Электрический накопитель: Накопители электроэнергии для частного дома – купить, цены

Содержание

Накопители электроэнергии — инновации на протяжении 138 лет — Будущее на vc.ru

В конце 19 века в мире появились первые электрические сети. С этого момента ученые и начали искать способы накопления и хранения электроэнергии. Возможность собирать излишки вырабатываемой энергии в периоды низкого спроса и возвращать ее в период повышенного спроса помогает сгладить пики производства и потребления.

{«id»:165554,»type»:»num»,»link»:»https:\/\/vc.ru\/future\/165554-nakopiteli-elektroenergii-innovacii-na-protyazhenii-138-let»,»gtm»:»»,»prevCount»:null,»count»:0}

{«id»:165554,»type»:1,»typeStr»:»content»,»showTitle»:false,»initialState»:{«isActive»:false},»gtm»:»»}

{«id»:165554,»gtm»:null}

1574 просмотров

За последние 100 лет изобрели и продолжают изобретать множество разновидностей накопителей. Одни превращают электрическую энергию в механическую, как гидроаккумулирующие станции и маховики, другие преобразовывают электроэнергию в химическую энергию веществ внутри батарей, как свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, натрий-серные, литий-ионные аккумуляторы и др.

Самым старым видом промышленного накопителя, а в России он оставался единственным применяемым в электрических сетях до 2018 года, является гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС). Принцип действия прост. Во время спада потребления, например, ночью, невостребованная электроэнергия запускает работу насосов, которые перекачивают воду наверх в специальный бассейн, а в пики потребления вода падает обратно в водохранилище, вращая турбины генератора, — вырабатывается электрическая энергия. Первую гидроаккумулирующую станцию построили в 1882 году в Швейцарии. В России первая ГАЭС появилась всего 52 года назад на Кубани, мощностью 15,9 МВт.

Фото Кубанской ГАЭС из Википедии

Электрохимические аккумуляторы различаются по энергоемкости, мощности, количеству циклов заряд/разряд, наличию или отсутствию эффекта памяти, скорости, с которой аккумулятор вбирает в себя энергию и отдает. В зависимости от характеристик разные типы накопителей служат для разных целей. Например, никель-кадмиевый занял нишу в авиации благодаря низкому сопротивлению, способности отдавать большую мощность без перегрева, устойчивой работе при -60°C — 60°C. Несмотря на дорогую утилизацию аккумуляторов из-за токсичности и летучести кадмия во время плавки, этим батареям не нашли замены при применении в устройствах, где требуется обеспечить высокий уровень надежности.

Самой популярной и универсальной электрохимической батареей удалось стать литий-ионному накопителю. Он характеризуются большим количеством циклов заряд/разряд — до 10 тыс., хорошей плотностью накапливаемой энергии, высоким напряжением по сравнению с другими аккумуляторами, способностью быстро заряжаться и ничтожно малым эффектом памяти.

{ «osnovaUnitId»: null, «url»: «https://booster.osnova.io/a/relevant?site=vc&v=2», «place»: «between_entry_blocks», «site»: «vc», «settings»: {«modes»:{«externalLink»:{«buttonLabels»:[«\u0423\u0437\u043d\u0430\u0442\u044c»,»\u0427\u0438\u0442\u0430\u0442\u044c»,»\u041d\u0430\u0447\u0430\u0442\u044c»,»\u0417\u0430\u043a\u0430\u0437\u0430\u0442\u044c»,»\u041a\u0443\u043f\u0438\u0442\u044c»,»\u041f\u043e\u043b\u0443\u0447\u0438\u0442\u044c»,»\u0421\u043a\u0430\u0447\u0430\u0442\u044c»,»\u041f\u0435\u0440\u0435\u0439\u0442\u0438″]}},»deviceList»:{«desktop»:»\u0414\u0435\u0441\u043a\u0442\u043e\u043f»,»smartphone»:»\u0421\u043c\u0430\u0440\u0442\u0444\u043e\u043d\u044b»,»tablet»:»\u041f\u043b\u0430\u043d\u0448\u0435\u0442\u044b»}} }

Литий-ионную батарею разрабатывали и совершенствовали в 1970-1991 годах Джон Гуденаф, Стэнли Виттингхэм и Акира Ёсино, а в 2019 году ученым присудили Нобелевскую премию по химии за изобретение.

