Для чего нужны накопители электроэнергии
Применение накопителей энергии
Сегодня российский рынок накопителей энергии представлен лишь единичными проектами, преимущественно в сфере обеспечения бесперебойного питания, при этом потенциал использования накопителей на российском рынке огромен.
Россия обладает рядом характеристик, способствующих широкому внедрению технологий эффективного использования и перераспределения накопленной энергии, в частности:
» data-medium-file=»https://i1.wp.com/mig-energo.ru/wp-content/uploads/2015/12/NKE-2.png?fit=300%2C165&ssl=1″ data-large-file=»https://i1.wp.com/mig-energo.ru/wp-content/uploads/2015/12/NKE-2.png?fit=665%2C365&ssl=1″ loading=»lazy» width=»665″ height=»365″ src=»https://i1.wp.com/mig-energo.ru/wp-content/uploads/2015/12/NKE-2.png?resize=665%2C365&ssl=1″ alt=»Применение накопителей в сфере генерации электроэнергии» srcset=»https://i1.wp.com/mig-energo.ru/wp-content/uploads/2015/12/NKE-2.png?w=1032&ssl=1 1032w, https://i1.wp.com/mig-energo.ru/wp-content/uploads/2015/12/NKE-2.png?resize=300%2C165&ssl=1 300w, https://i1.wp.com/mig-energo.ru/wp-content/uploads/2015/12/NKE-2.png?resize=768%2C421&ssl=1 768w, https://i1.wp.com/mig-energo.ru/wp-content/uploads/2015/12/NKE-2.png?resize=1024%2C562&ssl=1 1024w, https://i1.wp.com/mig-energo.ru/wp-content/uploads/2015/12/NKE-2.png?resize=660%2C362&ssl=1 660w» sizes=»(max-width: 665px) 100vw, 665px» data-recalc-dims=»1″ />
В таблице представлены основные направления использования и потенциальные потребители систем накопления электроэнергии в России:
Потенциальные области использования и потребители накопителей энергии в России
Возможные потребители услуг
инвестиций в сетевом хозяйстве решениями на основе накопителей.
ОАО «Российские Сети»
Регулирование частоты в сетях, повышение качества электроснабжения
СО ЕЭС, ОАО «Российские сети»
Повышение надежности электроснабжения за счет применения накопителей.
ОАО «Российские Сети»
Оптимизация загрузки электростанции, экономия топлива.
Создание системы накопителей энергии и ветро- или солнечных генераторов
Обеспечение надежного энергоснабжения, снижение затрат на э.э. за счет суточного колебания стоимости энергии.
Внедрение систем рекуперации энергии торможения на объектах ж/д хозяйства.
ОАО «РЖД», Метрополитен, ОАО «ЦППК»
Применение накопителей электроэнергии у сетевых компаний
Регулировка частоты в электросетях
В сетевых компаниях накопители электрической энергии попеременно используются системой то в качестве генерации, то в качестве нагрузки для выравнивания графика потребления и снижения перегрузок в сети.
Использование накопителей энергии в сетевых компаниях позволяет:
Замещение инвестиций
Использование накопителей электроэнергии при техническом присоединении удаленных промышленных и инфраструктурных объектов позволяет существенно сократить инвестиции в строительство высоковольтных линий большой протяженности.
Повышение надежности электроснабжения особо-значимых объектов
Накопители энергии (преимущественно накопители кинетической энергии обладают свойством практически мгновенного «подхватывания» провалов в энергоснабжении потребителя, что недостижимо для многих источников бесперебойного питания. Накопители поддерживают энергоснабжение ответственных систем потребителя необходимое время до выхода на заданный режим работы резервных дизельных генераторов.
Применение накопителей в сфере генерации электроэнергии
Благодаря способности накапливать энергию в часы малого потребления (например, ночью) и выдачи в период максимальной нагрузки на сеть (например, во время утреннего пика потребления электроэнергии) накопители энергии являются привлекательным решением для генерирующих компаний. В особенности для тех электростанций, которые могут работать только в режиме базового несения нагрузки, таких как АЭС или угольные электростанции.
Кроме этого, блоки накопителей могут эффективно использоваться в интеграции с энергостанциями малой мощности, в частности:
Применение накопителей энергии совместно с мобильными газотурбинными электростанциями обеспечивает:
Применение накопителей энергии совместно с дизель-генераторными установками позволяет:
Применение накопителей энергии в энергосистемах, содержащих возобновляемые источники энергии (на ветровых электростанции (ВЭС) и на приливных электростанциях (ПЭС) позволяет:
Применение накопителей у крупных потребителей электроэнергии
Крупные индустриальные потребители э.э:
Запасаясь ночью электроэнергией по низкому тарифу блок накопителей выдает ее в сеть уже по тарифу дневному, в несколько раз превышающему ночной тариф. Именно возможность быстрого регулирования мощности, способность реализовывать разницу в дневных и ночных тарифов определяет экономическую эффективность накопителей для крупных промышленных потребителей электроэнергии.
Предприятия нефтегазовой промышленности
Применение накопителей энергии на объектах нефтегазовой промышленности позволяет обеспечить :
Применение накопителей на транспорте
Применение накопителей энергии на в системе тягового электроснабжения позволит железной дороги позволит:
На практике стационарная система рекуперации энергии на базе накопителя (преимущественно используется накопитель кинетической энергии) запасает энергию на стадии торможения электропоезда, а затем отдает ее на стадии разгона состава от 0 до 50-60 км/ч. (стадии наибольшего расхода э.э.). При этом достигается существенная – до 30% — экономия электроэнергии подвижным составом.
Как сохранять МНОГО электричества?
Завершились времена, когда стройные ряды рабочих в семь утра отправлялись к станкам, а в восемь вечера так же организовано покидали фабрики и затем почти одновременно засыпали перед телевизором. Теперь мегаполисы никогда не засыпают, а вместе с ними в режиме 24/7 и всё прогрессивное человечество, «совы», индустрия развлечений и глобальные сетевые корпорации. Всем им нужно электричество, причём в любое время, без выраженной цикличности. А между тем мир переходит к возобновляемым источникам энергии, чья выработка зависит от природных условий, никак не контролируемых человеком. Как в этом мире запасаться, а затем делиться электроэнергией, не допуская блэкаутов? Рассказываем на примере технологий Toshiba.
Плюс электрификация всей планеты
Потребление электричества будет нарастать. Главные направления этого процесса — электрификация автотранспорта, перевод некоторых промышленных процессов от теплоэнергии на электропитание, а также рост бытового потребления электротока. В частности, по прогнозу Международного энергетического агентства, к 2040 году по нашей планете будут ездить 130 млн электромобилей, хотя в 2018 году их насчитывалось 5,1 млн единиц. Всего же количество автомобилей сейчас оценивается в 1 млрд, а к 2035 году оно может вырасти до 2 млрд единиц. В пищевой, фармакологической, текстильной, бумажной и других отраслях электричество будет заменять уголь и газ при выработке средне- и низкотемпературного тепла. Продолжится и электрификация бедных стран, где электричество будут шире применять в быту. А доля электричества в общем энергопотреблении увеличится с 19% в 2018 году до 24% в 2040-м.
