Przegląd komercyjnego magazynowania energii

Energia odnawialna jest istotną częścią długoterminowego planu neutralności pod względem emisji dwutlenku węgla. Niezależnie od kontrolowanej syntezy jądrowej, górnictwa kosmicznego i dojrzałego rozwoju zasobów hydroenergetycznych na dużą skalę, które nie mają drogi komercyjnej w krótkim okresie, energia wiatrowa i energia słoneczna są obecnie najbardziej obiecującymi odnawialnymi źródłami energii. Ograniczają je jednak zasoby wiatru i światła. Magazynowanie energii będzie istotną częścią przyszłego wykorzystania energii. Ten artykuł i kolejne artykuły będą dotyczyły komercyjnych technologii magazynowania energii na dużą skalę, koncentrując się głównie na przypadkach wdrożeniowych.

W ostatnich latach szybka budowa systemów magazynowania energii sprawiła, że ​​niektóre dane z przeszłości nie są już przydatne, takie jak „drugie miejsce magazynowania energii w sprężonym powietrzu z całkowitą mocą zainstalowaną 440 MW oraz baterie sodowo-siarkowe na trzecim miejscu z całkowitą skalą pojemności 440 MW. 316MW” itp. Ponadto wiadomość, że Huawei podpisał „największy” na świecie projekt magazynowania energii z 1300 MWh, jest przytłaczająca. Jednak według istniejących danych 1300 MWh nie jest najważniejszym projektem magazynowania energii na świecie. Centralny największy projekt magazynowania energii należy do elektrowni szczytowo-pompowych. Dla fizycznych technologii magazynowania energii, takich jak magazynowanie energii solnej, w przypadku elektrochemicznego magazynowania energii 1300 MWh nie jest projektem najbardziej znaczącym (może to też kwestia kalibru statystycznego). Obecna pojemność Centrum Magazynowania Energii Moss Landing sięgnęła 1600 MWh (w tym 1200 MWh w drugiej fazie, 400 MWh w drugiej fazie). Mimo to wejście Huawei zwróciło uwagę branży magazynowania energii na scenie.

Obecnie skomercjalizowane i potencjalne technologie magazynowania energii można podzielić na magazynowanie energii mechanicznej, magazynowanie energii cieplnej, magazynowanie energii elektrycznej, magazynowanie energii chemicznej i magazynowanie energii elektrochemicznej. Fizyka i chemia są zasadniczo tym samym, więc sklasyfikowajmy je na razie zgodnie z myśleniem naszych poprzedników.

1. Mechaniczne magazynowanie energii / magazynowanie termiczne i chłodnicze

Magazyn szczytowo-pompowy:

Istnieją dwa zbiorniki górny i dolny, pompujące wodę do zbiornika górnego podczas magazynowania energii i odprowadzające wodę do zbiornika dolnego podczas wytwarzania energii. Technologia jest dojrzała. Do końca 2020 roku światowa moc zainstalowana elektrowni szczytowo-pompowych wyniosła 159 mln kilowatów, co stanowi 94% całkowitej pojemności magazynowania energii. Obecnie w moim kraju uruchomiono łącznie 32.49 mln kilowatów elektrowni szczytowo-pompowych; pełna skala budowanych elektrowni szczytowo-pompowych wynosi 55.13 mln kilowatów. Skala zarówno budowanych, jak i będących w budowie zajmuje pierwsze miejsce na świecie. Moc zainstalowana elektrowni magazynującej energię może sięgać tysięcy MW, roczna produkcja energii może sięgać kilku miliardów kWh, a prędkość rozruchu bez zasilania może być rzędu kilku minut. Obecnie największa działająca elektrownia magazynująca energię w Chinach, Hebei Fengning Pumped Storage Power Station, ma zainstalowaną moc 3.6 miliona kilowatów i roczną zdolność wytwarzania energii na poziomie 6.6 miliarda kWh (co może wchłonąć 8.8 miliarda kWh nadwyżki mocy, ze sprawnością około 75%). Czarny czas startu 3-5 minut. Chociaż ogólnie uważa się, że magazynowanie szczytowo-pompowe ma wady związane z ograniczonym wyborem lokalizacji, długim cyklem inwestycyjnym i znacznymi inwestycjami, nadal jest to najbardziej dojrzała technologia, najbezpieczniejsza eksploatacja i najtańszy sposób magazynowania energii. Krajowa Administracja Energetyczna opublikowała Średnio- i Długoterminowy Plan Rozwoju Elektrowni Szczytowo-Pompowej (2021-2035).

