Σύγχρονες συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, οι πιο συνηθισμένοι τύποι αποθήκευσης ενέργειας

Συσκευές αποθήκευσης ενέργειας είναι συστήματα που αποθηκεύουν ενέργεια σε διάφορες μορφές, όπως ηλεκτροχημική, κινητική, δυναμική, ηλεκτρομαγνητική, χημική και θερμική, χρησιμοποιώντας για παράδειγμα κυψέλες καυσίμου, μπαταρίες, πυκνωτές, σφόνδυλους, πεπιεσμένο αέρα, υδραυλικούς συσσωρευτές, υπερμαγνήτες, υδρογόνο κ.λπ. .

Οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας είναι ένας σημαντικός πόρος και συχνά χρησιμοποιούνται για την παροχή αδιάλειπτης ισχύος ή για την υποστήριξη του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας σε περιόδους πολύ βραχυπρόθεσμης αστάθειας. Παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο σε αυτόνομα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

Τα κύρια κριτήρια για τις συσκευές αποθήκευσης ενέργειας που απαιτούνται για μια συγκεκριμένη εφαρμογή είναι:

• την ποσότητα ενέργειας ως προς την ειδική ενέργεια (σε Wh · kg -1) και την ενεργειακή πυκνότητα (σε Wh · kg -1 ή Wh · l -1).
• ηλεκτρική ενέργεια, δηλ. απαιτούμενο ηλεκτρικό φορτίο.
• όγκος και μάζα·
• αξιοπιστία;
• αντοχή;
• ασφάλεια;
• τιμή;
• ανακυκλώσιμο?
• επιπτώσεις στο περιβάλλον.

Κατά την επιλογή συσκευών αποθήκευσης ενέργειας, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

• ειδική ισχύς?
• χωρητικότητα αποθήκευσης;
• ειδική ενέργεια?
• χρόνος αντίδρασης;
• αποδοτικότητα;
• ρυθμός αυτοεκφόρτισης / κύκλοι φόρτισης.
• ευαισθησία στη θερμότητα?
• διάρκεια ζωής φόρτισης-εκφόρτισης.
• επιπτώσεις στο περιβάλλον·
• Κεφάλαιο / λειτουργικό κόστος?
• υπηρεσία.

Οι συσκευές αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας αποτελούν αναπόσπαστο μέρος των τηλεπικοινωνιακών συσκευών (κινητά τηλέφωνα, τηλέφωνα, ραδιοτηλέφωνα κ.λπ.), τα εφεδρικά συστήματα ισχύος και τα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα με τη μορφή εξαρτημάτων αποθήκευσης (μπαταρίες, υπερπυκνωτές και κυψέλες καυσίμου).

Οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, ηλεκτρικές ή θερμικές, αναγνωρίζονται ως βασικές τεχνολογίες καθαρής ενέργειας.

Η μακροπρόθεσμη αποθήκευση ενέργειας έχει μεγάλες δυνατότητες για έναν κόσμο όπου η αιολική και η ηλιακή ενέργεια κυριαρχούν στην προσθήκη νέων σταθμών παραγωγής ενέργειας και σταδιακά αντικαθιστούν άλλες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας.

Ο άνεμος και η ηλιακή ενέργεια παράγουν μόνο συγκεκριμένες ώρες, επομένως χρειάζονται πρόσθετη τεχνολογία για να συμπληρώσουν τα κενά.

Σε έναν κόσμο όπου το μερίδιο της διακοπτόμενης, εποχιακής και απρόβλεπτης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνεται και ο κίνδυνος αποσυγχρονισμού με την κατανάλωση αυξάνεται, η αποθήκευση καθιστά το σύστημα πιο ευέλικτο απορροφώντας όλες τις διαφορές φάσης μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας.

Οι συσσωρευτές χρησιμεύουν κυρίως ως buffer και επιτρέπουν την ευκολότερη διαχείριση και ενσωμάτωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας τόσο στο δίκτυο όσο και στα κτίρια, προσφέροντας κάποια αυτονομία απουσία ανέμου και ήλιου.

Στα συστήματα γεννητριών, μπορούν να εξοικονομήσουν καύσιμα και να βοηθήσουν στην αποφυγή αναποτελεσματικότητας της γεννήτριας εξυπηρετώντας το φορτίο σε περιόδους χαμηλής ζήτησης ισχύος όταν η γεννήτρια είναι λιγότερο αποδοτική.

Με την προσωρινή αποθήκευση των διακυμάνσεων στην παραγωγή ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, η αποθήκευση ενέργειας μπορεί επίσης να μειώσει τη συχνότητα εκκίνησης των γεννητριών.