Соответственно повысятся риски блэкаутов — масштабных аварийных отключений электроснабжения, затрагивающие большое число разнообразных потребителей. По данным Всемирного банка, в 2019 году в среднем по всем странам мира различные организации испытывали 6,8 отключений энергии в месяц. Правда, в странах ОЭСР этот показатель составил 0,4 отключений, а в России — 0,2 отключения в месяц.
Авария в энергосистеме США и Канады в 2003 году — взгляд из космоса. 14 августа 2003 года 10 млн человек в Канаде и 40 млн человек в США остались без электричества. Источник: National Oceanic and Atmospheric Administration, Defense Meteorological Satellite Program / Wikimedia Commons
В то же время внедрение в производство и быт таких технологий как искусственный интеллект и интернет вещей (в том числе промышленный интернет вещей) требует минимизации отключений электричества, способных серьёзно нарушить работу сложных интеллектуальных систем.
Помимо этого, подход к потреблению энергии изменится и после внедрения возобновляемых источников энергии, которые дают разную выработку в зависимости от времени суток и погоды. В дневные часы или ветреную погоду солнечные батареи и ветряные электростанции генерируют больше тока, чем ночью и в штиль. Соответственно, излишки энергии лучше сохранять на всякий случай. Но как?
Энергетические метаморфозы
Сохранять энергию, особенно в промышленных масштабах, непросто. Несмотря на то, что природа электричества хорошо изучена, его сохранение требует либо громоздких, либо дорогостоящих (либо и тех и других одновременно) технических решений. Что же защитит сильно электрифицированный мир будущего от блэкаутов?
Если ответить коротко, химия и механика. Практически все способы накопления электроэнергии сводятся к её преобразованию с помощью химических реакций или механического движения.
Первая идея, возникающая у каждого пользователя смартфона или владельца электромобиля: почему бы не использовать в промышленных масштабах огромные литий-ионные аккумуляторы? Попытки создания крупных накопителей такого типа уже есть. К примеру, сейчас Tesla занимается увеличением мощности (со 100 до 150 МВт) самого большого в мире литий-ионного хранилища электричества, собранного в 2017 году в штате Южная Австралия на Зелёном континенте. Оно состоит из литий-ионных батарей Tesla Powerpack, созданных для коммунальных и промышленных потребителей. Внутри — 16 отдельных аккумуляторных блоков, каждый с изолированным преобразователем постоянного тока.
Мощность каждой из них достигает 130 кВт, а энергоемкость — 232 кВт·ч. Южно-австралийское хранилище на основе Tesla Powerpack помогает сохранять энергию расположенной здесь же ветряной станции. При полной зарядке этот «аккумулятор» емкостью 129 МВт·ч может обеспечить электроэнергией до 30 тыс. домовладений.
Подпись: Каждый Powerpack — это как кирпич, из которого строится хранилище энергии. К одному инвертору можно подключить от одного до 20 Powerpack’ов. Из таких блоков батарей и инверторов можно создавать хранилище огромной энергоемкости. Источник: Tesla
Однако помимо известных недостатков таких батарей, есть еще и такая: увеличивая до промышленного масштаба литий-ионные батареи, в такой же степени мы усиливаем проблему их утилизации. Поэтому оставаясь экологически чистыми в период работы, огромные аккумуляторы в будущем создадут угрозу для окружающей среды и хлопоты при их списании.
Другой способ преобразования энергии — электролиз.
Поясним на примере нашей установки H2One, о которой мы уже рассказывали: солнечные батареи обеспечивают процесс электролиза воды, в результате которого выделяется водород; водород либо запасается, либо подается потребителю, причем водород может дать сразу тепло, механическую энергию или электричество при окислении в топливной ячейке. Проблема пока лишь в том, что пока энергии одной станции H2One хватает только небольшим объектам, например, железнодорожной станции в городе Кавасаки (Япония). Промышленные масштабы — в будущем.
Наиболее простые по принципу, но сложные по воплощению варианты — механические. Общая схема такова: электроэнергия в период пика выработки запасается с помощью накачки газа или воды в специальные резервуары, поднятия на высоту грузов или сжатия пружины. В период нехватки электричества энергия высвобождается механическим путем за счет обратной подачи вещества, груза или ослабления пружины. Принцип простой, экологически чистый, промышленно масштабируемый и очень долговечный. Именно поэтому, по данным Vygon Consulting, 95% накопителей энергии в мире — это гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), использующие для хранения энергии лишь то, что дала нам природа — воду и гористые ландшафты.
Кручу, верчу, намагнитить хочу
Впервые использовать воду и гористые ландшафты для накопления энергии придумали в Швейцарии. В 1909 году недалеко от города Шаффхаузен в одноименном кантоне была построена первая в мире гидроаккумулирующая станция Engeweiher мощностью 1,5 МВт. Воплощенный в той установке принцип работы ГАЭС сохранился в целом и в наши дни.
Станция состоит из насоса, двух резервуаров, размещенных на разной высоте, и турбины. Когда электроэнергия в избытке, насос закачивает воду в верхний резервуар. Когда электричества в сети не хватает, воду отводят в нижний накопитель через турбину, которая дает электричество. Простота и надежность этого принципа доказана временем, а также историей самой станции Engeweiher, которая работает до сих пор, — её мощности оказались весьма кстати на фоне развития ВИЭ в Швейцарии.
Аккумулирующая гидроэлектростанция — один из старейших возобновляемых источников энергии в мире. Источник: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation
Следующий шаг в развитии технологии был сделан в 1930-е гг. Было понятно, что водяные турбины, соединенные с генераторами, могут работать с более высокой эффективностью, если регулировать их скорость вращения. Поэтому в 1930 году Toshiba разработала асинхронный гидрогенератор-двигатель мощностью 750 кВ·А, который был установлен на станции Ёсино в городе Канадзава (преф. Исикава, Япония). Скорость вращения турбины в нем могла изменяться для достижения максимальной эффективности выработки.
Однако широкого применения эта технология тогда не нашла, и впоследствии использовались в основном синхронные гидрогенератор-двигатели, которые работают с неизменной (синхронной) скоростью вращения, из-за чего нельзя менять и входную мощность. Это значит, что подстраивать работу станции под изменяющийся спрос (скажем, ночью, когда нужно тратить больше энергии на закачку воды и меньше отдавать её в сеть) было непросто — снижалась эффективность либо закачки, либо выработки.
