Файл: Хранение энергии в контексте энергетического перехода обзор технологий Аннотация.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.12.2023
Просмотров: 193
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
, что является многообещающей концепцией для будущего. Эти батареи используют кислород из атмосферного воздуха в пористом положительном электроде и металл в качестве отрицательного электрода, как показано на Рис. 9.
Воздух не включается в вес положительного электрода при расчете удельной энергии, и, следовательно, металл-воздушная батарея может достигать высокого уровня удельной энергии. Теоретическая удельная энергия для воздуха цинка, натрия-воздуха, магния-воздуха, алюминия-воздуха и лития-воздуха составляет 1350, 2260, 6460, 8100, 11 100 Втч/кг соответственно.[116,131].
По сравнению с литий-ионными батареями, которые имеют теоретическую удельную энергию 450 Вт·ч/кг и коммерчески осуществимую удельную энергию 120 Вт·ч/кг, металловоздушные батареи обладают большим потенциалом.[116].
Возможность перезарядки магниевых и алюминиевых воздушных батарей еще не продемонстрирована, в отличие от литиевых, натриевых и цинковых воздушных батарей.[132,135]. Удельный уровень энергии 700 Вт·ч/кг для воздушно-цинкового элемента уже продемонстрирован при КПД 60–65%.[135].
Существует большой интерес к натрийвоздушным батареям, потому что натрий является гораздо более распространенным металлом на Земле, чем литий, и некоторые исследования указывают на то, что реакции натрийвоздушной ячейки легче обратить вспять по сравнению с реакциями литийвоздушной ячейки.[133,134].
Дальнейшие исследования должны решить две основные проблемы: срок службы должен быть увеличен (в настоящее время менее нескольких сотен циклов), а затраты должны быть в конкурентоспособном диапазоне.
Цели Комиссии ЕС на 2020–2030 годы: металло-воздушные батареи с ресурсом более 3000 циклов с удельной энергией более 500 Вт·ч/кг.[136].
25>
2.2.3.1.Суперконденсаторы.
Обычные конденсаторы — это самый прямой способ хранения электроэнергии за счет накопления положительных и отрицательных зарядов, индуцирующих статическое электрическое поле. Они имеют низкую плотность энергии (2–10 кВт ч/м^3), средний или высокий КПД (60–85%) и высокий уровень саморазряда (более 40%/день)[40,44,85]. Так называемые суперконденсаторы были разработаны с улучшенными характеристиками по сравнению с обычными, заполняя пробел между обычными конденсаторами и батареями.
Можно изобразить три типа суперконденсаторов: электрохимические двухслойные конденсаторы (или EDLC); псевдоконденсаторы; асимметричные или гибридные суперконденсаторы[138–140].
EDLC основан на нефарадеевском накоплении электроионных зарядов на угольных электродах с большой площадью поверхности.
Процессы заряда/разряда основаны на обратимой адсорбции ионов на электродах, когда в цикле заряда поверхность каждого электрода накапливает электрические заряды, а ионы в растворе электролита диффундируют(перемещаются) к электроду с противоположным зарядом, создавая двойной слой заряда на каждом электроде.[44,140,141].
В псевдоконденсаторах на поверхности электродов происходят быстрые обратимые окислительно-восстановительные реакции (фарадеевские реакции), включающие прохождение заряда через двойной слой, аналогичный процесс, происходящий в батареях, генерирующий фарадеевский ток, проходящий через ячейку псевдоконденсатора.
Одним из основных преимуществ псевдоконденсаторов по сравнению с EDLC является их повышенная плотность энергии, однако трудно использовать весь потенциал плотности энергии, поскольку кинетика окислительно-восстановительных реакций несовместима с быстрым зарядом-разрядом, которому подвержены суперконденсаторы.
На практике это несоответствие приводит к неполному использованию емкости аккумуляторных электродов. Другой недостаток связан с механическим расширением и сжатием во время окислительно-восстановительных реакций, что может привести к механическим повреждениям, снижая срок службы.[140,141].
