Развитие технологий накопления электрической энергии



В этой статье рассмотрены различные виды энергии. Особое внимание уделено электрической, механической и химической энергии. Представлены основные методы хранения энергии каждого типа, а также преобразования одного вида в другой. Сравнивается производительность трех технических решений для хранения электрической энергии: маховик, суперконденсаторы и литий-ионные батареи. Если электричество станет энергоносителем будущего, необходимо будет иметь системы хранения, которые будут соответствовать параметрам сети и потребителей. При этом эти системы хранения должны отвечать требованиям по энергоээфективности и энергобезопасности.

Ключевые слова: энергия, хранение энергии, аккумуляторная батарея, суперконденсаторы, сверхпроводники

Электрическая энергия является энергетическим вектором. Это означает, что электричество можно производить, передавать и хранить. Физически электричество определяется перемещением электронов в проводнике. В силу динамической природы, его хранение затруднительно. Существует два пути хранения электрической энергии. Первым вариантом является применение некоторого технологического решения, позволяющего сохранить энергию в электростатическом или электродинамическом виде. Вторым путем является преобразование электрической энергии в другие виды энергии. Единицей измерения энергии является или Джоуль, или Ватт час. Известно, что один Ватт час составляет 3600 Джоулей.

Различные классы энергии представлены на рисунке 1. Помимо электрической энергии существуют механическая, химическая, тепловая и лучистая энергия. Кроме этого, можно добавить шестой класс — ядерную энергию.

Описывая эти различные виды энергии и их компоненты, в данной работе описываются основные методы хранения энергии. Затем в статье рассмотрены принципы хранения электрической энергии. В заключении приведено сравнение эффективности различных видов хранения энергии и дан прогноз энергетического баланса завтрашнего дня.

Рис. 1. Классы энергий и виды перехода из одного типа в другой

1 Классы энергии

1.1. Механическая энергия

Механическая энергия существует в двух формах — кинетическая и потенциальная. Все движущиеся объекты обладают кинетической энергией, пропорциональной массе объекта m и квадрату его скорости.

Любой неподвижный объект на Земле может прийти в движение, особенно из-за силы тяжести. Иными словами, он содержит потенциальную механическую энергию, пропорциональную массе m, ускорению свободного падения g (9,81 м/с² на поверхности Земли) и высоте h между его центром тяжести и расстоянием до поверхности Земли:

1.2. Химическая энергия

Химическая энергия — это энергия, проявляющаяся при химических реакциях. Она обеспечивает связь между атомами материала, состоящего из молекул. Так как химическая реакция разрушает эти связи, энергия высвобождается. Например, при горении, часть этой энергии переходит в тепло.

1.3. Тепловая энергия

Этот виды энергии обусловлен броуновским движением в веществе. Чем выше температура, чем больше пространства между атомами, тем дальше они могут передвигаться и тем большим запасом кинетической энергии они обладают. Эта тепловая энергия пропорциональна массе m, разности температур ΔT и коэффициенту С, зависящему от свойств материала. Этот коэффициент называется теплоемкость материала.

Таким образом, охлажденный объект (соответственно нагретый) будет терять (набирать) определенное количество тепловой энергии, значение которой дается уравнением (3).

1.4. Лучистая и ядерная энергия

Лучистая энергия включает в себя все формы энергии, передаваемой излучением. Если фотоны, переносящие эту энергию обладают длиной волны видимого спектра, то эта энергия называется видимым излучением. Для упрощения, энергия и длина волны связаны соотношением:

где h — это постоянная Планка, равная 6,626*10^–34 Дж/с.

Наконец, ядерная энергия представляет собой силу, содержащуюся в атомах. В случае деления атома или спонтанно (радиоактивные материалы) испускаются различные виды частиц (альфа-частицы, состоящие из двух нейтронов и двух протонов, бета-частиц, состоящих из электрона, гамма-излучения, испускаемые по длинам нанометровые и пикометрические волны).

2. Хранение электрической энергии, преобразованной в другие виды энергии

Поскольку существует множество видов энергии, которые могут храниться. Поэтому электрическую энергию возможно хранить в преобразованном виде. На рисунке 1 описаны основные технические решения для преобразования энергии из одной формы в другую. В этой статье рассмотрено только хранение энергии в электрических, механических и химических формах.