Сегодня литий-ионные аккумуляторы используют в смартфонах, ноутбуках, электромобилях, домашних хозяйствах, и энергетических системах.

Неэкологичный накопитель для экологичных электростанций

Последние 10 лет остро стоит вопрос об использовании накопителей, преимущественно литий-ионных, рядом с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) — солнечными и ветряными станциями. Ночью, в пасмурные дни на солнечных электростанциях или в безветренную погоду на ветряных электростанциях, когда выработка энергии падает, накопитель отдает в сеть запасенную электроэнергию. Тем самым обеспечивает бесперебойное питание. Казалось бы, вот он способ покрыть минусы ВИЭ и использовать исключительно экологичную электроэнергию.

В России в феврале 2020 года была запущена первая солнечная электростанция с накопителем энергии на основе литий-ионных аккумуляторов емкостью 8 МВт-ч — в Башкирии.

Крупнейшая в мире литий-ионная накопительная система суммарной мощностью 193,5 МВт-ч соединена с ветряной станцией Хорнсдейл и функционирует в Южной Австралии. С гигантской батареей связана история про спор в Твиттере Илона Маска и генерального директора Atlassian Майком Кэннон-Бруксом. Пари заключалось в том, что Tesla построит накопительную систему емкостью 100 МВт-ч за 100 дней с момента подписания контракта, и, если не уложится в срок, сделает это бесплатно. Илон Маск бросил вызов и выполнил условия.

К сожалению, производство и утилизация литий-ионных батарей не отличаются экологичностью. При переработке аккумуляторы плавят и с помощью химических реакций восстанавливают металлы. Процесс сопровождается выбросом токсичных веществ, а полученные материалы имеют более низкое качество по сравнению с исходными. При этом часть вредных веществ остается после переработки и будет храниться тысячи лет, загрязняя почву.

Срок действия накопителя в электрокаре — 15-20 лет, масса одного аккумулятора, например, в Tesla — 540 кг. Оценивается, что в 2020 году в мире ездят 7,6 млн электромобилей. Следовательно, через пару десятков лет мир столкнется с необходимостью переработки 4 тысяч тонн литий-ионных аккумуляторов.

Не говоря уже о том, что США, Австралия, Великобритания и др. развитые страны соревнуются в строительстве гигантских накопительных систем для электрических станций.

Получается, что расширяя возможности и географию станций, использующих возобновляемые источники энергии, компании вынуждены решать новые экологические проблемы, связанные с производством, переработкой и утилизацией батарей.

Алексей Голиков

Накопители электрической энергии для распределенных энергетических систем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

УДК 621.3 DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-4-219-230

Накопители электрической энергии

для распределенных энергетических систем

П.А. Хлюпин

Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ), 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1

Аннотация

Введение: в современной энергетике остро стоит проблема обеспечения электрической энергией малых и удаленных поселений и промышленных объектов, таких как нефтяные и газовые месторождения. Наиболее перспективными решениями этой проблемы считаются системы на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Одной из трудностей в их применении является потребность в накопителях электрической энергии. В настоящее время используется множество типов накопителей, действующих по разным принципам. Среди всех накопительных систем наибольший интерес представляют супермаховики, действующие по принципу механического накопления энергии.

Методы: проведен анализ систем накопления электрической энергии как существующих, так и новых перспективных разработок. Определены конструктивные элементы системы накопления электрической энергии на основе новых разработок в области машиностроения, энергетики и конструкционных материалов. Результаты и обсуждение: в ходе анализа выявлены основные достоинства и недостатки накопителей электрической энергии. Показана необходимость разработки и создания новых эффективных накопителей электрической энергии на основе принципа механического накопления потенциальной и кинетической энергии. В ходе анализа сделан вывод о том, что повышения эффективности систем накопления электрической энергии можно добиться за счет применения новых технологических решений с использованием супермаховиков и энергоэффективных обратимых электрических машин. Представлено решение по созданию энергоэффективного накопительного комплекса для электроэнергетической отрасли.

