RP-Energie-Lexikon - накопичувач електричної енергії, суперконденсатор, батареї, відновлювані джерела

Визначення: Системи, які поглинають електричну енергію і згодом можуть її знову виділити

rp-energie-lexikon

Англійська: зберігання електричної енергії

Оригінальне створення: 24.11.2012; остання зміна: 14.03.2020

Під накопиченням електричної енергії зазвичай розуміють системи або пристрої, які можуть поглинати електричну енергію, а потім випускати її знову пізніше - в деяких випадках також пристрої, до яких енергія надходила в іншій формі (наприклад, як хімічна енергія) і які потім є електричними Може віддавати енергію.

Різні аспекти, які також мають відношення до інших типів накопичення енергії, обговорюються в статті про зберігання енергії.

Види накопичення електричної енергії

Конденсатори

Пряме накопичення електричної енергії - без перетворення в інші форми енергії - можливе за допомогою конденсаторів. Вони зберігають електричний заряд, пропорційний прикладеній електричній напрузі. Подача додаткового електричного заряду повинна відбуватися проти цієї напруги, тому вона вимагає енергії та ще більше збільшує цю напругу. Напруга не повинна стати занадто високою, оскільки в іншому випадку електричний пробій призводить до руйнування.

Втрати в накопичувачі енергії в конденсаторах дуже низькі, і зарядка і розрядка можуть відбуватися дуже швидко, тобто з великою щільністю потужності. Однак щільність енергії низька, саме тому за допомогою конденсаторів можна зберігати лише відносно невелику кількість енергії. Це стосується навіть так званих суперконденсаторів з особливо великою ємністю.

Ще одним недоліком є ​​те, що електрична напруга повинна дуже сильно варіюватися під час зарядки та розрядки - набагато більше, ніж у батареях.

Магнітний накопичувач

Котушка, через яку протікає струм, генерує магнітне поле, і воно також зберігає енергію. Існують пристрої із надпровідним магнітом, оптимізовані для накопичення енергії, де струм може протікати без опору, а отже, втрати енергії не виникають під час утримання заряду (за винятком охолоджуючих пристроїв тощо). Навіть при заряджанні та розряджанні зазвичай втрачається дуже мало енергії. Однак технологія є складною, а щільність енергії відносно низькою, тоді як щільність потужності може бути відносно високою. Поки що практично немає практичних застосувань для цієї технології.

Батареї

Енергія зберігається в акумуляторах (акумуляторних батареях) в електрохімічній формі. Оскільки процеси, що відбуваються під час зарядки, є в основному оборотними (оборотними), втрати енергії, що виникають, відносно невеликі - часто лише кілька відсотків. Міцність саморозряду сильно залежить від типу акумулятора, але зазвичай є помірною. Щільність енергії набагато вища, ніж у всіх конденсаторів, але дуже низька в порівнянні з паливом. Тому це z. Б. важко спроектувати електромобілі на великій відстані від акумуляторів.

Акумулятори також іноді використовують для накопичення сонячної енергії, хоча їх витрати занадто високі для цього застосування.

Великі системи можуть бути спроектовані як так звані окисно-відновлювальні батареї, які, однак, все ще перебувають у стадії розробки. Тут рідина, завантажена енергією, зберігається зовні в резервуарі. (Часто для різних рідин потрібні два резервуари.) Це забезпечує високу ємність для зберігання, при цьому електрохімічний компонент не повинен бути дуже великим. Отже, досягається центральна перевага зберігання хімічної енергії.

Батареї не придатні для тривалого зберігання. Це відбувається не через саморозряд, який дуже слабкий при деяких типах акумуляторів, а через вартість та обмежений термін служби. Якщо акумулятор z. Б. заряджалися та розряджалися лише кілька разів на рік, протягом життя було досягнуто дуже мало циклів зарядки, а витрати за цикл зарядки були б надзвичайно високими.

Маховик-акумулятор

Заряджаючи запам'ятовуючий пристрій маховика, маховик встановлюється в швидке обертання за допомогою електродвигуна. При розряді одна і та ж електрична машина зазвичай використовується як генератор для виробництва електроенергії. Такі одиниці зберігання є одиницями короткочасного зберігання з високою продуктивністю, але обмеженою щільністю енергії. Наприклад, ви можете накопичувати енергію для руху електричного автобуса від однієї зупинки до іншої. Перезавантаження відбувається під час короткої зупинки на зупинках шляхом подачі високої електричної енергії.