Do 2025 r. łączna skala produkcji elektrowni szczytowo-pompowych wyniesie ponad 62 mln kilowatów; do 2030 r. pełna skala produkcji wyniesie ok. 120 mln kilowatów; do 2035 roku powstanie nowoczesna energetyka szczytowo-pompowa, odpowiadająca potrzebom masowego i wielkoskalowego rozwoju nowej energii.

Elektrownia szczytowo-pompowa Hebei Fengning - zbiornik dolny

Magazynowanie energii sprężonego powietrza:

Gdy obciążenie elektryczne jest niskie, powietrze jest sprężane i magazynowane za pomocą energii elektrycznej (zwykle przechowywane w podziemnych jaskiniach solnych, jaskiniach naturalnych itp.). Kiedy zużycie energii elektrycznej osiąga szczyt, powietrze pod wysokim ciśnieniem jest uwalniane w celu napędzania generatora w celu wytworzenia energii elektrycznej.

magazynowanie energii sprężonego powietrza,

Magazynowanie energii w sprężonym powietrzu jest ogólnie uważane za drugą najbardziej odpowiednią technologię magazynowania energii na dużą skalę w skali GW, po magazynowaniu szczytowo-pompowym. Ograniczeniem są jednak bardziej rygorystyczne warunki wyboru lokalizacji, wysokie koszty inwestycyjne i efektywność magazynowania energii niż w przypadku elektrowni szczytowo-pompowych. Niski, komercyjny postęp magazynowania energii w sprężonym powietrzu jest powolny. Do września tego roku (2021) pierwszy w moim kraju projekt magazynowania energii na sprężone powietrze na dużą skalę - Jiangsu Jintan Salt Cave National Test Demonstration Project, został właśnie podłączony do sieci. Moc zainstalowana pierwszej fazy projektu wynosi 60 MW, a sprawność konwersji energii wynosi około 60%; długoterminowa skala budowy projektu sięgnie 1000MW. W październiku 2021 r. do sieci w Bijie w Guizhou podłączono pierwszy niezależnie opracowany przez mój kraj zaawansowany system magazynowania energii na sprężone powietrze o mocy 10 MW. Można powiedzieć, że komercyjna droga kompaktowych powietrznych magazynów energii dopiero się rozpoczęła, ale przyszłość rysuje się obiecująco.

Projekt magazynowania energii sprężonego powietrza Jintan.

Magazynowanie energii w stopionej soli:

Magazynowanie energii w stopionej soli, zwykle w połączeniu z wytwarzaniem energii słonecznej, koncentruje światło słoneczne i magazynuje ciepło w stopionej soli. Podczas wytwarzania energii elektrycznej ciepło stopionej soli jest wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej, a większość z nich wytwarza parę do napędzania generatora turbiny.

akumulacja ciepła stopionej soli

Krzyczeli Hi-Tech Dunhuang 100MW elektrownia słoneczna z wieżą ze stopionej soli w największej elektrowni słonecznej w Chinach. Rozpoczęła się budowa projektu Delingha 135 MW CSP o większej mocy zainstalowanej. Jego czas magazynowania energii może sięgać 11 godzin. Całkowita inwestycja projektu wynosi 3.126 miliardów juanów. Oficjalne podłączenie do sieci planowane jest do 30 września 2022 roku, a rocznie może generować około 435 mln kWh energii elektrycznej.