В 1990-м году компания Toshiba вновь обратилась к технологии асинхронного гидрогенератор-двигателя.: совместно с Токийской электроэнергетической компанией (TEPCO) на ГАЭС Ягасава была разработана и установлена первая в мире насосная установка с регулируемой скоростью, использующая двигатель-генератор с вторичным возбуждением переменного тока низкой частоты. Она управляется высокоскоростным и высокопроизводительным цифровым контроллером, который может изменять входную и выходную мощность гораздо быстрее, чем в обычных гидроагрегатах, что позволяет быстрее стабилизировать колебания мощности в сети, скажем, в случае аварийных ситуаций. С тех пор асинхронные генераторы-двигатели на ГАЭС стали применяться чаще, а сейчас являются наиболее перспективной моделью для гидроаккумуляции.
В июне 2014 года начала работать самая большая в мире насосная установка с регулируемой скоростью вращения и мощностью 475 МВ·А для четвёртого блока ГАЭС Кадзуногава (преф. Яманаси, Япония), которая имеет ещё и самую большую в мире высоту напора насоса (785 м) для одноступенчатой насосной турбины. Эта станция также управляется TEPCO. Источник: Toshiba Energy Systems Co., Ltd / YouTube
Гидроагрегат с переменной частотой вращения повышает КПД насосного и турбинного режима, увеличивая тем самым эффективность полного цикла ГАЭС, а также снижает вибрацию и механический износ системы. Более того, такая машина может моментально реагировать на резкие изменения в спросе на электроэнергию, связанные, к примеру, с использованием нестабильных возобновляемых источников энергии или при блэкаутах.
И сказали мы: «Гидроаккумулирующие электростанции с асинхронным генератором двигателя, плодитесь и размножайтесь!». Источник: Абубакиров Ш. И. Опыт и перспективы использования асинхронизированных гидрогенераторов в проектах ОАО «Институт Гидропроект» // Гидроэнергетика. — 2010.— № 2 (19).
В поисках баланса
Описанные решения, как можно видеть, имеют большой — промышленный — масштаб. Но насколько разумна такая централизация? И не лучше ли внедрять распределенные решения, которые могут решать вопросы выравнивания дисбалансов в системе электроснабжения? Ничего не мешает сочетать два этих подхода, объединяя в рамках одной системы энергоснабжения крупные накопители энергии и локальные, такие, которые строятся на базе индивидуальных батарей, установленных на конкретных объектах и даже в жилых домах.
Для решения таких проблем лучше подходят аккумуляторные батареи, особенно SCiBTM, разработанная Toshiba. В основе её анода оксид лития-титана (LTO), который позволяет добиться большей эффекимвной ёмкости, а также обеспечивает длительный срок службы, работу при низких температурах, быструю зарядку, высокую мощность на входе и выходе. Toshiba SCiBTM можно применять в самых разных областях: от небольших (кВт) стационарных накопителей для жилых помещений до автомобилей, автобусов, железнодорожных вагонов, лифтов, электростанций и крупномасштабных хранилищ энергии (МВт) для электрических сетей, интеллектуальных сетей и солнечных электростанций. Источник: Toshiba
Более того, отдельные локальные хранилища электроэнергии могут в свою очередь быть также объединены в крупные структуры — виртуальные электростанции, о которых мы уже рассказывали в этом блоге. И такие решения уже реализуются.
К примеру, в Германии крупнейшая распределительная компания TenneT совместно с производителем домашних систем хранения электричества Sonnen объявила о создании своеобразного энергетического блокчейна: они планируют соединить домашние накопители энергии в сеть для выравнивания дисбалансов в энергетической системе на уровне страны. Однако пока число владельцев подходящих для этого накопителей гораздо меньше, чем хозяев домашних станций на ВИЭ.
Сочетание огромных хранилищ электроэнергии и небольших локальных, связанных воедино, как раз и поможет сгладить дисбалансы потребления и выработки, о которых мы говорили вначале, и минимизировать возможность блэкаутов.
Накопление энергии в электросети — как это работает
Накопление энергии в энергосети (или хранение энергии в крупных объемах) – совокупность методов, используемых для хранения энергии в больших объемах с использованием электросетей. Электроэнергия хранится в периоды, когда производство (особенно – от таких электростанций, вырабатывающих ток с перерывами, как ветряные, приливные и солнечные электростанции) превышает потребление, и возвращается в сеть, когда потребление превышает производство.
Технологии накопления электроэнергии
По состоянию на 2016 год самой крупной разновидностью электросети с функцией накопления энергии является электросеть от гидроэлектростанции. Она включает традиционную выработку энергии на гидроэлектростанциях и гидроаккумулирование энергии. В качестве альтернативы накоплению энергии в электросети предлагают использовать пиковые электростанции.
Преимущества аккумулирования и использования пиковой нагрузки
Накопители используются для передачи мощности электрическим сетям при условии, когда потребление энергии превышает ее производство, и это соотношение невозможно изменить сразу. Таким образом, нет необходимости в резком увеличении или уменьшении производства энергии для покрытия кратковременной потребности. Вместо этого передача от группы генераторов и резервных средств поддерживает объем энергии в постоянном диапазоне.
Другим, более сложным способом для достижения эффекта, аналогичного накоплению энергии в электросети, является использование умных электросетей для получения возможности управления спросом на электроэнергию. Обе технологии позволяют изменить передачу и потребление энергии с одной фазы (когда в ней нет потребности) на другую (когда в ней есть крайняя необходимость).
Любая электросеть должна приспособить производство энергии к ее потреблению, так как оба параметра сильно меняются с течением времени. Любое сочетание накопление энергии и управления спросом на электроэнергию обладает следующими преимуществами:
Возобновляемые источники энергии
Энергия, получаемая из фотоэлементов, приливов и ветров, по своей сути является изменчивой, так как объем ее производства зависит ль времени суток, фазы луны, времени года и таких случайных факторов, как погода. Таким образом, возобновляемые источники энергии дают особые проблемы для энергосистем общего пользования. Хотя подключение большого количества отдельных ветрогенераторов решает проблему возможных изменений, солнечная энергетика не будет работать по ночам, за исключением генераторов на расплавах солей, а приливные электростанции зависят от поведения Луны, из-за чего нельзя быть уверенным в том, что энергия будет при максимальной нагрузке.
Также серьезно отличается степень воздействия на любое энергетическое хозяйство. При летнем пике основные потребности может удовлетворять солнечная энергетика. При зимнем пике и более низких температурах ветрогенераторы могут соотноситься с отопительной нагрузкой здания и применяться для того, чтобы взять ее на себя. В зависимости от этих факторов от 20 до 40 % общей выработки ложится на такие неисчерпаемые источники энергии, как фотоэлектричество и ветрогенераторы. В дальнейшем могут потребоваться инвестиции в накопление энергии в электросетях, управление электропотреблением со стороны потребителя или и то, и другое.
