Файл: Хранение энергии в контексте энергетического перехода обзор технологий Аннотация.docx

Хранение энергии в контексте энергетического перехода:

обзор технологий
Аннотация

Обеспокоенность по поводу изменения климата, а также ограничения на использование ископаемого топлива заставляют задуматься о переходе к устойчивому энергетическому сектору, требующему очень высокого уровня проникновения возобновляемых источников энергии в структуру мирового энергобаланса, включая отрасли, которые в значительной степени основаны на углеводородах в качестве топлива для транспорта.

Некоторыми из этих возобновляемых источников невозможно управлять, и попытка контролировать их изменчивость является сложной задачей. Нынешняя тенденция роста использования возобновляемых источников энергии потребует от энергетических систем еще большей гибкости.

Существует нескольких вариантов повышения гибкости, и накопление энергии (ES) выглядит многообещающе, учитывая изменчивость многих возобновляемых источников.

Цель этого исследования — представить всесторонний обновленный обзор технологий ES, кратко рассмотреть их приложения и обсудить препятствия для широкого использования ES.

Методология предполагает описание и анализ многих существующих и развивающихся технологий хранения энергии. Кратко обсуждаются пути применения ES, учитывается логистика и логика параметрической классификации. В результате этого исследования будет замечено, что ни одна технология ES не выделяется одновременно по всем техническим характеристикам, и, следовательно, выбор должен основываться на анализе конкретного случая.

Экономическая осуществимость бизнес-моделей ES и создание подходящей нормативно-правовой среды являются основными проблемами для развертывания технологий ES.

Что касается энергетического перехода, технологии Power-to-Gas, Power-to-Liquids и Solar-to-Fuel очень перспективны и необходимы дальнейшие исследования этих технологий, чтобы лучше понять их возможности и способы преодоления барьеров на пути их практического использования.
Оглавление

---

Сокращения:

AC, alternate current (переменный ток);

A-CAES, adiabatic compressed air energy storage (адиабатическое накопителение энергии на сжатом воздухе);

AFC, alkaline fuel cell (щелочной топливный элемент);

BOP, balance-of-plant (баланс установки);

CAES, compressed air energy storage (накопителение энергии сжатого воздуха);

CHP, combined heat and power (комбинированное производство тепла и электроэнергии);

Conv., conventional (конвенциональный);

DC, direct current (постоянный ток);

D-CAES, diabatic compressed air energy storage (диабатическое накопителение энергии на сжатом воздухе);

DHW, domestic hot water (горячая вода бытового назначения);

DOD, depth of discharge (глубина разряда);

DSM, demand side management (управление спросом);

EES, electricity energy storage (аккумулирование электроэнергии);

ES, energy storage (накопление энергии);

FC, fuel cell (топливный элемент);

GHG, greenhouse gases (ПГ, парниковые газы);

GtP, gas-to-power (газ-в-энергию);

HT, high temperature (высокая температура);

HVAC, heat, ventilation and air conditioning (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха);

I-CAES, isothermal compressed air energy storage (изотермическое накопление энергии на сжатом воздухе);

LAES, liquid air energy storage (жидкостно-воздушное накопление энергии);

LH-TES, latent heat thermal energy storage (аккумулирование тепловой энергии со скрытой теплотой);

MCFC, molten carbonate fuel cell (топливный элемент с расплавленным карбонатом);

NG, natural gas (природный газ);

PAFC, phosphoric acid fuel cell (топливный элемент на основе фосфорной кислоты);

PCM, phase-change material (материал с фазовым переходом);

PCS, power conversion system (система преобразования энергии);

PEMFC, polymer electrolyte membrane fuel cell (топливный элемент с мембраной из полимерного электролита);

PHS, pumped hydro storage (Насосные гидроаккумуляторы);

PSB, polysulfide bromide battery (полисульфид-бромидная батарея);

PTES, pumped thermal energy storage (насосное накопление тепловой энергии);

PtG, power-to-gas (энергия-в-газ);

PtL, power-to-liquids (энергия-в-жидкость);