2.1. Механическая энергия

С помощью электродвигателя электрическая энергия преобразуется в механическую. Одной из самых древних систем накопления энергии в механической форме, еще со времен Античной Греции, является маховик.

Маховик представляет собой вращающуюся массу, которая приводится в движение электродвигателем или вручную. Его кинетическая энергия определяется как функция массы, ее угловой скорости ω и момента инерции J:

Когда источник энергии отключается, маховик продолжает вращение по инерции. Если к маховику подводится электрическая энергия, то он возвращает ее обратно в сеть в силу обратимости электродвигателя. Самые маленькие маховики позволяют накапливать несколько киловатт часов, тогда как самые большие маховики накапливают сотни мегаватт часов [1].

Кроме этого, существует второй способ хранения механической энергии — в потенциальной форме. Такой метод используется в гидроаккумулирующих электростанциях [2]. В частности, необходимо наличие двух резервуаров с водой, располагающихся на различной высоте H. Для того чтобы запасать электрическую энергию воды, из резервуара 1, находящегося на меньшей высоте, закачивается воду с помощью насосов в другой резервуар 2. Для высвобождения энергии этот запас воды сбрасывается в резервуар 1, при этом проходя через турбину, генерирующую электрическую энергию за счет сброса воды. Мощность, вырабатываемая в Ваттах пропорциональная напору воды H, расхода воды Q и коэффициенту полезного действия турбины (0,93–0,96 %):

Этот метод иногда используется для накопления избыточной энергии тепловых или атомных электростанций. Другие решения включают в себя хранение сжатого воздуха в естественных полостях или старых шахтах, как в Хунторфе в Германии, который имеет емкость 290 МВт. Это хранилище сжатого воздуха (CAES) работает с конца 1970-х годов [3].

2.2. Химическая энергия

Хранение энергии в химической форме является наиболее естественным способом хранения на Земле. В зависимости от массовой плотности энергии — количества энергии, накопленной на единицу массы, химическое соединение может содержать более или менее эквивалентную энергию для той же массы. Ископаемые виды топлива имеют очень высокие массовые энергии, что объясняет их нынешнее господство. Например, массовая энергия бензина составляет 13,13 кВтч/кг. Водород можно использовать не только в качестве топлива вместо бензина, но также и в топливных элементах. Наиболее эффективными для этого являются углеводородные виды топлива. Сжатый при 700 бар, водород имеет плотность энергии 36,79 кВтч/кг, в то время как древесина составляет всего 4,5 кВтч / кг.

Для того чтобы преобразовать химическую энергию в другую, более легко используемую форму, самым простым решением является сжигание материала для получения энергии в тепловой форме. Затем эта тепловая энергия может быть преобразована в другой вид энергии, а затем в электрическую энергию. Химическая энергия также может быть преобразована в электрическую энергию непосредственно, когда хранение выполняется электрохимически в батареях или аккумуляторах.

3. Прямое хранение электрической энергии

Чаще всего электрическая энергия преобразуется в химическую энергию для хранения. Однако она может быть запасена в своей первоначальной форме в потенциальном или кинетическом виде.

3.1. Электрохимическая форма

Электрохимический накопитель предусматривает накопление положительных и отрицательных электрических зарядов посредством химической реакции (окисление и восстановление). В упрощенной форме в химии окисление представляет собой потерю электрона в атоме. Эта форма хранение применяется в аккумуляторах, формирующих аккумуляторные батареи. Это объясняется тем, что величины напряжения и тока единичного аккумулятора могут не отвечать требованиям специфики потребителя, который будет получать накопленную электрическую энергию. В аккумуляторе или ячейке электрические заряды накапливаются на обкладках двух электродов, которые разделены электролитом, как показано на рисунке 2. Мембрана служит для того, чтобы предотвратить перемещение ионов с одного электрода на другой, при этом пропуская беспрепятственно электроны.

Рис. 2. Процесс разряда батареи

На рисунке 2, иллюстрирующем процесс разряда батареи, медный электрод собирает положительные заряды — ионы Cu +. Когда внешняя нагрузка потребляет ток, аккумулятор разряжается. Это приводит к уменьшению числа ионов Cu + за счет восстановления, окислению другого электрода, происходящему из-за возникновения ионов Zn + на этом электроде из цинка. Батарея будет полностью разряжена, если в ней больше не останется ионов Cu +.