Σε συστήματα αιολικής ενέργειας και ντίζελ με υψηλή διεισδυτική ισχύ (όπου η εγκατεστημένη αιολική ισχύς υπερβαίνει το μέσο φορτίο), ακόμη και ένας πολύ μικρός χώρος αποθήκευσης μειώνει δραματικά τη συχνότητα εκκίνησης του ντίζελ.

Οι πιο συνηθισμένοι τύποι βιομηχανικών συσκευών αποθήκευσης ενέργειας:

Βιομηχανικές συσκευές αποθήκευσης ενέργειας

Ηλεκτροχημικές συσκευές αποθήκευσης ενέργειας

Οι μπαταρίες, ιδιαίτερα οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος, παραμένουν η κυρίαρχη συσκευή αποθήκευσης ενέργειας.

Πολλοί ανταγωνιστικοί τύποι μπαταριών (νικελίου-καδμίου, υδριδίου νικελίου-μετάλλου, ιόντων λιθίου, θείου νατρίου, μετάλλου-αέρα, μπαταρίες ροής) υπερτερούν των μπαταριών μολύβδου σε μία ή περισσότερες πτυχές της απόδοσης, όπως η διάρκεια ζωής, η απόδοση, η πυκνότητα ενέργειας , ρυθμός φόρτισης και εκφόρτισης, απόδοση κρύου καιρού ή απαιτούμενη συντήρηση.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, ωστόσο, το χαμηλό τους κόστος ανά κιλοβατώρα χωρητικότητας καθιστά τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος την καλύτερη επιλογή.

Εναλλακτικές λύσεις όπως σφόνδυλοι, υπερπυκνωτές ή αποθήκευση υδρογόνου μπορεί να γίνουν εμπορικά επιτυχημένες στο μέλλον, αλλά είναι σπάνιες σήμερα.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-ion) αποτελούν πλέον μια σύγχρονη πηγή ενέργειας για όλες τις σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές ευρείας κατανάλωσης. Η ογκομετρική πυκνότητα ενέργειας των πρισματικών μπαταριών ιόντων λιθίου για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές έχει διπλασιαστεί σε τρεις φορές τα τελευταία 15 χρόνια.

Καθώς εμφανίζονται πολλές νέες εφαρμογές για μπαταρίες ιόντων λιθίου, όπως ηλεκτρικά οχήματα και συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, οι απαιτήσεις σχεδιασμού και απόδοσης κυψελών αλλάζουν συνεχώς και παρουσιάζουν μοναδικές προκλήσεις στους παραδοσιακούς κατασκευαστές μπαταριών.

Έτσι, η υψηλή ζήτηση για ασφαλή και αξιόπιστη λειτουργία μπαταριών ιόντων λιθίου υψηλής ενέργειας, υψηλής ισχύος και πυκνότητας καθίσταται αναπόφευκτη.

Εφαρμογή ηλεκτροχημικών συσκευών αποθήκευσης ενέργειας στη βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας:

Εγκαταστάσεις συσσωρευτών, η χρήση μπαταριών για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας

Ηλεκτροχημικοί υπερπυκνωτές

Οι υπερπυκνωτές είναι ηλεκτροχημικές συσκευές αποθήκευσης ενέργειας που μπορούν να φορτιστούν πλήρως ή να εκφορτιστούν σε δευτερόλεπτα.

Με την υψηλότερη πυκνότητα ισχύος, το χαμηλότερο κόστος συντήρησης, το ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και τον μεγαλύτερο κύκλο λειτουργίας σε σύγκριση με τις δευτερεύουσες μπαταρίες, οι υπερπυκνωτές έχουν λάβει σημαντική ερευνητική προσοχή την τελευταία δεκαετία.

Έχουν επίσης υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα από τους συμβατικούς ηλεκτρικούς διηλεκτρικούς πυκνωτές.Η χωρητικότητα αποθήκευσης ενός υπερπυκνωτή εξαρτάται από τον ηλεκτροστατικό διαχωρισμό μεταξύ των ιόντων ηλεκτρολύτη και των ηλεκτροδίων μεγάλης επιφάνειας.

Η χαμηλότερη ειδική ενέργεια των υπερπυκνωτών σε σύγκριση με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου αποτελεί εμπόδιο για την ευρεία χρήση τους.

Η βελτίωση της απόδοσης των υπερπυκνωτών είναι απαραίτητη για την κάλυψη των αναγκών των μελλοντικών συστημάτων, από φορητά ηλεκτρονικά έως ηλεκτρικά οχήματα και μεγάλο βιομηχανικό εξοπλισμό.

Αναλυτικά οι υπερπυκνωτές:
Ιωνιστές (υπερπυκνωτές) — συσκευή, πρακτική εφαρμογή, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Αποθήκευση ενέργειας πεπιεσμένου αέρα

Η αποθήκευση ενέργειας πεπιεσμένου αέρα είναι ένας τρόπος αποθήκευσης ενέργειας που παράγεται τη μια στιγμή για χρήση την άλλη. Σε κλίμακα χρησιμότητας, η ενέργεια που παράγεται κατά τη διάρκεια περιόδων χαμηλής ζήτησης ενέργειας (εκτός αιχμής) μπορεί να απελευθερωθεί για να καλύψει περιόδους υψηλής ζήτησης (φορτίο αιχμής).

