Hakkında teknik incelemeleri ve teknik özellikler sayfalarını okuyarak çok fazla saat harcadım.enerji depolama. Ve şunu anladım: Bütün manzara çoğu makalenin sandığından daha karmaşık ve daha ilginç.
Herkes pillerden bahsediyor. Oldukça adil-artık her yerdeler. Peki enerji depolama? Bu çok daha büyük bir konuşma. Dağların tepesinde bulunan devasa su rezervuarlarından, vakum odalarında dönen metal yığınlarına kadar her şeyden bahsediyoruz. Bu teknolojilerden bazıları büyük büyükanne ve büyükbabalarınızın-çocukluğundan beri var. Diğerleri çoğunlukla laboratuvarlarda ve PowerPoint sunumlarında bulunur.
Size orada gerçekte ne olduğunu anlatayım.
Kimsenin Hakkında Konuşmadığı Eski Beygir
Pompalanan hidro depolama. Kulağa sıkıcı geliyor, değil mi? Farklı yüksekliklerde iki rezervuar, bazı türbinler, yukarı aşağı akan su. Basit fizik.
Ancak şu var:-Bu "sıkıcı" teknoloji, dünya çapındaki şebeke-ölçekli enerji depolamanın yaklaşık %95'ini yönetiyor. Yüzde doksan-beş. İnsanlar pil kimyasını tartışırken ve lityum ile sodyum arasında tartışırken, pompalanan hidroelektrik arka planda sessizce işini yapıyor.
Konsept neredeyse utanç verici derecede basittir. Elektrik ucuz olduğunda (genellikle geceleri veya güneş parladığında ve güneş panelleri çalıştığında), suyu yokuş yukarı bir rezervuara pompalarsınız. Fiyatlar yükseldiğinde veya talep arttığında suyun türbinlerden aşağı akmasına izin verirsiniz. Verimlilik %70-85 civarında seyrediyor, bu mükemmel değil ama depolama kapasitesi çok büyük. Gigawatt-saatlerce enerji depolayabilen tesislerden bahsediyoruz. Megawatt-saat değil. Gigawatt-saat. Bunu lityum iyonla yapmayı deneyin.
Elbette bir sorun var. Coğrafyaya ihtiyacınız var. İki rezervuara ihtiyacınız var. Doğru yükseklik farkına ihtiyacınız var. Kansas'ta bunlardan birini tam olarak inşa edemezsin. Çevre izinlerinin alınması tek başına yıllar alır. Peki ön maliyetler? Astronomik. Ancak bir kez inşa edildiklerinde bu santraller 50, 60, bazen 80 yıl boyunca hizmet veriyor. Virginia'daki Bath County tesisi 1985'ten beri faaliyet gösteriyor ve herhangi bir durma belirtisi göstermiyor.
Basınçlı Hava: Yeraltı Yaklaşımı
Basınçlı hava enerji depolaması (CAES), pompalanan hidroelektrik sistemin tuhaf kuzenidir. Suyu hareket ettirmek yerine, havayı yer altı mağaralarına-tuz kubbelerine, tükenmiş doğal gaz alanlarına, yeraltı sularına, mevcut jeolojik oluşumlara sıkıştırıyorsunuz.
Yoğun-olmayan saatlerde, elektrikli kompresörler havayı bu yer altı boşluklarına, düşününce bile kulaklarınızın uğuldamasına neden olacak basınçlarda iter. Güce ihtiyaç duyduğunuzda, basınçlı hava serbest bırakılır, ısıtılır (genellikle doğal gazla, ki bu-pek{-çevresel olmayan kısımdır) ve türbinlerden geçirilir.
Şu anda faaliyet gösteren yalnızca iki ticari CAES tesisi bulunmaktadır. İki. Biri Almanya'da 1978'den beri, diğeri Alabama'da 1991'den beri çalışıyor. Teknoloji açıkça çalışıyor. Ancak jeolojik gereklilikler katıdır ve ekonomi pek çok yerde belirlenmemiştir. Yine de araştırmacılar, doğal gaz ihtiyacını ortadan kaldırarak, sıkıştırmadan kaynaklanan ısıyı yakalayıp yeniden kullanan-adyabatik sistemlerin gelişmiş versiyonları üzerinde çalışmaya devam ediyor. Bunlar şimdilik çoğunlukla pilot projelerde mevcut.