PtP, power-to-power (энергия-в-энергию);

PV, photovoltaic (фотогальванический);

R&D, research and development (исследования и разработки);

RES, renewable energy sources (ВИЭ, возобновляемые источники энергии);

RWGS, reverse water gas shift (обратная конверсия водяного газа);

SH-TES, sensible heat thermal energy storage (накопитель тепловой энергии явного тепла);

SMES, superconducting magnetic energy storage (сверхпроводящий магнитный накопитель энергии);

SOFC, solid oxide fuel cell (твердооксидный топливный элемент);

T&D, transmission and distribution (передача и распределение);

TCES, thermochemical energy storage (термохимическое накопление энергии);

TES, thermal energy storage (накопление тепловой энергии);

UPS, uninterrupted power supply (ИБП - источник бесперебойного питания);

---

UW-CAES, underwater compressed air energy storage (подводный накопитель энергии на сжатом воздухе);

VRB, vanadium redox battery (ванадиевая окислительно-восстановительная батарея);

VRES, variable renewable energy sources (переменные возобновляемые источники энергии);

WGS, water gas shift (сдвиг водяного пара);

ZBB, zinc-bromine battery (бромно-цинковая батарея).
1. Введение

Многие исследователи, особенно те, кто занимается антропогенной деятельностью, в последние десятилетия все больше озадачены изменением климата и выбросами парниковых газов (ПГ). Как показывают некоторые отчеты, за последнее десятилетие (2000-2010 гг.) [1] эти выбросы выросли примерно на 10 миллиардов тонн эквивалента CO2[1], и, как следствие, уровень CO2 в атмосфере увеличился на 2 ppm в год за тот же период, потенциально достигая 400 ppm к концу 2015 г. [2].

По мнению некоторых исследователей, если концентрация CO2 сохранит текущую тенденцию, температура на Земле может подняться на 5°C или 6°C до конца века, но ограничение роста концентрации CO2 до 450 ppm, вероятно, позволит избежать глобального потепления более чем на 2°C [1].

Чтобы сдержать темпы роста выбросов парниковых газов, правительства ведут переговоры о дополнительных обязательствах по возобновляемым источникам энергии, энергоэффективности и сокращению выбросов [3].

Несмотря на все дискуссии, возобновляемые источники энергии значительно распространились в последние годы. Установленная мощность ветроэнергетики в мире достигла 370 ГВт, из которых 51 ГВт были добавлены ​​только в 2014 г., а к 2019 г. установленная мощность достигнет 666 ГВт [4]. Глобальная установленная мощность солнечных фотоэлектрических систем увеличилась на 39 ГВт только в 2014 г., достигнув 177 ГВт [5], при этом в некоторых исследованиях указывается, что она может достигнуть примерно 400 ГВт к 2020 г. [6,7]. Тем не менее спрос на первичную энергию будет расти в ближайшие годы [8], увеличивая потребность в источниках с низким или нулевым выбросом углерода (таких, как возобновляемые источники энергии (ВИЭ)) при переходе к устойчивой энергетической системе.

ВИЭ (RES) создают многочисленные проблемы для традиционной системы производства электроэнергии, поскольку некоторые из них не могут быть накоплены, выдаваемая ими мощность переменна и ее доступность зачастую неподконтрольна [9-11].

ВИЭ, такие как гидроэнергетика, биомасса и геотермальная энергия могут работать так же, как и традиционные электростанции, но наиболее важные представители ВИЭ, ветряные и солнечные источники, непостоянны и менее предсказуемы, их обычно называют переменными возобновляемыми источниками энергии (VRES) [12,13].

---

Исследования показали, что энергосистема может поглощать колебания подаваемой энергии при прямой интеграции с VRES до 10% от установленной мощности системы без серьезных технических проблем и существенных дополнительных затрат [15,16]. Тем не менее, в ближайшем будущем ожидается крупномасштабная интеграция VRES на пути к энергетическому переходу, что приведет к более частым несоответствиям между спросом и предложением. Это указывает на необходимость сделать энергосистему более гибкой. [11,14,17–21].