В электросетях без возможности накопления энергии источники энергии, связанные с полезными ископаемыми (углем, нефтью, газом, ядерным топливом), должны будут повышать или понижать выработку, чтобы соответствовать росту и падению производства электричества с использованием неисчерпаемых источников. В то время, как нефтяные и газовые заводы могут быстро повысить выработку энергии, если ветер утихнет, угольные и атомные электростанции могут потребовать куда больше времени на загрузку.
Таким образом, коммунальные системы с меньшей долей выработки энергии на газовых или нефтяных электростанциях более зависимы от управления электропотреблением и пропускной способности электросетей.
Французская консалтинговая фирма «Yole Development» предполагает, что рынок «систем долгосрочного хранения» к 2023 году может достичь 13,5 млрд. долларов против менее 1 млрд. в 2015 году.
Управление электропотреблением со стороны потребителя и хранение тока в электросети
Пользователи также могут хранить энергию из электросетей, к примеру, для зарядки электромобилей, запасающих энергию для транспорта и теплоаккумуляторов, накопление энергии для теплоснабжения или охлаждения воздуха обеспечивает возможность теплоаккумуляции для зданий. На сегодняшний день теплоаккумуляция служит только для изменения уровня потребления энергии во внепиковый период, при этом энергия не возвращается в электросеть.
Потребность в накоплении энергии в электросетях для обеспечения пиковой мощности уменьшается за счет ценообразования, связанного с временем использования, что является одним из преимуществ интеллектуальных счетчиков. На уровне дома потребители могут выбрать более дешевые внепиковые часы для использования сушилок и стиральных машин, посудомоечных машин, душа и готовки. Коммерческие и промышленные предприятия получат преимущество, сохранив средства, если отложат выполнение некоторых процессов до внепиковых часов.
Местные влияния от непредсказуемой работы ветряных электростанций создали новую необходимость в согласованном регулировании спроса, в соответствии с которым будет работать хозяйство. Исторически это можно было сделать, лишь сотрудничая с крупными промышленными компаниями, но сейчас это может распространиться на все электросети. К примеру, несколько крупномасштабных европейских проектов связывают изменение выработки энергии ветрогенераторами с изменением загрузки промышленных морозильных аппаратов для продуктов питания, связанным с небольшими изменениями температуры. В случае с целой электросетью небольшое повышение или понижения температуры приведет к мгновенному изменению объема потребления тока по всей сети. До сих пор остается открытым вопрос «Является ли пища глубокой заморозки или нагретая вода формой хранения энергии?».
В декабре 2013 года Министерством энергетики США был опубликован отчет, описывающий потенциальные выгоды накопления энергии и технологий управления потреблением энергии из электросетей:
«Модернизация электросистем поможет стране принять вызов и воплотить в реальность проекты, связанные с потребностями в энергии, в том числе – проекты по увеличению доли энергии из возобновляемых источников, связанные с изменением климата, и по увеличению эффективности получения энергии из невозобновляемых источников. Улучшение электросети должно сохранить ее прочность и гибкость, как системы поставки энергии, а накопление энергии может сыграть значительную роль в преодолении этих проблем путем улучшения пропускной способности сети, уменьшения стоимости, обеспечения высокой надежности, а также – отсрочки и уменьшения размера затрат на инфраструктуру. В конце концов, накопление энергии может сыграть важную роль для аварийной готовности за счет способности обеспечить вспомогательную энергию и обеспечить стабильность электросетей».
Отчет был составлен основной группой исследователей, представляющих Отдел по поставкам электроэнергии и энергетической безопасности, Агентство передовых исследований в области энергетики, Отдел по науке, Отдел по энергосберегающим технологиям и возобновляемой энергии, Сандийские лаборатории и Тихоокеанскую северо-западную национальную лаборатория, которые занимаются разработками в области накопления энергии в электросетях.
Методы накопления энергии в электросети
Сжатый воздух
Еще одним методом накопления энергии в электросети является использование внепикового тока или тока, произведенного из неисчерпаемых источников, для сжатия воздуха, который, как правило, хранится в старом карьере или какой-либо другой геологической структуре. При высокой потребности в электричества, сжатый воздух с небольшой долей природного газа нагревается, после чего – проходит через детандеры, вырабатывающие ток. 
Как правило, КПД хранения энергии в сжатом воздухе – 60-90 %.
Жидкий воздух
Еще одним способом накопления энергии является сжатие и охлаждение воздуха, что превращает его в жидкость, которую можно хранить и расширять при необходимости, вращая турбину и вырабатывая электричество. КПД такого вида накопления энергии превышает 70 %
Батареи
Накопление энергии в батареях применялось на заре появления постоянного тока. Там, где не могли беспрепятственно работать электросети постоянного тока, отдельные осветительные установки, работающие за счет ветряных турбин или встроенных двигателей внутреннего сгорания, обеспечивали светом и энергией небольшие двигатели. Система батарей могла использоваться для создания нагрузки без запуска двигателя или при слабом ветре. Блок свинцово-кислых батарей в стеклянных сосудах одновременно обеспечивали лампы энергией для свечения и двигатель – для старта перезарядки батарей. Технология накопления энергии в батареях, как правило, имеет КПД в 70-85 %.
Система батарей, присоединенных к преобразователям твердого типа, использовались для стабилизации мощности распределительных сетей. Некоторые батареи электросистем расположены неподалеку от электростанций, вырабатывающих ток за счет возобновляемых источников, и предназначены либо для выравнивания мощности, поставляемой ветряными или солнечными электростанциями, либо для изменения выходной мощности в то время суток, когда электростанции на возобновляемых источниках не могут вырабатывать энергию напрямую. Эти комбинированные системы (производство + накопление) могут или уменьшать нагрузку на сет при соединении с электростанцией, или применяться для достижения самообеспеченности и работы вне системы.
В отличие от электромобилей, батареи для длительного накопления энергии не страдают от ограничений в массе или объеме. Однако за счет больших объемов хранимой энергии и мощности цена за единицу мощности весьма высока. Соответствующей мерой для измерения прибыли от накопления энергии в электросетях является доллар/Вт-ч (или доллар/Вт), чем Вт-ч/кг (или Вт/кг).
Технологии батарей для подпитки сетей
Более дешевой и долговечной альтернативой литий-ионным батареям являются натрий-ионные аналоги, так как натрий гораздо чаще встречается в природе, чем литий, и куда дешевле. Но он обладает меньшей удельной мощностью. Однако этот вид батарей до сих пор находится на ранней стадии разработки.