Volanlar: Saf Mekanik Güzellik
İtiraf edeyim ki-volanlar benim favorim. Enerjiyi dönme hareketi olarak depolamanın zarif bir yanı var.
Volan sistemi esasen, sürtünmeyi en aza indirmek için manyetik yataklarla asılı duran, vakum odasında dönen ağır bir rotordur. Elektriğiniz fazla olduğunda motorlar volanı daha hızlı döndürür. Gücü geri ihtiyacınız olduğunda, dönen kütle bir jeneratörü çalıştırır. Fizik temiz ve sezgiseldir.
Volanlar, pillerin nefret ettiği şeylerde mükemmeldir: hızlı şarj-deşarj döngüleri, kullanım ömrü boyunca milyonlarca döngü, milisaniye cinsinden ölçülen anlık tepki süreleri. Frekans düzenlemesi için mükemmeldirler-şebekenin tam olarak 60 Hz'de (veya yaşadığınız yere bağlı olarak 50 Hz'de) sabit kalması için ihtiyaç duyduğu küçük, sürekli ayarlamalar.
Hangi konuda iyi değiller? Enerjinin uzun süre saklanması. En iyi manyetik yataklara ve mükemmele yakın-vakumlara sahip olsa bile volanlar zamanla sürtünme nedeniyle enerji kaybeder. Birini bir gün bekletin ve depoladığınız enerjinin önemli bir kısmını kaybedersiniz. Bir hafta bekletin ve zahmet etmeyin.
Dolayısıyla volanlar belirli bir alanı kaplar: kısa-süreli, yüksek-güçlü uygulamalar. Veri merkezleri, dizel jeneratörlerin devreye girmesi için gereken birkaç saniye boyunca bunları köprü gücü olarak kullanır. Bazı toplu taşıma sistemleri, frenleme enerjisini volanlara geri kazandırır ve saniyeler içinde üçüncü raya geri gönderir. NASA uzay aracı için onlarla oynadı.
Piller: Herkesin Aslında İlgilendiği Kategori
Tamam, pillerden konuşalım. Elektrokimyasal seçenekler son yıllarda patlama yaşadı ve açıkçası kafa karıştırıcı hale geldi.
Lityum-iyoniyi bir nedenden dolayı konuşmaya hakim olur. Yüksek enerji yoğunluğu, daha az alanda daha fazla depolama anlamına gelir. Özellikle daha yeni kimyalarda makul çevrim ömrü. Maliyetler düştü-, yani 2010'dan bu yana %90 düştü. Telefonunuz, dizüstü bilgisayarınız, elektrikli araçlarınız ve giderek artan şekilde şebeke depolamanın tümü, lityum-iyon çeşitleriyle çalışır.
Ancak "lityum-iyon" tek bir şey değildir. Bu bir aile. Lityum demir fosfat (LFP), daha iyi güvenlik ve daha uzun ömür için enerji yoğunluğunun bir kısmından fedakarlık eder;-hem etik hem de ekonomik açıdan önemli olan kobalt kullanılmaz. Çinli üreticiler LFP'ye-her şeyini verdiler ve şimdi de devralıyor. Bu arada, nikel-manganez-kobalt (NMC) kilogram başına daha fazla enerji depolar; bu, bir elektrikli arabaya makul bir menzil sağlamaya çalıştığınızda önemlidir.
Lityum-iyonun karanlık tarafı mı? Termal kaçak. Bu piller hasar görürse, aşırı şarj edilirse veya şanssızsa olağanüstü bir şekilde alev alabilir. Üretim enerji-yoğun bir iştir. Lityum ve kobalt tedarik zincirlerinin kendi etik yükleri vardır. Geri dönüşüm altyapısı gelişirken, harcanan pillerin çoğu hâlâ çöplüklere atılıyor.