Исследования были сосредоточены на комбинациях фарадеевских (от псевдоконденсаторов) и нефарадеевских (от EDLC) характеристик, которые позволили бы создать суперконденсаторы с высокой удельной мощностью, а также улучшенной плотностью энергии.
Эти суперконденсаторы называются асимметричными или гибридными суперконденсаторами. Существуют две основные стратегии гибридизации: гибридизация устройств и гибридизация материалов.
В первом фарадеевский электрод комбинируется с нефарадеевским, образуя гибридный суперконденсатор помимо того, что это интересная стратегия, некоторые недостатки, такие как окислительно-восстановительные кинетические ограничения все еще присутствуют. Последняя стратегия фокусируется на разработке материалов из гибридных материалов, которые объединяют электроактивные и проводящиекомпоненты в одном гибридном электроде, задуманном для устранения вышеупомянутого недостатка кинетического несоответствия.
Возможна двойная гибридизация, когда к гибридному электроду присоединен нефарадаиновый (от EDLCs) электрод, и эта комбинация была бы эквивалентна комбинации фарадеевых и нефарадаиновых материалов параллельно и последовательно, улучшая плотность энергии и кинетику [139,140,142].
Суперконденсаторы можно заряжать и разряжать быстрее, чем батареи, и они имеют очень длительный срок службы, способный выполнять несколько десятков тысяч циклов. Суперконденсаторы обладают более высокой плотностью энергии (10–30 кВтч/м3).3) по сравнению с обычными, повышенный КПД (85–95 %) и меньший уровень саморазряда (20–40 %/сутки).
Еще одной важной характеристикой является их высокая удельная мощность (500–10 000 Вт / кг), предназначены для использования с высокой мощностью. Емкость хранения обычно составляет от миллисекунд до секунд или нескольких минут, и поэтому эта технология хорошо подходит для использования в течение коротких периодов времени.
Суперконденсаторы могут быть объединены в модульные системы путем распараллеливания и/ или последовательного соединения для увеличения номинальной мощности и емкости хранения. [40,44,73,85,143].
2.2.3.2. Сверхпроводящий магнитный накопитель энергии (SMES).
Сверхпроводящее магнитное хранилище энергии — еще одна технология, помимо суперконденсаторов, способная хранить электричество практически напрямую. Вместо того, чтобы накапливать заряды и индуцировать статическое электрическое поле, SMES пропускает ток через сверхпроводящую катушку, генерирующую динамическое электрическое поле или магнитное поле.
Пока материал катушки находится в сверхпроводящем состоянии, сопротивление отсутствует, и ток может проходить через нее неограниченное время практически с нулевыми потерями.
Система SMES имеет вакуумный корпус с системой охлаждения, использующей криогенные жидкости для поддержания сверхпроводящего состояния материала катушки.[40,73,85,113]
В середине 1960-х годов исследования по сверхпроводящей передаче энергии начались в Японии и Австрии, а в следующем десятилетии последовали США и Европа, когда в США и Японии было профинансировано несколько проектов по SMES.[144]. В 1990-х годах American Superconductor (AMSC) продала 1 МВт / 1 МДж SMES нескольким промышленным и коммерческим конечным пользователям для обеспечения качества электроэнергии, но AMSC прекратила коммерциализацию после появления менее дорогих и простых в использовании технологий для тех же приложений.
В 2000-х годах AMSC и General Electric заключили союз для коммерциализации так называемых D-SMES (распределенных - SMES), SMES мощностью 3 МВт / 3 МДж, на этот раз ориентированный на применение в сетях передачи и распределения.[145–147].
Государственная служба Висконсина установила шесть D-SMES на подстанциях контура Райнлендер, повысив надежность линии 200 миль - 115 кВ и позволив увеличить нагрузку на 15% в зоне, поддерживаемой D-SMES [148,149].