Технологии для автомобилестроения зависят от твердых электродов, обладающих высокой удельной мощностью. Но процесс их производства стоит очень дорого. Жидкие электроды представляют собой дешевую альтернативу с меньшей плотностью, которая не нуждается в обработке.
Батарея с жидким электролитом
Этот вид батарей состоит из двух жидких сплавов металлов, разделенных электролитом. Они просты в производстве, но требуют температуры в несколько сотен градусов Цельсия для поддержания сплавов в жидком состоянии. В этой технологии используются никель-кадмиевые, серно-натриевые и жидкометаллические батареи.
Серно-натриевые батареи используются для накопления энергии в электросетях Японии и США. Электролит состоит из твердого бета-глинозема. Жидкометаллическая батарея, разработанная исследовательской группой во главе с профессором Садовэем, использует жидкие сплавы магния и сурьмы, разделенные изоляционным слоем расплава солей. Разработка находится на стадии прототипа.
Проточная батарея
В перезаряжаемых проточных батареях жидкие электроды состоят из переходных металлов, погруженных в воду комнатной температуры. Их можно применять, как средство накопления энергии с быстрым реагированием. Ванадиевые проточные батареи являются еще одним типом этих устройств. Они установлены на ветряной электростанции «Huxley Hill» в Австралии, «Tomari» в японском Хоккайдо, а также – в отраслях, не предполагающих применение ветряных электростанций. На ветряной электростанции «Sorne Hill» в Ирландии. Была установлена проточная батарея емкостью в 12 МВт-ч. Эти накопительные системы разработаны для смягчения кратковременных изменений ветра. Бромоводород предлагался для использования в проточных батареях для коммунального использования.
Примеры
К примеру, пуэрториканская система емкостью в 20 МВт/15 мин. (4 МВт-ч) стабилизирует частоту производимого на острове тока. В 2003 году в Фэрбенксе, штат Аляска был установлен блок никель-кадмиевых батарей емкостью в 27 МВт/15 мин (6,75 МВт-ч) с целью стабилизировать напряжение на конце длинной линии электропередач.
В 2016 году для накопления энергии в электросети была предложена цинк-ионная батарея. В 2017 году Комиссия по вопросам деятельности коммунальных служб Калифорнии подсоединила 396 крупногабаритных блоков батарей «Tesla» к подстанции Мира Лома в городе Онтарио. В блоках размещено два модуля емкостью в 10 МВт (общая мощность – 20 МВт), каждый из которых может работать 4 часа, добавляя, таким образом, 80 МВт резервной мощности. Установка способна питать 15 000 домов в течение более четырех часов.
Для аккумуляторных накопительных электростанций было предложено использовать традиционные технологии типа литий-железо-фосфатных батарей, соединенных параллельно. Самыми большими накопителями энергии в электросетях США являются батареи электростанции Гранд-Ридж (штат Иллинойс) и Бич-Ридж (штат Западная Виргиния) емкостью в 31,5 МВт. В 2015 году в рамках проекта компании «Southern California Edison» строились две батареи общим объемом 400 МВт-ч (100 МВт/4 часа), батарея на острове Кауаи (штат Гавайи) мощностью в 52 МВт-ч с возможностью моментального сдвига до уровня 13 МВт-ч, вырабатываемых солнечной электростанцией к вечеру.
Уже существуют две батареи в городе Фэрбенкс (штат Аляска) (40 МВт/7 мин с использованием никель-кадмиевых элементов) и в населенном пункте Нотрис (штат Техас) (36 МВт/40 мин с использованием свинцово-кислотных батарей). В Германии из старых батарей электромобилей была собрана батарея емкостью в 13 МВт-ч. Ожидаемый срок работы – 10 лет.
В 2015 году в США была установлена батарея емкостью в 221 МВт. К 2020 году ожидается достижение общей емкости до 1,7 ГВт.
Электротранспорт
Компании исследуют возможность использования электротранспорта для удовлетворения пикового спроса. Припаркованный и подключенный к источнику питания, электротранспорт может продавать ток из батареи во время пиковых нагрузок и заряжаться либо ночью (дома), либо во внепиковые часы.
Гибридный транспорт или электромобили могут использоваться за счет своих возможностей по накоплению энергии. Использование технологии подключения транспорта к общей электросети позволит превратить каждое средство с собственным блоком батарей объемом 20-50 кВт-ч в распределенное устройство для выравнивания нагрузок или экстренный источник питания. Это значит, что энергии каждого транспортного средства хватит на 2-5 дней при потребности в 10 кВт-ч в сутки или 3 650 кВт-ч в год. Это количество энергии эквивалентно пути в 40-300 миль (64-483 км), которое преодолевает такой транспорт, потребляя 0,16-0,5 кВт-ч на милю.
Такие значения могут быть достигнуты даже у самодельного электротранспорта. Некоторые коммунальные энергосистемы планируют использовать старые батареи электромобилей (иногда – объединенные в один огромный блок) для хранения электроэнергии. Однако серьезным недостатком использования транспорта для накопления энергии в электросети является факт, что каждый цикл хранения подвергает батарею напряжению, аналогичному одному циклу зарядки-разрядки. Традиционные литий-ионные батареи на основе кобальта приходят в негодность после определенного числа циклов, хотя более современные батареи могут служить гораздо дольше, так как не начинают работать хуже после каждого цикла.
Также есть вариант заново использовать отработанные батареи электромобилей с целью накопления энергии в электросетях, так как ожидаемый срок их работы – около 10 лет. Если подобные накопители будут использоваться в крупных масштабах, тогда разрядившуюся батарею электромобиля, которую уже нельзя применять для движения, будет куда легче заменить по гарантии, так как у старой батареи тут же появится цена и применение.
Маховик
Основой этого метода накопления энергии является механическая инерция. Когда электрическая энергия проходит сквозь устройство, электромотор разгоняет тяжелый вращающийся диск. Мотор работает в качестве генератора, и обратный поток энергии замедляет диск и вырабатывает электричество. Электричество хранится в виде кинетической энергии диска. Трение должно оставаться минимальным для увеличения времени хранения. Это часто достигается благодаря помещению маховика в вакуум и магнитным подшипникам, что делает этот способ дорогим. Большая скорость вращения маховика позволяет добиться большего объема хранимой энергии, но при этом необходимы такие прочные материалы, как сталь или композитные материалы, чтобы преодолеть центробежную силу. Те объемы мощности и энергии, которые можно хранить в маховике, делают технологию экономичной, но неприменимой для обычных энергосистем. Такие системы, вероятно, лучше подойдет для выравнивания нагрузки железнодорожных энергосистем и увеличения качества энергии в таких возобновляемых энергосистемах, как ирландская система мощностью в 20 МВт.
Накопление энергии в маховике используется в тех сферах, где нужны сверхвысокие вспышки энергии в течение кратчайшего времени. Это – эксперименты с токамаком и лазером, где мотор-генератор ускоряется для достижения рабочей скорости и частично замедляется при разрядке.