Akış pilleritamamen farklı bir yaklaşım benimseyin. Enerjiyi katı elektrotlarda depolamak yerine harici tanklarda sıvı elektrolitler kullanıyorlar. Daha fazla enerji kapasitesi mi istiyorsunuz? Daha büyük tanklar alın. Güç ve enerji birbirinden ayrılıyor ve bu da tüm tasarım felsefesini değiştiriyor.
Vanadyum redoks akışlı piller (VRFB'ler) en olgun versiyondur. Neredeyse sonsuza kadar dayanırlar-15.000 ila 20.000 döngüden, belki daha fazlasından bahsediyoruz. Derin deşarjdan dolayı bozulma olmaz. Elektrolit aşınmaz; hücre yığını boyunca ileri geri sallanıyor. Yirmi-yıl sonra elektroliti boşaltabilir, başka bir yere gönderebilir ve kullanmaya devam edebilirsiniz.
Ancak akış pilleri hantaldır. Düşük enerji yoğunluğu, bunların araçlar veya taşınabilir uygulamalar için hiçbir anlam taşımadığı anlamına gelir. Vanadyum da ucuz değil. Ayak izinin önemli olmadığı ve uzun ömürlülüğün önemli olduğu ızgara-ölçekli depolama için mi? Giderek daha çekici hale geliyorlar.
Kurşun-asit1859'dan bu yana temelde değişmeyen orijinal şarj edilebilir pildir. Arabanız bir taneyle başlar. Ucuzdurlar, iyi-anlaşılırlar ve %98 oranında geri dönüştürülebilirler. Ancak çevrim ömrü vasat, enerji yoğunluğu zayıf ve ağırlar. Şebeke uygulamaları açısından bunların yerini büyük ölçüde aldılar ancak maliyetin her şeyden daha önemli olduğu yedek güç sistemlerinde hala hakim durumdalar.
Sodyum-iyonyeni gelen ciddi ilgi görüyor mu? Sodyum her yerdedir-kelimenin tam anlamıyla deniz suyunda-bu nedenle tedarik zinciriyle ilgili endişeler temelde ortadan kalkar. Üretim sürecinde mevcut lityum-iyon fabrikası ekipmanı yeniden kullanılabilir. Performans henüz lityum-iyon seviyelerinde değil, ancak aradaki farkı hızla kapatıyor. CATL, 2023'te seri üretime başladı. Beş yıl içinde sodyum-iyon, sabit depolama alanında ciddi bir pazar payı elde edebilir.
şunu belirtmeliyimnikel-kadmiyum(kadmiyum zehirli olmasına ve AB tarafından kısıtlanmasına rağmen hala bazı endüstriyel uygulamalarda kullanılmaktadır),nikel-metal hidrit(Lityuma geçmeden önceki Prius'u hatırlıyor musunuz?) vesodyum-kükürt(Japon-şirketlerinin 2000'li yıllarda çok zorladığı yüksek sıcaklık sistemleri). Ama bu noktada sadece listelemek için bazı şeyleri listeliyorum. Gerçek şu ki, lityum-iyon ve akış pilleri eylemin olduğu yerdedir ve sodyum-iyon hızla yaklaşmaktadır.
Termal Depolama: Pil Olarak Isı
Yeterince ilgi görmeyen bir kategori var: Enerjiyi ısı (veya soğuk) olarak depolamak.
Erimiş tuz depolamaKonsantre güneş enerjisi santralleri geceleri bu şekilde çalışır. Aynalar güneş ışığını bir kuleye odaklayarak erimiş tuzu 500-600 dereceye kadar ısıtır. Bu tuz yalıtımlı tanklarda depolanıyor ve elektriğe ihtiyacınız olduğunda onu buhar üretmek ve türbini çalıştırmak için kullanıyorsunuz. İspanya'daki Gemasolar tesisi gün batımından sonra 15 saat boyunca elektrik üretebiliyor. Nevada'daki Crescent Dunes, 10 saatlik üretime yetecek kadar ısı tutuyor.