Работа аккумулятора основана на том же принце. Однако, разряжаясь (извлечение энергии, содержащейся в нем в электрохимической форме) аккумулятор также может быть перезаряжен подачей внешнего тока. Поэтому химические реакции должны быть обратимыми. Это достигается путем выбора материалов электродов. Сочетание этих материалов дает конкретную разность потенциалов для каждого типа аккумулятора — напряжение холостого хода (U_xx).

Существует три основных типа аккумуляторов: свинцовый, щелочной или литий-ионный. Для свинцового аккумулятора напряжение холостого хода U_xx составляет 2.1 В. Это обусловлено электродами аккумулятора данного типа — оксид свинца (IV) для отрицательного электрода PbO₂ и Pb свинец или Pb3O₄ для положительного электрода. Электролитом является серная кислота H₂SO₄. Щелочные батареи реализованы из никеля или кадмия, или из комбинации редкоземельных металлов и металлов переходной группы. Из этих металлов выполнены электроды. В качестве электролита выступает гидроксид калия (KOH). Напряжение холостого хода U_xx для данного типа составляет 1.2 В. Наконец, литий-ионные батареи используют ионы лития для переноса зарядов от одного электрода к другому. В данном типе аккумуляторов отрицательный электрод выполнен из графита, положительный электрод и электролит могут быть разной природы. Согласно положительному электроду, напряжение холостого хода U_xx варьируется от 3.2 до 3.8 В.

3.2. Электростатическая форма

Существует возможность напрямую хранить электрическую энергию за счет положительных и отрицательных электрических зарядов, не прибегая к химической реакции. Этот принцип реализован в суперконденсаторах.

Суперконденсатор представляет собой специфический технологический конденсатор, который может обладать емкостью в несколько тысяч Фарад в объеме, сравнимом с аккумулятором. Он состоит из двух электродов, разделенных электролитом. Электроды изготовлены из проводящего полимера, оксида металла или активированного угля. В отличие от обычного конденсатора, электролит суперконденсатора имеет проводящий и недиэлектрический характер, причем изоляционная функция возникает на границе раздела электролита-электрода. Активированный уголь обладает свойством адсорбции — увеличение концентрации молекул вещества у поверхности раздела двух фаз вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на разделе фаз. Поэтому достаточно приложить энергию слабой величины, разрушающую эти связи, и, таким образом, освободить накопленную энергию.

3.3. Электродинамическая форма

Наконец, существует возможность накапливать электрическую энергию в кинетической форме с помощью применения технологии хранения энергии в магнитном поле сверхпроводников (проводники в которых отсутствуют электрические потери). Суть метода заключается в протекании постоянного тока через катушку, выполненную из сверхпроводящего провода, которая охлаждена до критической температуры. Затем производится режим короткого замыкания. Это приводит к тому, что закрытая сама по себе магнитная цепь становится источником постоянного магнитного потока. Критическая температура — это такая температура, при которой сверхпроводник имеет нулевое удельное сопротивление. Только сверхпроводники, критическая температура которых близка к температуре окружающей среды, могут быть использованы в данном методе. Например, диборид магния MbB₂ становится сверхпроводящим ниже -39 ° К (-234 ° C). Однако эта технология должна в первую очередь рассматриваться как источник импульсного тока, а не для массового хранения электрической энергии.

4. Применение

Плотность энергии батарей в настоящее время невысока: порядка 35 Втч / кг для свинцовых аккумуляторов и до 250 Втч / кг для литий-ионных. Текущие исследования направлены на повышение эффективности этих систем хранения, поскольку, по сравнению с ископаемым топливом, они имеют неоспоримое преимущество обратимости. Действительно, когда литр бензина или дизельного топлива сжигается, для перемещения автомобиля примерно на 15 километров, обратный процесс невозможен — бензобак не заполнится. Когда потребляется киловатт-час электрической энергии от батареи, можно перезарядить батарею, изменив направление электрического тока.

4.1. Сравнение основных характеристик

Классическим методом представления и сравнения характеристик различных режимов хранения энергии в зависимости от их плотности энергии и плотности мощности является диаграмма Рагона [4]. Согласно этому методу при одинаковой мощности маховики имеют в среднем плотность энергии в четыре раза выше, аккумуляторы в сорок и углеводороды в восемьсот раз выше, чем у суперконденсаторов. Это отчасти объясняет, почему сегодня производители приступили к технологическому прорыву и замене бензина электрохимическими батареями в качестве источника энергии транспортных средств.