На данный момент накопление энергии в маховике используется в виде дизельного роторного бесперебойного источника питания для обеспечения таких систем, как крупные датацентры, питанием из резервных источников. То есть, проходит относительно малое количество времени между потерей мощности главной линии и подготовки альтернативного источника типа дизельного генератора.
Потенциальное решение было предложено португальской организацией «EDA» на Азорских островах, в рамках которого предлагается разместить на островах Грасиоза и Флориш системы, использующей маховик мощностью в 18 МВт-с для улучшения качества тока и, таким образом, увеличить использование энергии из возобновляемых источников. Как предполагается из описания, эти системы также разработаны для сглаживания кратковременных изменений тока в цепи, но не для покрытия нехватки тока в течение пары дней.
Австралийская энергетическая компания развивает направления с применением ветряных турбин, маховиков и технологии дизельных двигателей малой загрузки для максимизации входного тока с ветряных электростанций к малым электросетям. Система, установленная в городке Корал Бэй (Западная Австралия), использует ветряные турбины вместе с системой управления на основе маховика и дизельных двигателей малой загрузки для достижения доли ветрогенерации в 60 % для городской электросети.
Водород
Водород может производиться как посредством паровой конверсии, так и путем электролиза воды на водород и кислород. Паровая конверсия в качестве побочного продукта производит углекислый газ. Высокотемпературный электролиз и электролиз при высоком давлении – это два метода, за счет которых можно повысить эффективность производства водорода. Затем водород преобразовывается в электричество в двигателе внутреннего сгорания или топливном элементе.
КПД хранения переменного тока в водороде находится в пределах 20-45 %, что экономически ограничивает его применение. Соотношение цены покупки и продажи электричества должно быть, по меньшей мере, пропорциональным КПД для того, чтобы система себя окупала. Водородные топливные элементы могут реагировать достаточно быстро, чтобы корректировать быстрые колебания в количестве поставляемой энергии и регулировать частоту. Хотя при этом водород может использовать инфраструктуру для добычи и переработки природного газа, зависимую от строительных материалов сети, стандартов разъемов и давления в хранилище. Среди оборудования, необходимого для накопления энергии в водороде – электролизная фабрика, водородные компрессоры или разжижители и баки для хранения водорода.
Комбинированные микроисточники тепловой и электроэнергии могут использовать водород, как топливо. Некоторые АЭС могут быть способны получать выгоду от симбиоза с производством водорода. Газ высокой (950-1 000 °С) температуры охлаждает реакторы 4 поколения, которые будут способны добывать водород из воды путем электролиза посредством термохимических средств с использованием тепла от ядерной реакции по типу серно-йодного цикла. К 2030 году ожидается появление первых коммерческих реакторов.
В 2007 году появилось сообщество, занимающееся программой с использованием ветряных турбин и водородных генераторов в отдаленной деревушке Рамеа (провинция Нью-Фаундленд и Лабрадор, Канада). Схожий проект продолжается с 2004 года в маленьком норвежском городке Утсира.
Хранение водорода под землей
Хранение водорода под землей – способ хранения водорода в подземных пещерах, соляных куполах и опустошенных нефтяных и газовых меторождениях. Британская компания «Imperial Chemical Industries» без каких-либо трудностей хранит большие объемы газообразного водорода в подземных пещерах много лет. В 2013 году было отмечено, что европейский проект «Hyunder» нуждается в 85 дополнительных пещерах для хранения энергии с ветряных и солнечных электростанций, так как эта потребность не может быть покрыта за счет гидроаккумулирующих электростанций и хранилищ энергии в форме сжатого воздуха.
Преобразование энергии в газ
Преобразование энергии в газ – технология, позволяющая преобразовать электрическую энергию в газовое топливо. Существует 2 метода применения, первый из которых использует электричество для разложения воды и вводит полученный водород в резервуар с природным газом.
Трубопровод от газораспределительной системы также применяется для хранения водорода. Прежде чем перейти на природный газ, немецкая система газоснабжения работала на коксовом газе, большую часть которого составляет водород. Пропускная способность немецкой системы газоснабжения превышает 200 000 ГВт-ч, этого достаточно для обеспечения потребностей в энергии в течение нескольких месяцев. Для сравнения, емкость всех гидроаккумулирующих электростанций Германии – всего лишь около 40 ГВт-ч. Перенос энергии через газопровод осуществляется с куда меньшими потерями (менее 0,1 %), чем по электросети (8 %). «NaturalHy» исследовала возможность использования существующих газопроводов для поставок водорода.
Проект преобразователя энергии в аммиак
Аммиак может храниться в жидком состоянии. Так, стандартный бак в 60 000 м3 содержит около 211 ГВт-ч энергии, что эквивалентно годовой выработке примерно 30 ветрогенераторов. Аммиак можно сжигать без последствий, так как высвобождаются только вода и азот, но не углекислый газ и окислы азота. В дальнейшем аммиак можно применять, как удобрение, химический реактив широкого применения, реактив для удаления окиси азота и энергоноситель. Его гибкость в применении и наличие инфраструктуры для транспортировки, распределения и использования делает аммиак отличным кандидатом для роли безуглеродистого промышленного энергоносителя будущего.
Гидроаккумулирование
В 2008 году объем энергии, выработанной путем гидроаккумулирования, составлял 104 ГВт, хотя другие источника заявляли о 127 ГВт, включающих подавляющее большинство типов накопления энергии в электросетях. Остальные типы в совокупности давали несколько сотен МВт.
Во многих районах гидроаккумулирование используется не только для выработки энергии в дневное время, но и во время внепиковых часов и выходных, когда вода закачивается в резервуары, используя избыточную базовую нагрузку угольных или атомных электростанций. При пиковых часах это вода может использоваться для выработки гидроэлектричества, часто – как ценный резерв для быстрого покрытия кратковременных пиков потребления. Гидроаккумулирование возвращает от 70 до 85 % процентов потребляемой энергии, и на данный момент это – самый эффективный вид накопления энергии в промышленности. Главная проблема гидроаккумулирования – потребность в двух соседних резервуарах различной длины и серьезных капиталовложениях.
Системы гидроаккумулирования обладают высокой скоростью реакции. Это означает, что они могут быть очень быстро (как правило, в течение 15 секунд) подключены, что делает их очень эффективными при поглощении колебаний при поставке тока потребителям. Гидроаккумулирующие электростанции вырабатывают около 90 ГВт энергии, что составляет 3 % от всей мировой выработки энергии из неисчерпаемых источников. Такие системы гидроаккумулирования, как британская электростанция Дайнорвиг, способны вырабатывать ток в течение 5-6 часов, и сглаживать колебания при поставке тока потребителям.