В 2000-х годах на крупном заводе по производству жидких кристаллов в Японии была установлена SMES мощностью 5 МВт/7,34 МДж
Развертывание SMES не сильно продвинулось из-за технических трудностей и высоких затрат, связанных с требованием низкой температуры для сверхпроводящего фазового перехода. В основном в ранее упомянутом SMES сверхпроводящая катушка была изготовлена из ниобий-титанового сплава (NbTi), для которого требуется температура ниже 9,8 К, обычно рабочая температура для такой сверхпроводящей катушки составляет 4,2 К, полученная с жидким гелием.
В качестве альтернативы этим низкотемпературным сверхпроводникам (LТС) были проведены исследования для демонстрации технико-экономи-ческой целесообразности высокотемпературных сверхпроводников (HTS), температура сверхпроводящего перехода которых превышает 77 К, температура кипения жидкого азота, который мог бы заменить жидкий гелий [151– 153].
Помимо высокого КПД (80–90 %), основными чертами SMES являются очень малое время отклика (несколько миллисекунд) и очень высокая удельная мощность (1–4 МВт/м3), что хорошо подходит для применения с высокой мощностью в короткие периоды времени.
Обычно SMES имеют номинальную мощность в диапазоне от сотен кВт до нескольких МВт, короткую продолжительность разряда (менее 1 мин), очень длительный срок службы (от десятков тысяч до сотен тысяч циклов) и длительный срок службы (20 лет).
Основными недостатками, связанными с SMES, являются повышенные затраты и экологические проблемы из-за возможных последствий сильного магнитного поля, которые в настоящее время неизвестны, аспекты и эффекты должны быть исследованы [42,74,83,86,154].
В некоторых исследованиях указывалось, что статическое поле SMES будет иметь незначительное влияние на окружающую среду или даже не будет иметь никакого воздействия на окружающую среду, но установка SMES должна иметь запретную зону.
В другом исследовании предлагаются рекомендации для зоны отчуждения и времени воздействия в зависимости от уровня магнитного поля, основанные на Руководстве по охране труда и технике безопасности Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса Калифорнийского университета.[154,155].
Воздух не включается в вес положительного электрода при расчете удельной энергии, и, следовательно, металл-воздушная батарея может достигать высокого уровня удельной энергии. Теоретическая удельная энергия для воздуха цинка, натрия-воздуха, магния-воздуха, алюминия-воздуха и лития-воздуха составляет 1350, 2260, 6460, 8100, 11 100 Втч/кг соответственно.[116,131].
По сравнению с литий-ионными батареями, которые имеют теоретическую удельную энергию 450 Вт·ч/кг и коммерчески осуществимую удельную энергию 120 Вт·ч/кг, металловоздушные батареи обладают большим потенциалом.[116].
Возможность перезарядки магниевых и алюминиевых воздушных батарей еще не продемонстрирована, в отличие от литиевых, натриевых и цинковых воздушных батарей.[132,135]. Удельный уровень энергии 700 Вт·ч/кг для воздушно-цинкового элемента уже продемонстрирован при КПД 60–65%.[135].
Существует большой интерес к натрийвоздушным батареям, потому что натрий является гораздо более распространенным металлом на Земле, чем литий, и некоторые исследования указывают на то, что реакции натрийвоздушной ячейки легче обратить вспять по сравнению с реакциями литийвоздушной ячейки.[133,134].
Дальнейшие исследования должны решить две основные проблемы: срок службы должен быть увеличен (в настоящее время менее нескольких сотен циклов), а затраты должны быть в конкурентоспособном диапазоне.
Цели Комиссии ЕС на 2020–2030 годы: металло-воздушные батареи с ресурсом более 3000 циклов с удельной энергией более 500 Вт·ч/кг.[136].
25>
2.2.3. Технологии хранения электроэнергии
2.2.3.1.Суперконденсаторы.