Stacja CSP w Dunhuang

Fizyczne technologie magazynowania energii obejmują magazynowanie energii na kole zamachowym, magazynowanie energii w chłodni itp.

2. Magazynowanie energii elektrycznej:

Superkondensator: Ograniczony przez swoją niską gęstość energii (patrz poniżej) i poważne samorozładowanie, jest obecnie używany tylko w niewielkim zakresie odzyskiwania energii pojazdu, natychmiastowego golenia wartości szczytowych i wypełniania dolin. Typowe zastosowania to Shanghai Yangshan Deepwater Port, gdzie 23 dźwigi znacząco wpływają na sieć energetyczną. Aby zmniejszyć wpływ suwnic na sieć energetyczną, jako źródło zapasowe zainstalowano superkondensatorowy system magazynowania energii o mocy 3 MW/17.2 kWh, który może nieprzerwanie dostarczać energię elektryczną przez 20 sekund.

Nadprzewodnikowe magazynowanie energii: pominięto

3. Magazynowanie energii elektrochemicznej:

W tym artykule klasyfikuje się komercyjne elektrochemiczne magazynowanie energii na następujące kategorie:

Akumulatory ołowiowo-kwasowe, ołowiowo-węglowe

przepływ baterii

Akumulatory metalowo-jonowe, w tym akumulatory litowo-jonowe, akumulatory sodowo-jonowe itp.

Akumulatory metalowo-siarkowe/tlenowe/powietrzne

inny

Akumulatory ołowiowo-kwasowe i ołowiowo-węglowe: jako dojrzała technologia magazynowania energii, akumulatory ołowiowo-kwasowe są szeroko stosowane w rozruchach samochodów, zapasowym zasilaniu elektrowni stacji bazowych itp. Po elektrodzie ujemnej Pb akumulatora kwasowo-ołowiowego jest domieszkowany materiałami węglowymi, akumulator ołowiowo-węglowy może skutecznie rozwiązać problem nadmiernego rozładowania. Według raportu rocznego Tianneng za 2020 rok, zrealizowany przez firmę projekt magazynowania energii ołowiowo-węglowej State Grid Zhicheng (Jinling Substation) 12MW/48MWh jest pierwszą bardzo dużą elektrownią magazynowania energii ołowiowo-węglowej w prowincji Zhejiang, a nawet w całym kraju.

Bateria przepływowa: Bateria przepływowa zwykle składa się z cieczy przechowywanej w pojemniku przepływającej przez elektrody. Ładowanie i rozładowanie odbywa się przez membranę jonowymienną; Odnieś się do figury poniżej.

Schemat baterii przepływowej

W kierunku bardziej reprezentatywnej całkowicie wanadowej baterii przepływowej, projekt Guodian Longyuan, 5MW/10MWh, ukończony przez Dalian Institute of Chemical Physics i Dalian Rongke Energy Storage, był najbardziej rozbudowanym systemem magazynowania energii całkowicie wanadowej baterii przepływowej w ówczesnego świata, który jest obecnie w budowie Większy system magazynowania energii z przepływem redoks w całości wanadu osiąga 200 MW/800 MWh.

Akumulator metalowo-jonowy: najszybciej rozwijająca się i najczęściej stosowana technologia elektrochemicznego magazynowania energii. Wśród nich akumulatory litowo-jonowe są powszechnie stosowane w elektronice użytkowej, akumulatorach zasilających i innych dziedzinach, a ich zastosowanie w magazynowaniu energii również rośnie. Uwzględniając poprzednie będące w budowie projekty Huawei, które wykorzystują akumulatory litowo-jonowe, największym dotychczas zbudowanym projektem magazynowania energii w akumulatorach litowo-jonowych jest stacja magazynowania energii Moss Landing, składająca się z fazy I 300 MW/1200 MWh i fazy II 100 MW/400 MWh, łącznie 400MW/1600MWh.