Существует множество возможных решений для повышения гибкости: улучшение и усиление сети за счет модернизации, расширения и интеграции [22–26]; увеличение традиционной управляемой резервной мощности [27]; улучшение прогнозирования VRES [28–31]; меры по управлению спросом (DSM) [32–34]; интеграция технологий накопления энергии [10,18,35–44]; системные инновации (интеграция нескольких энергетических рынков и технологичные решения) [45–48].

Между тем, у этих решений есть свои недостатки: улучшения сети часто задерживаются, в том числе из-за непринятия их населением [49]; традиционные управляемые резервные источники энергии основаны на углеводородах, что приводит к выбросам больших количеств ПГ(парниковых газов) (GHG)[50]; развитая система прогнозирования частично решает проблему, но она не может отследить изменчивость мощностей, выдаваемых VRES, не может отследить поведение потребителей энергии, поведенческие аспекты ограничивают возможный потенциал DSM [51].

Накопление энергии (ES) выглядит многообещающе, потому что оно может разделить спрос и предложение, сдвигать подачу электроэнергии во времени, а затем допускать временные несоответствия между спросом и предложением электроэнергии, что делает его ценным системным инструментом [18]. Это свойство ES позволяет задействовать неиспользованные излишки VRES, которые в противном случае не имеют ценности, что увеличивает долю возобновляемых источников энергии в глобальном производстве [11, 52, 53].

ES также может увеличить распределенную генерацию VRES, обеспечив питание изолированных систем электроснабжения и улучшив собственное потребление распределенных генераторов, подключенных к сети [54–57].

ES также может улучшить другие уровни цепочки создания стоимости электроэнергии. Сокращая цикличность генерации базовой нагрузки и увеличивая ее среднюю мощность генерации

---

, ES повышает общую эффективность цепи, уменьшая работу для высокозатратных мощных электростанций[58,59]. ES может уменьшить перегрузку сети и сгладить колебания частоты и напряжения, обеспечивая надежность и безопасность сети [60–63].

Цель этой статьи состоит в том, чтобы представить всесторонний обновленный обзор технологий ES, кратко рассмотреть их применение и проанализировать то, как применение этих технологий может работать в контексте энергетического перехода.

Эта работа построена следующим образом: технологии ES классифицируются, описываются и характеризуются в Разделе 2, применения ES классифицируются и кратко описываются в Разделе 3. В том же разделе также приводятся рассуждения на обозначенную тему с учетом контекста энергетического перехода.

В разделе 4 сделаны выводы, а также даны рекомендации для дальнейших исследований.

2. Технологии хранения энергии.

Большое количество статей в журналах, связанных с энергетикой, а также отчетов нескольких исследовательских центров, связаны с изучением технологии хранения энергии. Эти исследования позволяют лучше понять технологические характеристики, лежащие в основе ES, их потенциальные применения и ограничения.

Некоторые исследования более всеобъемлющи в технологическом подходе [10, 18, 36–44, 60], в то время как другие установили границы для более глубокого анализа [56–58, 64–70]. В этом разделе будет собран широкий спектр технологий ES, здесь собраны самые последние данные с использованием наиболее важных характеристик для описания и оценки технологий ES.

2.1 Классификация накопителей энергии.

В первую очередь, необходимо ввести определение некоторых основных технических характеристик. Это необходимо для описания технических аспектов ES. Эти параметры применительно к каждой технологии позволяют сравнивать их, выделяя их возможности и ограничения.

На основе литературного обзора были выбраны следующие параметры: номинальная мощность, время разряда, время отклика, скорость саморазряда, подходящий период хранения, КПД, плотность энергии, плотность мощности, удельная энергия, удельная мощность, срок службы, капитальные затраты, технологическая развитость и экологические проблемы.

До сих пор в этой статье везде использовался термин «энергия», но для проведения классификаций с этого момента необходимо провести границы и внести ясность. Технологии хранения энергии можно сначала классифицировать в соответствии с используемым процессом преобразования. В этой классификации оцениваются формы входной и выходной энергии. Так как хранение твердого и жидкого

---