Η ισοθερμική αποθήκευση πεπιεσμένου αέρα (CAES) είναι μια νέα τεχνολογία που προσπαθεί να ξεπεράσει ορισμένους από τους περιορισμούς των παραδοσιακών (διαβατικών ή αδιαβατικών) συστημάτων.

Κρυογονική αποθήκευση ενέργειας

Η Βρετανία σχεδιάζει να κατασκευάσει 250 MWh αποθήκευσης υγροποιημένου αέρα. Θα συνδυαστεί με ένα πάρκο ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και θα αντισταθμίσει τις διακοπές τους.

Η έναρξη λειτουργίας έχει προγραμματιστεί για το 2022. Οι μονάδες κρυογονικής αποθήκευσης ενέργειας θα λειτουργούν σε συνδυασμό με το Trafford Energy Park κοντά στο Μάντσεστερ, όπου μέρος της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας προέρχεται από φωτοβολταϊκά πάνελ και ανεμογεννήτριες.

Αυτή η εγκατάσταση αποθήκευσης θα αντισταθμίσει τις διακοπές στη χρήση αυτών των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

Η αρχή λειτουργίας αυτής της εγκατάστασης θα βασίζεται σε δύο κύκλους αλλαγής του κλιματιστικού.

Η ηλεκτρική ενέργεια θα χρησιμοποιηθεί για την άντληση αέρα και στη συνέχεια την ψύξη του σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (-196 βαθμούς) μέχρι να γίνει υγρό. Στη συνέχεια θα αποθηκευτεί σε μεγάλες, μονωμένες δεξαμενές χαμηλής πίεσης ειδικά προσαρμοσμένες για αυτή τη χρήση.

Ο δεύτερος κύκλος θα πραγματοποιηθεί όταν υπάρχει ανάγκη για ηλεκτρική ενέργεια. Το κρυογονικό υγρό θερμαίνεται από έναν εναλλάκτη θερμότητας για να συνεχιστεί η εξάτμιση και να επανέλθει σε αέρια κατάσταση.

Η εξάτμιση του κρυογονικού υγρού προκαλεί διαστολή του όγκου του αερίου, κάτι που οδηγεί τους στρόβιλους που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.

Συσκευές αποθήκευσης κινητικής ενέργειας

Ο σφόνδυλος είναι μια περιστρεφόμενη μηχανική συσκευή που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση περιστροφικής ενέργειας. Ο σφόνδυλος μπορεί να συλλαμβάνει ενέργεια από διακοπτόμενες πηγές ενέργειας με την πάροδο του χρόνου και να παρέχει συνεχή παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο.

Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας σφονδύλου χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια εισόδου που αποθηκεύεται ως κινητική ενέργεια.

Αν και η φυσική των μηχανικών συστημάτων είναι συχνά αρκετά απλή (όπως η περιστροφή ενός σφονδύλου ή η ανύψωση βαρών), οι τεχνολογίες που επιτρέπουν την αποτελεσματική και αποδοτική χρήση αυτών των δυνάμεων είναι ιδιαίτερα προηγμένες.

Υλικά υψηλής τεχνολογίας, τα πιο πρόσφατα συστήματα ελέγχου υπολογιστών και ο καινοτόμος σχεδιασμός καθιστούν αυτά τα συστήματα κατάλληλα για πραγματικές εφαρμογές.

Τα συστήματα UPS για εμπορική κινητική αποθήκευση αποτελούνται από τρία υποσυστήματα:

• συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, συνήθως ένα σφόνδυλο.
• συσκευές διανομής?
• μια ξεχωριστή γεννήτρια που μπορεί να ξεκινήσει για να παρέχει ισχύ ανεκτική σε σφάλματα στη χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας.

Ο σφόνδυλος μπορεί να ενσωματωθεί με εφεδρική γεννήτρια, η οποία βελτιώνει την αξιοπιστία συνδέοντας απευθείας μηχανικά συστήματα.

Περισσότερα για αυτές τις συσκευές:

Συσκευές αποθήκευσης κινητικής ενέργειας για τη βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας

Πώς είναι διατεταγμένες και λειτουργούν οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας με σφόνδυλο (κινητική).

Υψηλής θερμοκρασίας Υπεραγώγιμη Αποθήκευση Μαγνητικής Ενέργειας (SMES) για δίκτυα ισχύος:

Πώς λειτουργούν και λειτουργούν τα υπεραγώγιμα συστήματα αποθήκευσης μαγνητικής ενέργειας