Также возможно сравнить альтернативные методы хранения энергии. На рисунке 3 сравниваются механический режим (маховик), электрохимический режим (литий-ионный аккумулятор) и электростатический режим (суперконденсатор) [5].

Для каждого вида максимальная производительность изображена выделенной сплошной линией, минимальная — пунктирной линией. Значение 1 объясняется лучшей производительностью. Цикличность соответствует количеству циклов перезарядки разряда, которые может обеспечить устройство хранения. Суперконденсатор можно использовать до миллиона раз, маховик может поддерживать более 100 000 циклов, в то время как батарея может выдерживать только несколько тысяч циклов [6]. Ожидаемая продолжительность жизни также учитывает так называемое «старение» (естественное старение, происходящее даже в состоянии покоя). Для аккумуляторов оно составляет порядка 5 лет, в три-четыре раза меньше, чем в двух других методов. Саморазряд позволяет определить потери. Батарея теряет менее 3 % заряда в месяц, конденсатор может потерять до трети своего заряда в день, а маховик остановится через несколько часов из-за трения. Маховик может работать при более высоких температурах, в то время как батареи и суперконденсаторы не применяются при температуре выше шестидесяти градусов по Цельсию. В целом общая энергетическая эффективность зависит в основном от того, как устройство перезаряжается. Во всех случаях она составляет выше 90 %.

Рис. 3. Сравнение параметров методов хранения энергии

Таким образом, маховик подходит только для кратковременного хранения энергии. Это, может быть случай для трамваев или троллейбусов, штанги которых отсоединены от контактных воздушных линий, когда транспортное средство проезжает перекресток. Суперконденсатор возможно использовать дольше и чаще, чем батареи. Однако батареи являются наиболее эффективными для хранения электрической энергии в течение длительного времени.

4.2. Аккумулирование электроэнергии

Сегодня стационарные аккумуляторы применяются как встроенные источники питания: в электромобилях и во всевозможные мобильных электронных устройствах (телефоны, смартфоны, ноутбуки и др.). При этом развитие таких систем хранения электрической энергии продолжится по двум причинам. Во-первых, производство электроэнергии движется в направлении большей децентрализации, а именно применению микро энергетических систем — автономных электрических сетей, объединяющих несколько локальных потребителей и источников энергии. Такие сети возможно использовать для производства, хранения и потребления электроэнергии в труднодоступных географических зонах и в зонах, в которых подключение к сети труднореализуемого [7]. Это приведет к повышенному спросу систем хранения электроэнергии. Во-вторых, чтобы лучше управлять сетями и микросетями, внедрение систем хранения данных может минимизировать или даже устранить пики ежедневного потребления [8]. Кроме этого, ожидается, что доля электрической энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии (солнечная энергия, ветер...), с каждым годом будет возрастать. Однако пики производства электроэнергии солнечными электростанциями не соответствуют пикам потребления, которые соответствуют вечернему времени. Таким образом, необходимо хранить избытки выработанной электроэнергии в течение дня, для того чтобы потреблять ее ночью и вечером.

4.3. Взлет электрической энергии

В настоящее время принято считать, что образ жизни человечества в глобальном формате не может продолжаться устойчиво. В целях сохранения окружающей среды крайне важно сократить выбросы CO₂в атмосферу, которые способствует увеличению парникового эффекта, путем резервирования в долгосрочной перспективе использования ископаемого топлива для других целей.

Для этого необходимо воспользоваться всеми потенциальными энергиями, которые находятся в пределах нашей досягаемости, свободными, универсальными, экологически чистыми и возобновляемыми: солнечной энергией, ветром, приливным потоком, приливами, геотермальной энергией и др. Генерируемая такими источниками энергия в виде постоянного тока (DC), а не AC (AC). Проект Super-grid нацелен на изучение того, как энергосистема может в более или менее короткие сроки переключиться на DC, разрешив все технические проблемы, связанные с использованием DC [9]. В качестве примера, появление больших токов короткого замыкания происходит гораздо быстрее в сети DC, чем в AC [10], важно определить их внешний вид и отключить потребителей от сети до того, как авария распространится по всей сети.