Заключение: разрабатываемый накопительный комплекс с использованием супермаховиков и энергоэффективных обратимых электрических машин позволяет повысить энергоэффективность классических генерирующих систем, а также энергосистем на основе возобновляемых источников энергии.

Ключевые слова: накопители электрической энергии, аккумулятор, электрический накопитель, механический накопитель, супермаховик

Для цитирования: Хлюпин П.А. Накопители электрической энергии для распределенных энергетических систем // Силовое и энергетическое оборудование. Автономные системы. 2019. Т. 2. Вып. 4. С. 219-230. DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-4-219-230

Адрес для переписки: Хлюпин Павел Александрович УГНтУ, 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1, [email protected]

Address for correspondence: Pavel Aleksandrovich Khlyupin

uSPTu, 1 Cosmonauts st., Ufa, 450062, Russian Federation, [email protected]

введение

В мировой энергетической системе прочно закрепился вектор развития зеленой энергетики, который направлен на использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), таких как ветер, солнце, вода, термальные источники, биоразлагаемые продукты и даже человеческое тело. Если большие города

© АПСЭО, 2019. Статья распространяется в открытом доступе

на условиях лицензии Creative Commons 4.0 CC BY-NC (https://creativecommons.Org/licenses/by-nc/4.0/)

и предприятия в основном используют в качестве источников электрической и тепловой энергии теплоэлектростанции (ТЭС), гидроэлектростанции (ГЭС), атомные электростанции (АЭС), то для обеспечения электрической энергией малых и удаленных поселений и промышленных объектов, таких как нефтяные и газовые месторождения, рассматриваются системы на основе возобновляемых источников энергии.

Данное решение позволяет значительно снизить затраты на строительство воздушных высоковольтных линий электропередач, силовых подстанций, а также дает возможность экономить моторное топливо в случае использования в качестве источника модульных дизельных электростанций. Однако применение ВИЭ связано с рядом трудностей, среди которых можно выделить значительные первоначальные финансовые вложения, нестабильность выработки электрической энергии, сравнительно большие эксплуатационные затраты, необходимость в создании системы накопления электрической энергии.

методы

Согласно [1-3], накопители электрической энергии можно объединить в несколько групп:

• термальные накопители;

• химические накопители;

• электрохимические накопители;

• электрические накопители;

• механические накопители.

Термальные накопители сохраняют энергию посредством аккумуляции агента высокой или низкой температуры в замкнутом пространстве. В случае с сохранением энергии в формате высокотемпературного агента используются технологии теплообменных аппаратов и экономайзеров. В этом случае теплота отработавших дымовых газов идет на разогрев воды, которая свою очередь используется для обогрева помещений либо другой технологической жидкости [3]. Примером комплекса сохранения энергии с низкой температурой служит система по охлаждению зданий. В часы с малым энергопотреблением происходит заморозка воды, а в рабочее время с помощью теплообменника идет охлаждение здания, при этом энергия на кондиционирование не затрачивается [4].

Химические накопители энергии известны человечеству с давних пор, в основном применяются такие наиболее простые по реализации источники, как природные ископаемые (нефть, газ, уголь и т.д.) и биологические продукты (древесина). В основном используется тепловая энергия, выделившаяся в результате разрыва высокоэнергетических связей при участии окислителя с образованием низкоэнергетических химических связей.

В наши дни максимальный интерес с точки зрения энергоемкости и эффективности представляет водород, наиболее распространенный химический элемент на земле и в космосе. В чистом виде водород в природе не встречается, зато в большом количестве представлен в химических соединениях, среди которых самым распространенным является вода. Из воды водород можно выделить с помощью электролиза, т.е. затратив определенное количество энергии. Несомненным плюсом водородной энергетики является возможность транспортировки водорода и широкий спектр его использования [5].

Хранится водород в сжиженном, адсорбированном или сжатом газообразном состоянии, что в определенной степени влияет и на его использование, так как водород в смеси с кислородом становится взрывоопасным и легко воспламеняется, в связи с чем данный вид химического накопителя до сих пор не получил широкого распространения. Например, в газообразном состоянии водород занимает почти в 40 раз больше объема, чем обычный бензин и в случае нарушения герметичности контейнера моментально испаряется. При хранении в жидком состоянии требуется поддерживать очень низкую температуру. При этом следует иметь в виду, что температурный диапазон перехода водорода из жидкого состояния в газообразное достаточно мал — от точки кипения -253 °С до точки затвердевания -256 °С. Если превысить точку кипения, то водород станет газообразным.

