохимия и жизнь В настоящее время придумано много способов хранения электроэнергии в больших масштабах, однако приоритет отдаётся строительству обычных электрохимических аккумуляторов размером с дом. Совокупная мощность работающих и строящихся промышленных хранилищ энергии в мире, по данным консалтинговой компании IHS, составляет около 3 ГВт. Однако аналитики уверены, что индустрию хранения энергии ожидает бурный рост уже в ближайшем будущем. Основные проблемы опытных промышленных накопителей – дороговизна и низкая ёмкость, массовой экономически оправданной технологии их сооружения пока нет (особняком тут стоит технология Tesla, о которой ниже). По словам Максима Рябчицкого, исследования, которые велись последние 20 лет, создали много образцов (вплоть до самых экзотических) power storage, но они пока не ушли дальше опытно-промышленной эксплуатации, а существующие аккумуляторы слишком дороги и имеют низкий КПД. То есть пока аккумуляторы дороже самих СЭС. Директор Ассоциации предприятий солнечной энергетики Антон Усачёв прогнозирует, что при росте доли ВИЭ в энергобалансе будет расти потребность в ёмких системах power storage, наибольший спрос будет в странах, планирующих долю ВИЭ в генерации не менее 25–30%. Мощность используемых сегодня в мире решений power storage, как правило, не выше 1–2 МВт. Так, итальянская Enel запустила осенью 2015 года в Катании первое хранилище электроэнергии при солнечной станции на 10 МВт с ёмкостью батарей 2 МВт•ч и планирует ВЭС на 18 МВт на юге Италии с литийионными батареями также в 2 МВт•ч. Крупнейший в Европе промышленный накопитель энергии появился в немецкой деревне Фельдхайм. Предприятие официально называется Региональной регулирующей электростанцией. Назначение станции мощностью 10 МВт и ёмкостью аккумуляторов 10,8 МВт•ч – накапливать избыточную электроэнергию, вырабатываемую ВИЭ, обеспечивать стабильность электросети, сглаживать временные изменения частоты. Ряд компаний (RWE, Vionx, LG, SMA, Bosch, JLM Energy, Varta) начали поставлять на рынок промышленные и бытовые системы хранения энергии, которые также работают на основе разновидностей литийионных аккумуляторов, в первую очередь литий-железо-фосфатных (LiFePO4), а также ванадиевых батарей. Дальше других продвинулась Япония с технологией горячих аккумуляторов. В этом ряду нельзя не отметить наработки компании Tesla, которая и здесь впереди планеты всей, не в последнюю очередь благодаря грамотному пиару своей продукции, отличному дизайну, продвинутым технологическим решениям и «агрессивной» цене. В прошлом году Илон Маск презентовал проект Powerwall – настенную литийионную батарею для дома ёмкостью 10 КВт•ч (это примерно дюжина стандартных автомобильных аккумуляторов). Батареи достаточно для покрытия суточной потребности в электроэнергии средней американской семьи. Стоит она $3500. Интересно, что разработка Tesla позволяет наращивать систему до девяти штук, присоединяя к ней дополнительные единицы Powerwall. Однако по-настоящему промышленным аккумулятором, скорее всего, станет другая разработка Tesla – аккумулятор Powerpack. С виду и по размерам он похож на холодильник и имеет ёмкость в десять раз большую, чем Powerwall – 100 КВт•ч. Powerpack также является модулем. Добавляя такие модули в хранилище, можно наращивать ёмкость последнего практически до бесконечности. По словам Илона Маска, в США уже есть энергетические компании, работающие на основе технологии Powerpack и имеющие хранилища ёмкостью 250 МВт•ч. По расчётам компании PwC, хранение и распределение электроэнергии по сети в объёме 5 тысяч МВт•ч может быть экономически выгодным в США при стоимости с учётом монтажа на уровне $350 за 1 кВт•ч. Цена за пункт ёмкости при использовании модулей Powerpack равна $250. Альтернативное накопительство Альтернативой электрохимическим промышленным аккумуляторам может стать строительство объектов «зелёной» энергетики рядом с ГАЭС – гидроаккумулирующими станциями, запасающими энергию в виде воды. Изначальное предназначение ГАЭС – выравнивать неоднородность суточного графика электрической нагрузки. С развитием ВИЭ гидроаккумулирующие станции смогут также нивелировать дискретность выработки энергии СЭС и ветряками. По данным Департамента энергетики США, в мире в настоящее время работает 292 гидроаккумулирующих комплекса общей мощностью 142 ГВт. Ещё 46 станций общей мощностью 34 ГВт строятся. КПД современных ГАЭС составляет 70–75%. «Среди всех технологий хранения энергии гидроаккумулирующие комплексы являются самыми надёжными, опробованными и коммерчески выгодными аккумуляторами», – считает сотрудник департамента энергии Национальной лаборатории в Аргонне (штат Иллинойс) Владимир