Обычные конденсаторы — это самый прямой способ хранения электроэнергии за счет накопления положительных и отрицательных зарядов, индуцирующих статическое электрическое поле. Они имеют низкую плотность энергии (2–10 кВт ч/м^3), средний или высокий КПД (60–85%) и высокий уровень саморазряда (более 40%/день)[40,44,85]. Так называемые суперконденсаторы были разработаны с улучшенными характеристиками по сравнению с обычными, заполняя пробел между обычными конденсаторами и батареями.
Можно изобразить три типа суперконденсаторов: электрохимические двухслойные конденсаторы (или EDLC); псевдоконденсаторы; асимметричные или гибридные суперконденсаторы[138–140].
EDLC основан на нефарадеевском накоплении электроионных зарядов на угольных электродах с большой площадью поверхности.
Процессы заряда/разряда основаны на обратимой адсорбции ионов на электродах, когда в цикле заряда поверхность каждого электрода накапливает электрические заряды, а ионы в растворе электролита диффундируют(перемещаются) к электроду с противоположным зарядом, создавая двойной слой заряда на каждом электроде.[44,140,141].
В псевдоконденсаторах на поверхности электродов происходят быстрые обратимые окислительно-восстановительные реакции (фарадеевские реакции), включающие прохождение заряда через двойной слой, аналогичный процесс, происходящий в батареях, генерирующий фарадеевский ток, проходящий через ячейку псевдоконденсатора.
Одним из основных преимуществ псевдоконденсаторов по сравнению с EDLC является их повышенная плотность энергии, однако трудно использовать весь потенциал плотности энергии, поскольку кинетика окислительно-восстановительных реакций несовместима с быстрым зарядом-разрядом, которому подвержены суперконденсаторы.
На практике это несоответствие приводит к неполному использованию емкости аккумуляторных электродов. Другой недостаток связан с механическим расширением и сжатием во время окислительно-восстановительных реакций, что может привести к механическим повреждениям, снижая срок службы.[140,141].
Исследования были сосредоточены на комбинациях фарадеевских (от псевдоконденсаторов) и нефарадеевских (от EDLC) характеристик, которые позволили бы создать суперконденсаторы с высокой удельной мощностью, а также улучшенной плотностью энергии.
Эти суперконденсаторы называются асимметричными или гибридными суперконденсаторами. Существуют две основные стратегии гибридизации: гибридизация устройств и гибридизация материалов.
В первом фарадеевский электрод комбинируется с нефарадеевским, образуя гибридный суперконденсатор помимо того, что это интересная стратегия, некоторые недостатки, такие как окислительно-восстановительные кинетические ограничения все еще присутствуют. Последняя стратегия фокусируется на разработке материалов из гибридных материалов, которые объединяют электроактивные и проводящиекомпоненты в одном гибридном электроде, задуманном для устранения вышеупомянутого недостатка кинетического несоответствия.
Возможна двойная гибридизация, когда к гибридному электроду присоединен нефарадаиновый (от EDLCs) электрод, и эта комбинация была бы эквивалентна комбинации фарадеевых и нефарадаиновых материалов параллельно и последовательно, улучшая плотность энергии и кинетику [139,140,142].
Суперконденсаторы можно заряжать и разряжать быстрее, чем батареи, и они имеют очень длительный срок службы, способный выполнять несколько десятков тысяч циклов. Суперконденсаторы обладают более высокой плотностью энергии (10–30 кВтч/м3).3) по сравнению с обычными, повышенный КПД (85–95 %) и меньший уровень саморазряда (20–40 %/сутки).
Еще одной важной характеристикой является их высокая удельная мощность (500–10 000 Вт / кг), предназначены для использования с высокой мощностью. Емкость хранения обычно составляет от миллисекунд до секунд или нескольких минут, и поэтому эта технология хорошо подходит для использования в течение коротких периодов времени.
Суперконденсаторы могут быть объединены в модульные системы путем распараллеливания и/ или последовательного соединения для увеличения номинальной мощности и емкости хранения. [40,44,73,85,143].