Erimiş tuzla ilgili en güzel şey, ısı depolamanın ucuz olmasıdır. kWh başına pillerden çok daha ucuz. -Hiç hoş olmayan şey ise, ısıdan elektriğe ve geri dönüşümde çok şey kaybettiğiniz gidiş-dönüş-verimliliğidir-.
Buz depolamazaman-kaymasının termal eşdeğeridir. Ticari binalar, elektrik fiyatlarının düşük olduğu gece boyunca suyu donduruyor, ardından bu buzu öğleden sonraları yoğun saatlerde klima sağlamak için kullanıyor. Göz alıcı değil ama işe yarıyor. Disney World bunu kullanıyor. Sıcak iklimlerdeki birçok ofis binası bunu kullanıyor. Esasen soğutma talebi için pil olarak buz kullanıyorsunuz.
Daha yeni kavramlar da var:Carnot pillerielektriği ısı olarak depolayan ve ısı motorlarını kullanarak onu geri dönüştüren sistemler, zaman-elektrikli ısıtmayı değiştiren sıcak su tankları, tüm mahalleler için sezonluk termal depolama. Termal evren şaşırtıcı derecede derindir.
Hidrojen: Joker Karakter
Hidrojen enerjisi depolamanın tutkulu savunucuları ve sert eleştirmenleri var ve dürüst olmak gerekirse her ikisinin de geçerli noktaları var.
İtiraz basit: suyu hidrojen ve oksijene ayırmak (elektroliz) için yenilenebilir elektriğin fazlasını kullanın. Hidrojeni saklayın. Güce ihtiyacınız olduğunda onu bir yakıt hücresinden geçirin veya bir türbinde yakın. Hidrojen, çok uzun süreler boyunca (haftalar, aylar, hatta mevsimler) çok büyük miktarda enerjiyi depolayabilir.
Eleştiri de aynı derecede basit: Gidiş-dönüş-verimliliği berbat. Elektrolizde %30 kaybedersiniz. Sıkıştırma veya sıvılaştırmada daha fazla kaybedersiniz. Tekrar elektriğe dönüşürken daha fazla kaybedersiniz. Baştan sona--baştan sona, orijinal enerjinizin %30-40'ını geri alabilirsiniz. Bunu lityum iyon için %85-90 ile karşılaştırın.
Peki hidrojen ne zaman anlamlı olur? Gerçekten devasa miktardaki enerjiyi uzun süreler boyunca depolamanız gerektiğinde. Yüksek ısıya ihtiyaç duyan endüstriyel süreçleri karbondan arındırırken. Uzun mesafelere taşınabilecek bir enerji taşıyıcısına ihtiyacınız olduğunda. Diğer seçenekler kelimenin tam anlamıyla işi yapamadığında.
Almanya hidrojene büyük yatırım yaptı. Japonya da öyle. Avustralya, Asya'ya yeşil hidrojen göndermek için ihracat altyapısı inşa ediyor. Bu bahsin işe yarayıp yaramayacağı, pillerin iyileşmesinden-ve pillerin hızla iyileşmesinden daha hızlı bir şekilde maliyetlerin düşmesine bağlıdır.
Ultra-Kısa-Süreli İçerikler
Süper kapasitörlerEnerjiyi elektrokimyasal olarak değil, elektrostatik olarak depolar. Neredeyse anında şarj ve deşarj olabiliyorlar, milyonlarca döngünün üstesinden gelebiliyorlar ve inanılmaz bir güç yoğunluğu sağlıyorlar. Yapamayacakları şey fazla enerji depolamaktır. Bir nakliye konteynırı büyüklüğündeki bir süper kapasitör bankası, bir bavul büyüklüğündeki bir pil paketinin taşıyabileceği kadar depolayabilir.
En tatlı noktaları ultra-kısa patlamalardır: toplu taşıma sistemlerinde rejeneratif frenleme, yenilenebilir kurulumlarda güç dağıtımını yumuşatma, akülerin devreye girmesinden önce bir UPS'nin ihtiyaç duyduğu-saniyelik gücün sağlanması.