Коритаров. По его мнению, 98% действующих хранилищ энергии в мире и есть ГАЭС. Сегодня ГАЭС вновь в центре внимания, и не в последнюю очередь в связи с бумом ВИЭ, говорит Коритаров. В Испании, например, где порядка 20% энергии вырабатывается ветром, хранилища ГАЭС гидроузла Cortes-La Muela наполняются ВЭС в ветреные ночи, а когда ветер утихает или потребность в энергии возрастает, вода из верхнего резервуара используется для вращения турбин и выработки энергии. Это самый большой в Европе комплекс такого рода мощностью 1762 МВт, способный обеспечивать энергией 500 000 домов. В США на стадии планирования находится проект ГАЭС JD Pool в штате Вашингтон мощностью 1200 МВт. Пара его верхних резервуаров будет размещена между рядами ветровых турбин на плато Колумбия. Общая мощность 47 ветровых электростанций, находящихся в штатах Вашингтон и Орегон в непосредственной близости от предполагаемого места строительства ГАЭС, составляет 4695 МВт. Этого достаточно, чтобы не только снабжать электроэнергией ближайшие предприятия и домохозяйства, но и заполнять водой резервуары JD Pool. А вот в совмещении СЭС и ГАЭС сегодня есть определённые сложности. Как правило, крупные солнечные электростанции размещены в жарких пустынных местностях, где наблюдаются проблемы с водой. Хотя при наличии полноводных подземных горизонтов и эта проблема решаема. Вот только воды из-под земли придётся выкачивать много, ведь ГАЭС – сооружение, размер которого имеет значение. Фантазия без тормозов Когда есть заказ и подразумевается бюджет, мозги учёных начинают работать с удвоенной силой. Поиски альтернативных химическим аккумуляторам способов хранения энергии идут в лабораториях всего мира, порождая подчас весьма экзотические проекты. Британский Департамент энергии и изменения климата проинвестировал разработку хранилища энергии, в котором работает сжиженный воздух. Установка получила название LAES и развивает мощность 350 КВт•ч. Её испытания прошли успешно, и проект имеет перспективы по масштабированию. Работает установка следующим образом. При наличии избыточной электроэнергии воздух сжижается в ёмкости высотой 12 м, а диаметром – 3 м. А когда нужно, снова превращается в ток. В местности Техачапи (штат Калифорния, США) действует другой необычный экспериментальный накопитель, запасающий энергию при помощи гравитации. Называется он ARES и с виду похож на детскую железную дорогу (ширина колеи – всего 381 мм). Когда ветер дует, вагончик, приводимый в движение электромотором, едет по ветке в гору, накапливая энергию, а когда стихает – устройство скатывается вниз. В этот момент его двигатель работает как генератор, подавая энергию в сеть. Горка находится рядом с парком ветрогенераторов. Вес экспериментальной тележки – 5670 кг. Один из плюсов проекта – более низкая стоимость жизненного цикла по сравнению с батареями. При этом эффективность системы составляет 86%. В дальнейшем в соседней Неваде, где по причине отсутствия воды нельзя соорудить ту же ГАЭС, планируется построить систему с объёмом запасаемой энергии 12,5 МВт•ч. Это будет однопутная дорога длиной 8 км и уклоном 6,6 градусов. Двигаться по ней будут 17 сцепок: по два локомотива массой по 220 тонн и два вагона с бетонными блоками массой по 150 тонн каждый. Источники: ИТАР-ТАСС, газета «Коммерсантъ», сайты renewableenergyworld.com, digitalsubstation.ru, tesla.com/powerwall, resilience.org, alternativenergy.ru peretok.ru Современная энергетикаНакопители энергии Для современной энергетики, как стационарной, так и автономной, важное значение приобретают интенсивные формы развития, выдвигающие повышенные требования к качественным показателям энергетических установок. В этом плане возрастает роль накопителей энергии, обеспечивающих решение нелого ряда проблем накопления, хранения, преобразования энергии, реализацию оптимальных режимов работы оборудования, питание потребителей с нестандартными параметрами и т. п. Накопители энергии находят все более широкое применение в электроэнергетических системах, автономных энергетических установках, транспортных системах, бортовом оборудовании, технологической аппаратуре, электрофизических стендах и т. п. В общем виде под накопителем энергии будем понимать устройство, позволяющее накапливать в нем энергию какого-либо вида в течение периода заряда ts, а затем передавать существенную часть этой энергии нагрузке в течение периода разряда t Взаимосвязь параметров накопителя при заряде и разряде определяется законом сохранения энергии, выражаемым очевидным соотношением IV, n=-*yP - (в-]) Где Р3 и Рр — средние значения мощностей зарядного и разрядного процессов; Г| — КПД накопителя. Значения и tp, а также энергетические показатели при заряде и разряде могут сильно различаться. Соответственно, существует несколько основных направлений использования накопителей. Во-первых, их основная роль может сводиться к аккумулированию избыточной энергии при отключении значительной части потребителей и последующему использованию накопленной энергии в периоды интенсивного энергопотребления. При этом значения и Tp имеют примерно одинаковый порядок, а показатели энергии при заряде и разряде достаточно близки. Примером такого накопителя является гидроаккумулирующая Накопители энергииД. А. Бут, Б. J1. Алиевский, С. Р. Мизюрин, П. В. Васюкевич; Производство и потребление различных видов энергии в .