2.2.3.2. Сверхпроводящий магнитный накопитель энергии (SMES).
Сверхпроводящее магнитное хранилище энергии — еще одна технология, помимо суперконденсаторов, способная хранить электричество практически напрямую. Вместо того, чтобы накапливать заряды и индуцировать статическое электрическое поле, SMES пропускает ток через сверхпроводящую катушку, генерирующую динамическое электрическое поле или магнитное поле.
Пока материал катушки находится в сверхпроводящем состоянии, сопротивление отсутствует, и ток может проходить через нее неограниченное время практически с нулевыми потерями.
Система SMES имеет вакуумный корпус с системой охлаждения, использующей криогенные жидкости для поддержания сверхпроводящего состояния материала катушки.[40,73,85,113]
В середине 1960-х годов исследования по сверхпроводящей передаче энергии начались в Японии и Австрии, а в следующем десятилетии последовали США и Европа, когда в США и Японии было профинансировано несколько проектов по SMES.[144]. В 1990-х годах American Superconductor (AMSC) продала 1 МВт / 1 МДж SMES нескольким промышленным и коммерческим конечным пользователям для обеспечения качества электроэнергии, но AMSC прекратила коммерциализацию после появления менее дорогих и простых в использовании технологий для тех же приложений.
В 2000-х годах AMSC и General Electric заключили союз для коммерциализации так называемых D-SMES (распределенных - SMES), SMES мощностью 3 МВт / 3 МДж, на этот раз ориентированный на применение в сетях передачи и распределения.[145–147].
Государственная служба Висконсина установила шесть D-SMES на подстанциях контура Райнлендер, повысив надежность линии 200 миль - 115 кВ и позволив увеличить нагрузку на 15% в зоне, поддерживаемой D-SMES [148,149].
В 2000-х годах на крупном заводе по производству жидких кристаллов в Японии была установлена SMES мощностью 5 МВт/7,34 МДж
Развертывание SMES не сильно продвинулось из-за технических трудностей и высоких затрат, связанных с требованием низкой температуры для сверхпроводящего фазового перехода. В основном в ранее упомянутом SMES сверхпроводящая катушка была изготовлена из ниобий-титанового сплава (NbTi), для которого требуется температура ниже 9,8 К, обычно рабочая температура для такой сверхпроводящей катушки составляет 4,2 К, полученная с жидким гелием.
В качестве альтернативы этим низкотемпературным сверхпроводникам (LТС) были проведены исследования для демонстрации технико-экономи-ческой целесообразности высокотемпературных сверхпроводников (HTS), температура сверхпроводящего перехода которых превышает 77 К, температура кипения жидкого азота, который мог бы заменить жидкий гелий [151– 153].
Помимо высокого КПД (80–90 %), основными чертами SMES являются очень малое время отклика (несколько миллисекунд) и очень высокая удельная мощность (1–4 МВт/м3), что хорошо подходит для применения с высокой мощностью в короткие периоды времени.
Обычно SMES имеют номинальную мощность в диапазоне от сотен кВт до нескольких МВт, короткую продолжительность разряда (менее 1 мин), очень длительный срок службы (от десятков тысяч до сотен тысяч циклов) и длительный срок службы (20 лет).
Основными недостатками, связанными с SMES, являются повышенные затраты и экологические проблемы из-за возможных последствий сильного магнитного поля, которые в настоящее время неизвестны, аспекты и эффекты должны быть исследованы [42,74,83,86,154].
В некоторых исследованиях указывалось, что статическое поле SMES будет иметь незначительное влияние на окружающую среду или даже не будет иметь никакого воздействия на окружающую среду, но установка SMES должна иметь запретную зону.
В другом исследовании предлагаются рекомендации для зоны отчуждения и времени воздействия в зависимости от уровня магнитного поля, основанные на Руководстве по охране труда и технике безопасности Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса Калифорнийского университета.[154,155].