Использование электричества в качестве основного вектора энергии не возможно, если электричество, о котором идет речь, не производится без использования углеводородного топливо. Было бы не разумно производить электрическую энергию из углеводорода для того, чтобы зарядить батареи электромобиля. Не говоря уже о потерях при переходе из одного режима энергии в другой. Действительно, поскольку энергия является так называемой глобальной величиной (в отличие от так называемых локальных величин, таких как электрический потенциал или температура, например, которые существуют только в локальном контексте), она остается инвариантной. Это означает, что количество исходной электрической энергии E₁ будет преобразовано в количество запасенной энергии E₂, сопровождающееся потерями, чаще всего эффектом Джоуля, количества E₃:

Таким же образом, если потребителю поставляется некоторое количество электрической энергии E₄, последний фактически будет использовать только количество энергии E₅, так как часть E₆ подаваемой энергии будет потеряна.

Ограничивая преобразования между энергетическими формами, потери уменьшаются. Поэтому, поскольку энергия будет потребляться в будущем в основном в виде электричества, представляется целесообразным производить ее также в ее электрической форме.

5. Заключение

В ближайшем будущем для аккумулирования электроэнергии электрическим операторам придется прибегать к банку хранилищ, содержащему устройства различной природы, чтобы использовать преимущества каждого отдельного решения. Действительно, если накопитель энергии в магнитном поле со сверхпроводниками может быть эффективным в связи с его очень низкими потерями и быстродействию. Другие решения, не представленные здесь, такие как единичные накопители большой мощности, установленные в непосредственной близости с потребителем. В дополнение к существующим гидроаккумулирующим электростанциям [11] необходимо разработать олеопневматические хранилища. Наконец, на объектах, где источниками электроэнергии служат возобновляемые ресурсы, целесообразно применять аккумуляторы для дальнейшего распределения энергии в сеть [12].

Таким образом, предполагается, что энергетический микс в будущем будет состоять в основном из источников, не содержащих углерода, возобновляемых источников, регулируемых системами хранения как на производственных площадях, так и в местах потребления.

Литература:

1. M. Farhadi and O. Mohammed, Energy storage technologies for high-power applications, IEEE Transactions on Industry Applications, 52 pp. 1953–1961 (2016).
2. K. H. Tseng, C. K. Shum, J. W. Kim, X. Wang, K. Zhu and X. Cheng, Integrating landsat imageries and digital elevation models to infer water level change in hoover dam, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, (2016).
3. Zschocke, Compressed Air Energy Storage, one promising technology in the future energy storage business, E.ON Innovation Center Energy Storage, IPHE Workshop, Sevilla (2012).
4. Lièvre, Développement d’un système de gestion de batterie lithium-ion à destination de véhicules mild-hybrid, détermination des indicateurs d’état SoC, SoH, SoF, Université Claude Bernard de Lyon 1, 2015, French.
5. L. Lu, X. Han, J. Li, J. Hua and M. Ouyang, A review on the key issues for lithium-ion battery man-agement in electric vehicles, Journal of Power Sources (2013).
6. C.Savard, PhD Thesis, Amélioration de la disponibilité opérationnelle des systèmes de stockage de l’énergie électrique multicellulaires, INSA de Lyon, Université de Lyon 1, november 2017, French.
7. S. Ci, N. Lin and D. Wu, Reconfigurable battery techniques and systems: a survey, IEEE Access, 4, pp. 1175–1189 (2016).
8. S. Whittingam, History, evolution and future status of energy storage, Proceedings of the IEEE, 100, pp. 1518–1534 (2012).
9. M. Laly, E. Cheriyan and A. Mathew, Soft computing optimization based optimal operation of po-wergrid with renewable energy sources and storage systems, 2016 IEEE International Conference on In-dustrial Technology (ICIT), Taipei, pp. 564–569, 2016.
10. W. Leon-Garcia, P.Tixador and B. Raison, Full-selective protection strategy for MTDC grids based on R-type superconducting FCLs and mechanical DC circuit breakers, RGP 2016, London.
11. Silver, 4 new ways to store renewable energy with water, IEEE Spectrum, p.11 (2017).
12. T. Thang, A. Ahmed, C. Kin and J. Park, Flexible system architecture of stand-alone pv power generation with energy storage device, IEEE Transactions on Energy Conversion, 30, pp. 1386–1396 (2015).