Süper iletken manyetik enerji depolama(KOBİ) daha da egzotiktir. Enerjiyi, kriyojenik sıcaklıklara soğutulmuş süper iletken bobinler tarafından oluşturulan manyetik alanda depolayın. Neredeyse-anında yanıt, bozulma yok, esas olarak sonsuz döngü ömrü. Ancak süper iletken sıcaklıkları korumanın maliyetleri ve karmaşıklığı, KOBİ'leri niş uygulamalarda tuttu; çoğunlukla, anlık voltaj düşüşlerinin bile milyonlara mal olduğu yarı iletken fabrikalar ve diğer tesisler için güç kalitesi.
Yerçekimi Depolaması: Yeni Eski Fikir
Bahsetmeye değer bir kategori daha: hidroelektrikle pompalanmayan yerçekimine-tabanlı sistemler.
Enerji Kasasımasif beton blokları istifleyen ve istifleyen vinç sistemleri inşa ediyor. Enerji ucuz olduğunda blokları kaldırın, güce ihtiyacınız olduğunda jeneratörlerle indirin. Aslında su olmadan hidroelektrikle pompalanıyor.
Diğer şirketler terk edilmiş madenleri araştırıyor-ağırlıkları kuyuya indirip tekrar yukarı kaldırıyorlar. Veya özel-inşa edilmiş kuleler. Veya eğimli raylarda kaya yüklü vagonları içeren konseptler bile.
Jüri bunların ekonomik olarak rekabet edip edemeyeceği konusunda hâlâ kararsız. Yerçekimi depolamasının enerji yoğunluğu doğası gereği düşüktür-anlamlı enerji depolamak için çok fazla kütleye ve yüksekliğe ihtiyacınız vardır. Ancak savunucular, ucuz malzemeler (beton, çakıl) ve basit mekanikler kullanmanın, uzun süreli uygulamalarda pil maliyetini- aşabileceğini öne sürüyor.
Peki Aslında Önemli Olan Nedir?
Buraya kadar okuduysanız şunu merak ediyor olabilirsiniz: Hangi teknoloji kazanıyor?
Yanlış soru.
Enerji depolama tüm pazarda-kazanan- değildir. Farklı teknolojiler süre, yanıt süresi, konum, maliyet yapısı ve uygulamaya bağlı olarak farklı nişlere uyar.
Milisaniye cinsinden frekans düzenlemesine mi ihtiyacınız var? Volanlar veya piller. Bir güneş enerjisi tesisi için dört saatlik yedeklemeye mi ihtiyacınız var? Lityum-iyon veya akış pilleri. Sezonluk yenilenebilir enerji fazlasını kaydırmanız mı gerekiyor? Muhtemelen hidrojen veya coğrafya izin verirse pompalanan hidroelektrik. Talebin en yüksek olduğu dönemde binayı soğutmanız mı gerekiyor? Buz depolama.
Geleceğin şebekesi tek bir depolama teknolojisiyle çalışmayacak. Anında yanıt için birden fazla teknolojiyi-süper kapasitörler, dakikalar ila saatler arası piller, günlük döngü için pompalanan hidroelektrik, daha uzun süre için hidrojen veya termal katmanlardan oluşacaktır. Süre spektrumundaki her bir alan muhtemelen o spesifik uygulama için en iyi ekonomiyi sunan teknolojiyle doldurulacaktır.
İşin heyecan verici yanı, bu kategorilerin neredeyse tamamında maliyetlerin düşmesi. Lityum-iyon pil maliyetleri düştü. Elektrolizörler de benzer bir öğrenme eğrisi izliyor. Akış aküsü üretimi artıyor. Pompalanan hidroelektrik bile kapalı devre sistemler ve yer altı rezervuarlarıyla-ilgili yenilikler görüyor.
On yıl önce bunların hiçbiri ekonomik açıdan uygun görünmüyordu. Şimdi? Depolama, enerji sektörünün-en hızlı büyüyen segmentidir.