Еще один пример – китайская гидроаккумулирующая электростанция Тянхуангпин, вырабатывающая 1836 МВт энергии. Она обладает резервуаром объемом в 8 млн. м3 (2,1 млрд. американских галлонов, или объем воды, проходящей через Ниагарский водопад за 25 минут) и расстоянием по вертикали в 600 м (1970 футов). Он способен обеспечить 13 ГВт-ч гравитационной потенциальной энергии, преобразовываемой в электричество с КПД в 80 %. Эта величина равна 2 % от ежедневного потребления энергии в Китае.
Новый проект системы гидроаккумулирования использует энергию ветра или солнца для закачки воды. Ветряные турбины или элементы солнечных батарей, напрямую управляющие водяными насосами для хранения энергии ветра или солнца в дамбе, могут сделать этот процесс более эффективным, но пока они – ограничены. Такие системы могут лишь увеличить объем движущейся воды при ветреной или солнечной погоде.
Плотина ГЭС
Плотины ГЭС с крупными резервуарами также могут работать для обеспечения выработки энергии в пиковые часы. Вода хранится в резервуаре во время периодов малой загрузкой и проходит через ГЭС при повышении спроса. Конечный результат схож с гидроаккумулированием, но при этом нет потерь при закачке. В зависимости от объема резервуара электростанция может обеспечивать изменение нагрузки в течения дня, недели или сезона.
Многие существующие плотины ГЭС (как плотина Гувера, построенная в 1930-х годах) серьезно устарели, ведь они были спроектированы за несколько десятилетий до появления таких неисчерпаемых источников энергии, как ветер или солнце. Изначально плотины ГЭС строились для обеспечения базисной нагрузки, которая пойдет на генераторы станции, калиброванные под средний объем стока воды в резервуар. Установка новых генераторов на подобную дамбу повысит емкость пиковой исходящей энергии, таким образом, ее емкость вырастет в достаточной степени, чтобы она стала возможным средством накопления энергии в энергосети.
Бюро мелиорации США доложило, что для улучшения существующих дамб потребуется 69$ за кВт емкости в то время как аналогичные затраты на нефтяные пиковые генераторы превышают 400$ за кВт. Хотя улучшенные плотины ГЭС не хранят избыточную энергию других генераторов напрямую, они проявляют себя аналогично за счет накопление собственного топлива в виде поступающей речной воды во время большого объема производства энергии.
Таким образом, работая, фактически, в качестве накопителя энергии для электросети, улучшенная плотина является одной из самых эффективных форм хранения энергии, так как нет потерь при закачке воды для заполнения, но есть потери при испарении и утечке.
Плотина с крупным резервуаром, соответственно, может хранить и освобождать большее количество энергии, контролируя расход реки и увеличивая или уменьшая уровень воды в резервуаре в пределах нескольких метрах. Ограничения по применению подобных плотин – частый предмет споров в области водного права, призванного ограничить низовой эффект для рек. К примеру, электросети, подпитываемые за счет базовой нагрузки ТЭС, АЭС или ветряных электростанций, производящих избыточную энергию ночью, дамбам все равно необходимо спускать достаточно воды для поддержания нормального уровня воды в реках независимо от того, поставляется ли ток или нет.
Энергия сверхпроводникового магнитного поля
Система сверхпроводниковых магнитных накопителей хранит энергию в магнитном поле, созданную течением постоянного тока в сверхпроводящей катушке, охлажденной криогенным путем до температуры ниже критической температуры сверхпроводимости. Типичная система подобного плана состоит из сверхпроводящей катушки, мощной системы кондиционирования и холодильник с криогенным охлаждением. Как только сверхпроводящая катушка заряжается, ток не ослабевает, и магнитную энергию можно хранить бесконечно долго. Накапливаемая энергия может попадать обратно в сеть после разрядки катушки.
Мощная система кондиционирования работает как инвертор/выпрямитель для преобразования переменного тока в постоянный и обратно. При работе инвертора/выпрямителя теряется примерно 2-3 % при преобразовании в каждую сторону. ССМН теряет меньше всего энергии в процессе накопления по сравнению с другими способами. Системы СМН невероятно эффективны, так как КПД при цикличном движении превышает 95 %. Первым ограничением для коммерческого применения данного метода является высокая цена сверхпроводников.
За счет потребностей энергии для заморозки и ограничений для объема накопленной энергии ССМН сейчас применяется для кратковременного хранения энергии. Вследствие этого данные системы чаще всего используются для увеличения качества энергии. Если бы ССМН использовались для коммунальных нужд, то она бы хранила энергию в течение дня, заряжалась бы ночью за счет базовой нагрузки электростанции и работа в пиковый период в течение дня. Системы сверхпроводниковых магнитных накопителей все еще находятся на стадии теоретической разработки.
Тепловая энергия
В Дании прямое накопление энергии считается слишком дорогим для использования в промышленных масштабах, хотя серьезная доля энергии производится работающей Норвежской ГЭС. Вместо этого предпочтительным путем считается использование существующих емкостей для хранения горячей воды, присоединенных к системам центрального теплоснабжения, нагреваемым как электрокотлами или теплонасосами. Потом накопленное тепло подается в дома по теплотрассам.
Расплавы солей применяют для хранения тепла, собранного гелиоустановками, поэтому их можно использовать для производства электричества в плохую погоду или ночью.
Внепиковое электричество можно использовать для превращения воды в лед и его хранения. Лед может применяться для охлаждения воздуха в больших помещений, которые будут использовать переменный ток, смещая нагрузку на внепиковые часы. В других накопительных системах лед используется для охлаждения поступающего в газотурбинный генератор воздуха, следственно, растет пиковая пропускная способность и эффективность.
Система накопления тепла использует высокореверсивные тепловых двигателей или теплонасосов для закачки тепла между двумя накопительными баками, где один – нагревается, а другой – охлаждается. Британская машиностроительная фирма «Isentropic», занятая разработкой данной системы, заявляет, что КПД цикла накопления и высвобождения – 72-80 %.
Накопление гравитационной потенциальной энергии в твердых телах
Согласно журналу «Scientific American», подъемники для лыжников и железнодорожные пути рассматриваются, как способ хранения энергии движения тяжелых предметов вверх и вниз.
Накопление энергии — сколько это стоит
В первую очередь, стандартный тариф на хранение электроэнергии зависит от типа и целей хранения, а уже потом – от регулирования частоты, наличия пиковых электростанций и сезонного аккумулирования.
Утверждается, что использование энергии из аккумуляторов будет стоить 12-17 центов/кВт.
Вообще говоря, накопление энергии выгодно при условии, что предельные издержки на электричество будут отличаться сильнее, чем сумма издержек на хранение и восстановление энергии и издержек на потере энергии. К примеру, водохранилище гидроаккумулирующей электростанции может закачать в свой верхний резервуар воду для производства 1 200 МВт-ч после всех учтенных потерь (испарение и протечка в резервуаре, потери эффективности и т.д.).