Для снижения энергозатрат водород можно хранить в виде жидких химических соединений: аммиака, метанола, этанола. Следует учитывать тот факт, что данное хранение может быть однократным и для наиболее эффективного использования энергии следует выделять водород из данных соединений, нежели сжигать их напрямую.

К наиболее эффективным способам можно отнести хранение водорода в гидридной форме, что позволяет снизить объемы сосудов для хранения, исключить энергозатраты на создание определенных условий, упростить транспортирование до мест использования [6]. Из гидридов металлов водород можно получить двумя способами: диссоциацией и гидролизом. Гидролиз позволяет выделить вдвое больше водорода, чем находится в гидриде, но процесс необратим. Получение водорода термической диссоциацией гидрида позволяет создать накопители водорода, и при незначительном изменении температуры и давления в системе происходит изменение равновесия реакции образования гидрида. В зависимости от направления использования применяются следующие соединения: гидрид ванадия (диссоциация около -3 °С), гидрид магния (диссоциация около 297 °С), гидрид железо-титанового сплава (диссоциация около 97 °С).

Технология применения водорода как элемента для хранения электрической энергии, создаваемой ВИЭ, может быть реализована следующим способом. Вырабатываемый избыток электрической энергии используется для извлечения водорода методом электролиза, а во время нехватки генерируемой энергии созданный водород служит топливом для выработки недостающего объема электрической энергии. Однако КПД данной системы достаточно небольшой.

Электрохимические накопители (гальванические элементы, батареи) используют энергию емкости химических реакций для накопления и возврата энергии. Различают два основных типа электрохимических накопителей энергии:

• накопители, которые разряжаются только один раз и не могут заряжаться вновь, поскольку только химическая энергия связей может преобразовываться в электрическую, а обратная реакция и новый заряд невозможны;

• накопители, которые могут вновь заряжаться посредством подачи электрической энергии. Они являются промежуточными накопителями электрической энергии.

В свою очередь электрохимические накопители электрической энергии можно подразделить на электрохимические аккумуляторы, проточные аккумуляторы и суперконденсаторы (ионисторы).

Наиболее распространенными электрохимическими аккумуляторами являются свинцово-кислот-ные, никель-кадмиевые (NiCd), никель-металл-гидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion), литий-ион полимерные (Li-ion-роНтег). КПД кислотных аккумуляторов составляет 70…80 %, Ni-Cd — 70…90 %, Ni-MH — 65.80 %, серно-натриевых при 3500 °С — 75.90 %, на основе лития — 60.95 % [7].

Во всем мире ведутся работы по созданию новых типов электрохимических аккумуляторов, среди которых можно выделить литий-серные батареи [8], обладающие более высокой плотностью энергии по сравнению с другими аккумуляторами при аналогичных массогабаритных показателях, а также би-углеродные (газовые) аккумуляторы, представляющий собой химический источник тока, основанный на обратимых окислительно-восстановительных реакциях. При зарядке на электродах выделяются газы, которые поглощаются адсорбентом, содержащим углерод. С появлением тока нагрузки происходит их соединение с образованием электрического тока. Энергоемкость газовых аккумуляторов в наши дни достигает 100 Вт-ч/кг. Недостатками газовых аккумуляторов являются быстрое старение, проявление эффекта памяти, высокий риск возгорания и значительная стоимость.

Перспективными считаются полностью углеродные батареи, где анод и катод полностью выполнены из углерода. Данное решение позволяет сделать батарею безопасной, исключить возгорание, уменьшить время заряда батареи в 20 раз, снизить массу и габариты, увеличить срок работы, а также количество циклов зарядки/разрядки в 6 раз по сравнению с Li-ion-аккумуляторами [9].