мире растет быстрыми темпами, определяя прогресс во всех областях жизнедеятельности человека. … ВРАЩАЮЩИЙСЯ ПЛОСКИЙ ДИСК БЕЗ ОТВЕРСТИЯВ сплошном диске (Do = 0) толщиной b — const и диаметром D = 2R при наличии на его периферии растягивающей Нагрузки р=const компоненты напряжения в материале на расстоянии г … СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙАБ — аккумуляторная батарея БТЭ — батарея топливных элементов ВАХ — вольт-амперные характеристики ВГ — вентильный генератор ВСУ — вспомогательная силовая установка ГАУ — гидроаккумулирующая установка ГАЭС — гидроаккумулирующая электростанция … msd.com.ua Кинетический Накопитель Энергии |НПК ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕОбзор существующих технологий накопления электроэнергииВ настоящее время проблема эффективного использования электрической энергии является актуальной задачей для всех сфер деятельности. Одним из путей повышения эффективности энергопользования может стать применение систем, аккумулирующих энергию генератора и выдающие ее в сеть по мере такой необходимости. Современные системы накопителей энергии способны решить различные задачи хранения и преобразования энергии, реализации оптимальных режимов работы оборудования, питания потребителей с нестандартными параметрами. Среди ключевых функций накопителей можно выделить:
Накопители электрической энергии в будущем станут важнейшим элементом интеллектуальных (активно-адаптивных) сетей нового поколения, без которых невозможен дальнейший качественный рост экономики. Основные типы накопителей:В настоящее время существует множество различных классификаций накопителей электрической энергии. Однако, с практической точки зрения, наиболее точной представляется классификация накопителей на электрохимические и физические. Первые – преобразуют электрическую энергию в химическую энергию веществ, вторые – в механическую энергию. К электрохимическим накопителям энергии относятся:
К физическим накопителям электроэнергии относятся два вида комплексов: Электрохимические накопители энергииСвинцово-кислотные аккумуляторыДанная электрохимическая система является одной из самых распространенных среди аккумуляторов в виду своей дешевизны, отработанной технологии производства и большому опыту эксплуатации. В свинцово-кислотных аккумуляторных батареях ( далее СКА) электролитом является раствор серной кислоты, активным веществом положительных пластин – двуокись свинца РbО2, отрицательных пластин – губчатый свинец Рb. Свинцово-кислотные аккумуляторы достаточно широко распространены, однако, наряду с достоинствами, обладают и существенными недостатками – малой энергоемкостью (на уровне 10–30 Вт·ч/кг), малым количеством циклов заряд/разряд и низкой допустимой глубиной разряда у большинства их разновидностей. В настоящее время доступны аккумуляторы с улучшенными ресурсными характеристиками, достигающими 3000 циклов при глубине разряда 50 %. Однако и цена таких аккумуляторов выше, чем у стандартных систем. Никель-кадмиевые аккумуляторыНикель-кадмиевые аккумуляторы также известны достаточно давно. Принцип действия основан на формировании гидроокиси кадмия на аноде и гидроокиси никеля – на катоде. Их энергоемкость почти в два раза выше, чем у СКА, они работоспособны при низких температурах, при этом допустимые токи заряда и разряда также существенно выше. Эти достоинства позволили никель-кадмиевым аккумуляторам найти широкое применение на транспорте, в авиации и стационарных системах, несмотря на то, что они более дороги. Однако, никель-кадмиевым аккумуляторам присущ такой недостаток как эффект памяти – их энергоемкость резко падает при не полном разряде или заряде, для ее восстановления требуются специальные алгоритмы заряда. Также они наиболее критичны из всех типов электрохимических аккумуляторов к точному соблюдению требований по правильной эксплуатации. Натрий-серные аккумуляторыЭнергоемкость данной системы может достигать 925 Вт·ч/кг, однако в реальности достигнуты гораздо меньшие цифры, 100–150 