Однако, предельные издержки на электричество отличаются из-за отличий в стоимости работы и топлива для генераторов разных классов. С одной стороны, такие базисные электростанции, как угольные или атомные, обладают генераторами с низкими предельными издержками, так как у них – высокие капитальные и эксплуатационные расходы, но малые расходы на топливо.
С другой стороны, у таких пиковых электростанций, как газотурбинные, сжигается дорогое топливо, но они – дешевле в строительстве, работе и обслуживании. Чтобы минимизировать общие затраты на работу генераторов, большинство базисных генераторов почти все время работают в экстренном режиме, в то время как пиковые генераторы работают в таких условиях только при необходимости, в основном – при пиковых запросах на электроэнергию. Это называется «экономичным распределением нагрузки».
Потребности мировых электросетей в энергии варьируются в течение дня и в зависимости от времени. В большинстве случаев потребности в электричестве меняются в зависимости от того, сколько энергии обеспечивается первичными источниками. Однако все больше владельцев хранят дешевую энергию, произведенную ночью, после чего – передают ее электросетям в пиковые периоды, когда она становится более ценной.
В регионах с плотинами ГЭС передача энергии происходит при повышенном спросе. Такая форма хранения энергии широко распространена и может использовать уже существующих резервуаров. Это не является хранением «избыточной» энергии, произведенной где-либо, но конечный результат тот же. Отличие заключается лишь в отсутствии потерь в передаче энергии. Доля таких возобновляемых источников, как энергия ветра или солнца, показывает тенденцию к росту, что увеличивает возможности накопления энергии в электросетях.
Поиск альтернативного рынка для неиспользованной энергии может быть более выгодным, чем попытка сохранить ее. Высоковольтная линия постоянного тока позволяет передавать электричество, теряя лишь 3 % от объема на 1 000 км.
Сглаживание нагрузки
Потребности промышленности и рядовых потребителей в электричестве постоянно меняются по таким категориям:
На сегодня существует три главных способа реагирования на изменение спроса:
Проблемой использования запасных газотурбинных генераторов является более высокая стоимость, ведь дорогостоящее оборудование не используется большую часть времени. Горячий реверс также стоит дорого, а электростанции, работающие меньше максимальной мощности, обычно менее эффективны. Накопление энергии в электросети применяется для смещения генерации к внепиковым часам. Электростанции способны работать на своих пиковых мощностях ночью и в выходные.
Управление электропотреблением
Необходимо уменьшить разницу между выработкой и потребностями в энергии, чтобы сохранить стабильность энергоснабжения и справиться с изменяющейся нагрузкой. Если это произойдет через изменение нагрузок, то речь идет об управлении электропотреблением. Десятилетиями электростанции продавали внепиковую энергию крупным потребителям по более низким ценам с целью заставить их сдвинуть нагрузку на внепиковые часы, как это делали телефонные операторы. Обычно эти связанные со временем цены обсуждаются заранее.
Пытаясь сохранить больше денег, некоторые компании экспериментируют, продавая электричество по поминутному тарифу спот, который позволяют этим пользователям следить за оборудованием и обнаруживать потребности в пиковой энергии по мере их появления, экономя свои деньги и деньги компании. Управление электропотреблением может быть ручным или автоматическим, и не ограничиваться лишь крупной промышленностью. В случае с жильем или малым бизнесом контрольные модули могут уменьшить потребление энергии кипятильниками, кондиционерами, холодильниками и другими приборами во время этих периодов за счет их отключения до момента пиковой нагрузки. Управление энергопотреблением включает не только общее уменьшение потребляемой энергии или сдвиг нагрузок к внепиковым часам.
Крайне эффективным способом подобного управления является призыв к потребителям устанавливать больше энергосберегающих приборов. К примеру, многие компании предлагают скидки на приобретение изоляции, утеплителей и энергосберегающих ламп. Некоторые субсидируют покупку геотермальных теплонасосов, которые позволяют уменьшить потребность в энергии летом и сделать кондиционирование воздуха на 70 % эффективнее, а также – уменьшить потребление энергии зимой в сравнении с традиционными воздушными насосами или резистивным нагревом.
Компании с заводами и крупными зданиями также могут устанавливать такие товары, но также они могут покупать такое энергосберегающее промышленное оборудование, как отопительный котел, или применять более эффективные производственные процессы. В качестве стимула для них могут служить скидки на займы от компаний или властей на установку энергосберегающего оборудования.
Портативность
Это – поле для наибольшего успеха нынешних технологий хранения энергии. Одноразовые и перезаряжаемые батареи, обеспечивающие энергией и часы, и машины, встречаются всюду. Портативная массовая электроника получает немало выгод от уменьшения размера и энергии согласно закону Мура. К сожалению, он не позволяет применять эту энергию для перемещения людей и грузов, так как ее понадобится несравнимо больше, чем для информационных и развлекательных отраслей. Емкость батарей становится все больше, что позволяет говорить о ней, как об альтернативе двигателя внутреннего сгорания для машин, грузовиков, автобусов, поездов, кораблей и самолетов. Для нее потребуется куда большая плотность энергии, чем та, что обеспечивает нынешняя технология. Жидкое углеводородное топливо (бензин и дизтопливо), также как и спирты (метанол, этанол и бутанол) и жиры (подсолнечное масло, биодизель) обладают куда большей плотностью энергии.
Существуют синтетические пути использования электричества для удаления углекислого газа и воды из жидких углеводородов или спиртов. Они начинаются с электролиза воды для образования водорода и удаления углекислого газа и избытка водорода из водяного пара. Среди альтернативных источников углекислого года – бродильные и очистные заводы. Преобразование электроэнергии в жидкое углеродное топливо может обеспечить запас энергии, применимый большим количеством машин и другого оборудования без проблем, связанных с работой на водороде или другом нетрадиционном энергоносителе. Такие синтетические пути могут привлечь внимание в связи с попытками стран, зависимых от импорта бензина, но имеющих мощные ядерные или возобновляемые источники энергии, улучшить энергетическую безопасность, а также – справиться с возможным падением объемов импорта бензина в будущем.
Из-за крайне неэффективного использования бензина транспортом, замена бензинового транспорта на электрический не потребует больших денежных вливаний в течение многих лет.
Надежность
Практически на все электрические приборы плохо влияет внезапное отключение питания. Такие решения, как неисчерпаемые источники энергии или запасные генераторы, выгодны, но дороги. Эффективные способы накопления энергии позволят устройствам иметь встроенный запасной элемент на случай отключения тока, а также – смягчат последствия перебоя в работе электростанции. Существующие примеры – топливные элементы и маховики.