Насосні акумуляторні електростанції

Набагато більша кількість енергії може зберігатися в насосному сховищі. Тут вода закачується у водосховище на великій висоті і згодом може приводити турбіни в дію, щоб знову виробляти електричну енергію. Кількість енергії, яку можна накопичити, залежить від добутку обсягу водойми та висоти падіння. Втрати енергії під час циклу заряду/розряду зазвичай становлять близько 15-25%. Продуктивність під час зарядки та розрядки може бути дуже високою (сотні мегават, іноді навіть більше 1 ГВт).

Насосні електростанції складають переважну більшість накопичувальних потужностей, встановлених у всьому світі.

Непряме зберігання на водяних електростанціях

Електростанції, що зберігають воду, без можливості перекачування, принаймні можуть використовуватися для непрямого накопичення надлишкової енергії. Це означає, що їх виробництво зменшується або припиняється до тих пір, поки z. Б. достатньо електроенергії від енергії вітру. Це економить водопостачання і може використовувати його ширше в інший час, коли вітер не дме, ніж в іншому випадку (без вітрогенераторів).

Метод непрямого накопичення не тільки має ту перевагу, що насоси можуть бути позбавлені гідроелектростанцій, але також дозволяє уникнути втрат енергії насосних накопичувачів. Цього достатньо для відновлення надлишкової потужності вітру, доки вихідна потужність вітру буде нижчою, ніж потреба в електроенергії. Зберігання насоса стає цікавим лише при вищій встановленій потужності вітру. Однак, лише при непрямому зберіганні неможливо, як і при насосному накопичувачі, використовувати ємність води багато разів протягом року - що може бути важливим, коли ємність для зберігання обмежена.

Електростанції, що зберігають стиснене повітря

Електростанції, що зберігають стиснене повітря, використовують велику підземну порожнину, яка заповнюється стисненим повітрям при зарядці через компресори. При розвантаженні це стиснене повітря може знову приводити турбіни (або газорозширювальний двигун у менших системах). Справа ускладнюється тим, що при стисненні повітря нагрівається, а при розслабленні знову охолоджується. В ідеальному випадку досягається майже адіабатична операція, при якій тепло зберігається під час зарядки і повертається в повітря, коли воно розслаблене. В іншому випадку часто застосовується комбінація з газотурбінною електростанцією, яка споживає природний газ, але в значно менших кількостях, ніж електростанція на чистому газі через енергію, що подається стисненим повітрям.

Електростанції, що зберігають стиснене повітря, в деяких місцях використовуються для покриття вимог пікового навантаження. Їх енергоефективність значно нижча, ніж у насосних електростанцій, але вони більш доцільні, ніж у рівнинної місцевості.

водень

В електролізері водень може вироблятися за допомогою електричної енергії, яка потім зберігається в резервуарах. Пізніше електрична енергія може бути відновлена ​​за допомогою паливного елемента. На відміну від насосних електростанцій або електростанцій, що зберігають стиснене повітря, такі електростанції, що зберігають водень, можуть бути реалізовані практично в будь-якому місці. Однак вони набагато дорожчі і мають більші втрати енергії.

Також можна використовувати утворений водень для інших цілей, наприклад, Б. подаватися в газову мережу (за необхідності після метанації). Цей підхід відомий як потужність до газу. Більш загально говорять про Силу до X, z. Б. також включає владу до рідини. Водень часто відіграє важливу роль у виробництві напр. Б. синтетичного палива.

Попит на зберігання електричної енергії в електромережі

В електромережах пристрої накопичення електричної енергії можуть виконувати дуже корисні функції. Зокрема, вони можуть подолати необхідність виробляти стільки потужності на електростанціях, скільки потрібно в будь-який момент: вони можуть поглинати надлишки, а згодом їх знову випускати у разі вузьких місць. Це не тільки підвищує безпеку постачання, але також дозволяє більш рентабельно виробляти електроенергію та використовувати більш широкий спектр технологій електростанцій.

Звичайно, для побудови та експлуатації систем накопичення енергії потрібні певні зусилля, також виникають втрати енергії. Тому важливо врахувати, чи інші варіанти не є більш сприятливими:

  • Можна використовувати більш гнучкі електростанції, які можуть бути добре пристосовані до попиту - навіть якщо це може призвести до вищих витрат на паливо.
  • Може бути здійснено більш складне управління навантаженням, щоб попит можна було вчасно скорегувати відповідно до відповідних можливостей генерації.
  • Електричні мережі можна розширити, щоб електрична енергія могла обмінюватися на більші відстані з невеликими втратами. У більшості випадків це рішення є набагато вигіднішим, ніж впровадження додаткових накопичувачів енергії.
  • При необхідності надлишок енергії може залишитися невикористаним, якщо це трапляється не надто часто.