Bateria litowo-jonowa

Ze względu na ograniczenia zdolności produkcyjnych i kosztów litu, zastąpienie jonów sodu o stosunkowo niskiej gęstości energii, ale oczekuje się, że duże rezerwy obniżą cenę, stało się ścieżką rozwoju akumulatorów litowo-jonowych. Jego zasada i podstawowe materiały są podobne do akumulatorów litowo-jonowych, ale nie został jeszcze uprzemysłowiony na dużą skalę. system magazynowania energii w postaci akumulatorów sodowo-jonowych oddany do użytku w istniejących raportach osiągnął skalę zaledwie 1 MWh.

Akumulatory glinowo-jonowe charakteryzują się dużą teoretyczną pojemnością i dużymi rezerwami. Kierunkiem badań jest również zastąpienie akumulatorów litowo-jonowych, ale nie ma jasnej ścieżki komercjalizacji. Popularna ostatnio indyjska firma ogłosiła, że ​​w przyszłym roku skomercjalizuje produkcję akumulatorów aluminiowo-jonowych i zbuduje magazyn energii o mocy 10 MW. Poczekajmy i zobaczmy.

Poczekaj i zobacz

Akumulatory metalowo-siarkowe/tlenowo-powietrzne: w tym akumulatory litowo-siarkowe, litowo-tlenowo-powietrzne, sodowo-siarkowe, akumulatory aluminiowo-powietrzne itp. o większej gęstości energii niż akumulatory jonowe. Obecnym przedstawicielem komercjalizacji są baterie sodowo-siarkowe. NGK jest obecnie wiodącym dostawcą systemów baterii sodowo-siarkowych. Na ogromną skalę, który został oddany do użytku, to akumulator sodowo-siarkowy o mocy 108 MW/648 MWh w Zjednoczonych Emiratach Arabskich.

4. Chemiczne magazynowanie energii: Dziesięciolecia temu Schrödinger napisał, że życie zależy od uzyskania ujemnej entropii. Ale jeśli nie polegasz na energii zewnętrznej, entropia wzrośnie, więc życie musi przejąć władzę. Życie znajduje swoją drogę i aby magazynować energię, rośliny przekształcają energię słoneczną w energię chemiczną w materii organicznej poprzez fotosyntezę. Chemiczne magazynowanie energii od samego początku było naturalnym wyborem. Chemiczne magazynowanie energii było solidną metodą magazynowania energii dla ludzi, odkąd przekształciło wolty w stosy elektryczne. Jednak komercyjne wykorzystanie wielkoskalowych magazynów energii dopiero się rozpoczęło.

Magazynowanie wodoru, metanol itp.: Energia wodoru ma wyjątkowe zalety w postaci wysokiej gęstości energii, czystości i ochrony środowiska i jest powszechnie uważana za idealne źródło energii w przyszłości. Trasa produkcji wodoru → magazynowanie wodoru → ogniwo paliwowe jest już w drodze. Obecnie w moim kraju zbudowano ponad 100 stacji tankowania wodoru, plasujących się w czołówce na świecie, w tym największa na świecie stacja tankowania wodoru w Pekinie. Jednak ze względu na ograniczenia technologii przechowywania wodoru i ryzyko wybuchu wodoru, pośrednie magazynowanie wodoru reprezentowane przez metanol może również stanowić istotną ścieżkę dla przyszłej energii, takiej jak technologia „ciekłego światła słonecznego” zespołu Li Can w Dalian Institute Chemii Chińskiej Akademii Nauk.

Baterie pierwotne metalowo-powietrzne: reprezentowane przez baterie aluminiowo-powietrzne o dużej teoretycznej gęstości energii, ale postępy w komercjalizacji są niewielkie. Phinergy, reprezentatywna firma wymieniana w wielu raportach, używała w swoich pojazdach akumulatorów aluminiowo-powietrznych. Tysiąc mil, wiodącym rozwiązaniem w zakresie magazynowania energii są akumulatory cynkowo-powietrzne.