Вт·ч/кг. Есть ряд существенных нюансов – электролит в данной системе керамический, что обуславливает высокую рабочую температуру аккумулятора (290–360 °С). Сегодня достигнутые на практике ресурсные характеристики натрий-серных аккумуляторов демонстрируют значения от 2000 до 4000 циклов при глубине разряда до 80-90 %. Наибольших успехов в разработке и производстве высокотемпературных аккумуляторов достигла японская компания NGK Insulators LTD. Несмотря на неспособность хранить запасенную энергию в течение длительного времени (вся она будет израсходована на поддержание рабочей температуры электролитов), натрий-серные аккумуляторы оказались востребованы для регулирования графиков выдачи мощности и поддержания частоты переменного тока в крупных сетях Японии и США, как для возобновляемой, так и централизованной энергетики. Отсутствие дорогостоящих материалов привело к тому, что стоимость запасенной энергии для данной системы находится на уровне СКА. Литий-ионные аккумуляторы.Для данного типа аккумуляторов характерны высокая энергоемкость, глубокие циклы заряда разряда (70–80 %), отсутствие эффекта памяти. В то же время ресурс и стоимость таких аккумуляторов зависят от типа электрохимических систем, применяемых на катоде и аноде, а также от температуры и режимов эксплуатации. Основной причиной незначительного распространения данного типа аккумуляторных батарей стала их взрывоопасность. Вероятность короткого замыкания и взрыва ограничивала применение литий-ионных аккумуляторов большого размера – например, в масштабах, необходимых для питания электротранспорта или применения в качестве сетевых накопителей энергии, где нужны тысячи киловатт-часов энергии. Новое поколение данных аккумуляторных батарей, использующих ферро-фосфат лития (LiFePO4) в качестве катодного материала появилось лишь в 2003 году. . Ферро-фосфат лития оказался очень удачным материалом для использования в аккумуляторах. Он способен отдать практически весь накопленный литий, оставаясь устойчивым. При этом сохраняется главное свойство литий-ионных аккумуляторов – большая удельная емкость. Суперконденсаторы.Суперконденсатор представляет собой импульсное электрохимическое устройство, предназначенное для компенсации быстрых переходных процессов в различных электрических схемах. От аккумуляторов различных типов он отличается существенно меньшей энергоемкостью (единицы Вт·ч/кг) и повышенной удельной мощностью (2–10 кВт/кг). Процесс запасания энергии в суперконденсаторах осуществляется за счет разделения заряда на двух электродах с достаточно большой разностью потенциалов между ними. Так как химических превращений веществ в процессе работы суперконденсатора не происходит (если не допускать превышения зарядных напряжений), ресурс системы достаточно велик и может превышать 100 000 циклов заряда разряда. Учитывая вышеупомянутые особенности суперконденсаторов, целесообразно их использование в гибридных схемах с аккумуляторами. В этом случае суперконденсатор реагирует на короткие пики генерации или потребления электроэнергии, увеличивая ресурс аккумулятора и снижая время отклика всей системы на внешние воздействия. Стоит отметить, что все представленные электрохимические накопители энергии (кроме Суперконденсаторов) имеют общие существенные недостатки, в т.ч.:
Накопители энергии на основе молекулярных конденсаторовМолекулярные накопители являются новым продуктом в сфере накопителей и в настоящее время проходят стадию создания и испытания опытных образцов. Среди данного класса накопителей практическое применение в настоящее время нашёл лишь Сверпроводниковый Индуктивный Накопитель Энергии (СПИНЭ) небольшой энергоемкости (до 106 Дж.). При этом промышленное внедрение СПИНЭ станет возможным лишь после разработки и создания СПИНЭ на базе высокотемпературных сверхпроводников. СПИНЭ могут находить применение в электроэнергетике как одно из эффективных средств повышения режимной надежности и устойчивости электроэнергетических систем. При этом выделяются такие свойства индуктивных накопителей, как быстродействие, высокий КПД, возможность полной автоматизации ввода и вывода энергии, большая удельная энергоемкость, регулирование активной и реактивной мощности. Ожидается, что к 2016-2020 гг. на базе СПИНЭ будут созданы недорогие системы хранения энергии достаточной энергоемкости, но пока технические решения по ним все еще в стадии разработки. Физические накопители электроэнергииСреди физических накопителей электроэнергии, получивших практическое применение в энергетике можно выделить накопители, использующие естественную гравитацию – к ним относятся Гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) и накопители, использующие кинетическую энергию вращения маховика – так называемые накопители кинетической энергии (НКЭ). Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).ГАЭС являются одной из самых ранних технологий запасания больших объемов энергии. Основными факторами, определяющими возможность постройки ГАЭС, её максимальную емкость и стоимость, являются особенности рельефа местности, а также необходимость затопления значительных территорий. Применение ГАЭС может оказаться эффективным в том случае, когда регулируется работа не одной электростанции на основе традиционных технологий или возобновляемых источников энергии, а более крупной энергосистемы, как например энергосеть крупного мегаполиса. Строительство ГАЭС осуществляется в мире уже более 100 лет. Первая ГАЭС — Леттем (Швейцария), мощностью около 100 кВт, была введена в эксплуатацию в 1882 году. Сейчас общее количество ГАЭС в мире составляет более 460 станций, а их суммарная мощность превышает 300 млн. киловатт. Гидроаккумулирующая электростанция является уникальным гидроэнергетическим сооружением, посредством которого удается аккумулировать (запасать) электрическую энергию, возвращая её в энергосистему по мере необходимости. В часы, когда в энергосистеме избыток электрической энергии, (преимущественно — ночью), гидроагрегаты ГАЭС работают в качестве насосов и, потребляя дешевую избыточную электроэнергию, перекачивают воду из нижнего бассейна в верхний аккумулирующий бассейн на высоту несколько десятков или сотен метров. В часы, когда в энергосистеме образуется дефицит генерирующей мощности, преимущественно — в утренние и вечерние часы, гидроагрегаты ГАЭС работают в качестве генераторов и превращают энергию потока воды — в электрическую. Она поступает в объединенную систему. Учитывая высокую маневренность гидроэнергетического оборудования, число пусков обратимых гидроагрегатов ГАЭС, в отличие от обычных ГЭС, достигает нескольких сот (500-700) в месяц, а иногда составляет около 30 пусков в сутки. На сегодняшний день в России таких станций всего 2: Загорская ГАЭС в Подмосковье и Ставропольская ГАЭС на трассе Большого Ставропольского канала (БСК). Основным предназначением Загорской ГАЭС является автоматическое регулирование частоты и перетоков мощности, а также покрытие суточных пиковых нагрузок в Московской и Центральной энергосистемах. Первая очередь Загорской ГАЭС мощностью 1200 МВт была построена в 1980—2003 годах, с 2007 года ведётся строительство второй очереди мощностью 840 МВт. 1-ая и 2-ая очередь Загорской ГАЭС способны лишь частично компенсировать дефицит маневренной регулирующей мощности в Центральном регионе России, которая сейчас составляет более 3,0 млн. кВт, в том числе в Москве и Московской области — около 2 млн. кВт. Существенными недостатками ГАЭС являются:
(свыше 2 000 долл. за 1 кв. электрической мощности). Накопители кинетической энергии (НКЭ)Среди физических накопителей энергии на сегодняшний день наиболее перспективными являются агрегаты, работающие на принципе накопления кинетической энергии во вращающихся маховиках. Такие установки носят название накопителей кинетической энергии (НКЭ). В качестве вращающегося и накапливающего энергию элемента могут быть использованы классические (монолитные) маховики или более современные и перспективные супермаховики. Супермаховик – это маховик высокой удельной энергоемкости, изготовленный методом навивки с натягом на упругий центр материалов с высокой одноосной прочностью – проволок, лент, волокон со связкой (склейкой). Эксплуатируется супермаховик не в воздушной среде, а в среде с пониженными сопротивлениями вращению, например вакууме. В мире получило распространение применение модулей НКЭ, состоящих из нескольких агрегатов, для резервирования питания ответственных потребителей электроэнергии (таких как медицинские центры, банковские хранилища, атомные объекты и т.д.), а также для чистотного регулирования и сглаживания графика нагрузок в сети. Накопители кинетической энергии имеют ряд преимуществ перед вышеуказанными системами электрохимических и физических накопителей. Их отличает:
Сравнительная характеристика представленных накопителей энергии представлена ниже:
Как показывает сравнительная таблица, Накопители кинетической энергии (НКЭ) являются наиболее «гибкими» системами, отличающимися высокими эксплуатационными характеристиками, при этом обладающие самым низким удельным показателем стоимости строительства и обслуживания. В большинстве случаев, накопители кинетической энергии (НКЭ), могут стать экономичным и выгодным решением, замещающим использование электрохимических систем накопления. mig-energo.ru |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