На практиці важливо визначити тип та сферу застосування систем накопичення енергії та використовуваних електростанцій таким чином, щоб досягти оптимуму загалом - враховуючи багато аспектів, таких як інвестиційні та експлуатаційні витрати, енергоефективність, забруднення навколишнього середовища та безпека постачання. Це дуже складна оптимізація. Залежно від наявних технологій, місця розташування та типів електростанцій може мати сенс використовувати технології зберігання у більшій чи меншій мірі. Отже, існує не дана потреба у зберіганні, але оптимум, який слід визначити за ступенем використання сховища.

В результаті енергетичного переходу в Німеччині в середньостроковій та довгостроковій перспективі буде більша потреба в системах накопичення електричної енергії, оскільки все більша частка електричної енергії буде покриватися коливальними джерелами, такими як енергія вітру та сонячна енергія. У будь-якому випадку, в цьому контексті дуже вітаються потужні нові технології зберігання даних. Однак поки не ясно, якою мірою такий розвиток подій може або повинен бути замінений альтернативними заходами (див. Вище). Зокрема, економічно вигідніше було б створити європейську супермережу (додаткову високоефективну енергосистему з високовольтною передачею постійного струму), щоб мати можливість підключити існуючі сховища та багатьох різних виробників відновлюваної енергії. Тому що z. Якщо, наприклад, вітрогенератори та фотоелектричні системи все частіше можуть експлуатуватися в дешевих місцях, витрати на виробництво електроенергії також зменшуватимуться. На відміну від цього, децентралізовані системи накопичення сонячної енергії призвели б до значних додаткових витрат.

Незважаючи на зростаючу частку коливальних подач в електромережі, прибутковість насосних електростанцій, наприклад, протягом останніх років розвивалася негативно. Коливання цін на електроенергію на біржі, на якій в кінцевому рахунку живуть оператори систем накопичення енергії, насправді зменшились. Частково це пов’язано з тим, що, принаймні в гарну погоду, потужне подавання фотоелектричної електроенергії покриває значну частину полуденного піку споживання. Таким чином, регулярне завдання цих систем зберігання, яке суттєво сприяло їх прибутковості, було значно зменшено. Однак при подальшому розширенні фотоелектрики такий розвиток подій, швидше за все, зміниться: якщо в обід подається значно більше, ніж це необхідно для покриття піків споживання, насосні накопичувачі та інші системи накопичення можуть поглинути надлишок і звільнити його знову ввечері, наприклад.

Зберігання на якому рівні?

Системи зберігання для збалансування виробництва та попиту в принципі можуть бути встановлені на різних рівнях: в мережі передачі, в локальних розподільчих мережах, в крайньому випадку навіть в окремих будинках, наприклад, як доповнення до фотоелектричної системи. Зберігання на найвищому рівні, ніж у мережах передачі, має дві важливі переваги:

  • Оскільки вони мають дуже високу потужність накопичувача, витрати на запасену кіловат-годину набагато нижчі, ніж у малих системах зберігання - хоча б тому, що в такому масштабі можуть бути використані інші технології (наприклад, насосні електростанції замість акумуляторів), а також через зменшення витрат.
  • Баланс між генерацією та попитом також найкраще можливий на цьому рівні, оскільки лише там відомий реальний попит. Це було б енергоефективним z. Б. не має сенсу переводити поточний надлишок фотоелектричної системи на сонячне сховище енергії в обідній час, якщо одночасно існує велика потреба в електроенергії на електроплитах на тій же вулиці.

Витрати на зберігання

Існує кілька видів витрат, пов’язаних із використанням сховища:

  • Перш за все, це коштує виготовлення та встановлення пам'яті.
  • Додаткові витрати можуть виникнути при експлуатації та технічному обслуговуванні.
  • Втрати енергії також породжують непрямі витрати.

Всі ці фактори необхідно враховувати при оцінці прибутковості.

Коли за одне згадується вартість зберігання за кіловат-годину, можна мати на увазі зовсім іншу інформацію:

Наприклад, якщо сонячна система накопичення енергії, заснована на літій-іонних акумуляторах, вимагає інвестицій у розмірі 10 000 євро та пропонує корисну потужність накопичувача 5 кВт-год, результат - 10 000 євро/5 кВт-год = 2000 євро/кВт-год. Якби система зберігання повинна була забезпечити термін служби 10000 циклів, витрати на кількість перетвореної енергії становили б 0,20 євро/кВт-год. Однак, якщо акумулятори пройшли лише 2000 циклів після десяти років фактичної експлуатації, але стали непридатними через старіння, ці витрати значно вищі, а саме 1 €/кВт-год. Майте на увазі, ні експлуатаційні витрати, ні втрати енергії не враховуються.

Структура енергетичної галузі

Економічний баланс зберігання електроенергії також вирішальним чином залежить від певних загальних енергетичних умов. Зокрема, важливо, за якими тарифами та з якими платами можна отримати електроенергію для зарядки сховища.

Наприклад, відповідно до поточної правової ситуації в Німеччині, системи зберігання електричної енергії в основному класифікуються як кінцеві споживачі - хоча вони лише тимчасово зберігають енергію, а потім доставляють її фактичному кінцевому споживачеві. Однак існують різні спеціальні правила, які дозволяють, наприклад, різко зменшити плату за користування мережею для насосних електростанцій. Існує також звільнення від сплати податку на електроенергію для насосних електростанцій, але поки що не для інших технологій зберігання. Інші аспекти стосуються таких податків, як надбавка за ТЕЦ та офшорна надбавка. У деяких випадках існує проблема, пов’язана з тим, що нові технології зберігання, які не зіграли жодної ролі у складанні чинних на даний час правил, обтяжені звинуваченнями, які самі по собі не виправдані. Відповідне коригування правил представляється доцільним і мало б полегшити впровадження нових технологій зберігання.

Запитання та коментарі читачів

Тут ви можете запропонувати запитання та коментарі для публікації та відповіді. Автор RP-Energie-Lexikon прийме рішення про прийняття за певними критеріями. По суті, справа в тому, що справа представляє широкий інтерес.

Якщо ви отримаєте тут допомогу, ви можете повернути послугу пожертвою, за допомогою якої ви підтримаєте подальший розвиток енергетичного словника.

Захист даних: Будь ласка, не вводьте тут жодних особистих даних. Ми все одно не публікували б їх і незабаром видалили б. Дивіться також нашу політику конфіденційності.

Якщо ви хочете отримати особистий відгук або пораду від автора, напишіть йому електронною поштою.

Подаючи заявку, ви даєте згоду на публікацію своїх записів тут відповідно до наших правил.

література

[1]Стаття в блозі: Зберігання енергії або електромережі: яке правильне рішення?
[2]Стаття в блозі: Конкретні витрати на зберігання енергії
[3]Додаткова стаття: Зберігання енергії та електромережі - що потрібно енергетичному переходу?
[4]Додаткова стаття: Зберігання енергії - центральна проблема відновлюваних джерел енергії?
[5]Agora-Energiewende: накопичувач енергії в енергетичному переході, https://www.agora-energiewende.de/veroeffnahmungen/stromspeicher-in-der-energiewende/

Якщо вам подобається цей веб-сайт, повідомте про це своїм друзям та колегам - e. Б. через соціальні мережі, натиснувши тут:

Ці кнопки спільного доступу налаштовані на захист даних!

Код для посилань на інших веб-сайтах

Якщо ви хочете розмістити посилання на цю статтю в іншому місці (наприклад, на вашому веб-сайті, у соціальних мережах, на дискусійних форумах або у Вікіпедії), ви можете знайти код тут. Такі посилання можуть, наприклад, В. бути дуже корисним для пояснень слів.

HTML посилання на цю статтю:

З попереднім переглядом зображення (див. Вікно безпосередньо над цим):

Якщо ви вважаєте за доцільне розмістити посилання у Вікіпедії, напр. B. у розділі "== Веб-посилання ==":

Експоненціальне зростання

Хотіли б ви нарешті зрозуміти,

  • що саме таке експоненціальне зростання,
  • за яких обставин це відбувається, і
  • які основні властивості він має?

Наша стаття "Експоненціальне зростання - пояснене зрозумілим для простих людей" - захоплююче та повчальне читання!

Важливі обставини ретельно пояснюються на прикладах - у таких темах, як ріст бактерій, епідемії (коронавірусна криза!), Капітальні інвестиції, атомні бомби, ядерні реактори та лазерні технології.