Проточные аккумуляторы (flow battery) можно считать промежуточным звеном между аккумулятором и топливным элементом, и они также считаются аккумуляторами будущего. Принцип действия подобных накопителей энергии заключается в наличии двух емкостей: в одной находится электролит с положительным зарядом в другой — с отрицательным. С помощью двух насосов оба электролита под давлением прокачиваются через специальную ячейку, где взаимодействуют через тонкую мембрану. Таким образом происходит выработка электрического тока. Данная система накопления электрической энергии — единственная, которая имеет жидкие электроды, что позволяет безопасно эксплуатировать их, исключить возгорание, а также быстро осуществить подзарядку, для чего достаточно сменить контейнеры с жидкостью [10]. Достоинствами такой системы являются количество циклов заряда/разряда — до 6000 циклов, устойчивость к высоким токам заряда. К недостаткам таких аккумуляторов относятся ограниченная энергоемкость — до 32 Вт-ч/кг, вызванная пределом концентрации солей, и высокая стоимость [11].

Суперконденсаторы (ионисторы) являются промежуточным звеном между мощными конденсаторами и слабыми электрохимическими аккумуляторами, в них процесс запасания энергии осуществляется посредством разделения заряда на двух электродах с высокой разностью потенциалов между ними. Особенностью накопления энергии суперконденсаторами является необходимость создания большой поверхности контакта электролита с электронным проводником. Суперконденсаторы обладают большим количеством циклов заряда/разряда (до 1 000 000) с непродолжительным временем заряда в сравнении с химическими аккумуляторами, в отличие от химических аккумуляторов они обладают существенно меньшей энергоемкостью, повышенной удельной мощностью и отсутствием ограничений по глубине разряда.

Электрические накопители подразделяют на два вида: конденсаторные и индуктивные. В конденсаторе заряд сохраняется в электрической форме, тем самым обеспечивается высокий КПД — до 90 %. Однако при всей своей надежности емкость данных накопителей не высока и подходит лишь для сглаживания кратковременных провалов электрического питания.

В свою очередь индуктивный накопитель, который хранит энергию в виде магнитного поля, может сохранять ее достаточно продолжительное время с весьма высоким КПД (порядка 95 %). Потери вызваны необходимостью поддержания низких температур и наличием инвертора. Но следует отметить тот факт, что эффективность индуктивных накопителей проявляется лишь в случае, когда катушка выполнена из сверхпроводящего материала, что повышает стоимость накопителя, поэтому его выгоднее использовать непродолжительное время для повышения качества энергии.

Еще в одну группу объединены механические накопители, которые запасают кинетическую и (или) потенциальную энергию. Подобных накопителей достаточно много, но наиболее распространенными среди них являются аккумуляторы сжатого воздуха, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), гидравлические аккумуляторы, железнодорожные накопители, маховики.

Крупномасштабными накопителями являются гидроаккумулирующие электростанции (рис.), к преимуществу которых в сравнении с тепловыми и атомными станциями относится высокая маневренность в режиме покрытия пиковых нагрузок. Время запуска составляет не более 50 мин. ГАЭС выполняют функцию перераспределения по времени электрической энергии и мощности. Во время пониженных нагрузок ГАЭС работает как насосная станция и перекачивает энергию из нижнего бьефа 3 в верхний бьеф 1 (см. рис.). Таким образом запасается гидроэнергия за счет подъема воды до верхнего уровня бьефа. В часы пикового потребления электрической энергии ГАЭС работает как гидроэлектростанция и вода из верхнего бьефа 1 по водоводу 2 через турбины, расположенные в здании ГАЭС 4, спускается в нижний бьеф 3, заставляя работать генераторы, поставляющие электрическую энергию в энергетическую сеть.

За счет разности в тарифах заряд (подъем жидкости) происходит в часы действия дешевого тарифа (ночью), а разряд — в период максимальной стоимости электрической энергии.

Схема гидроаккумулирующей станции: 1 — верхний бьеф; 2 — водовод; 3 — нижний бьеф; 4 — здание ГАЭС

Подобным способом невозможно сохранить непосредственно электрическую энергию, но он позволяет преобразовать электрическую энергию в потенциальную энергию воды, а затем преобразовать ее в элек-

1

трическую, когда того потребует потребитель. КПД подобной системы зависит от количества питательных насосов, разницы в уровне бьефов, типа используемых турбин и находится в диапазоне 65…85 % [12]. Применять данный тип накопителей повсеместно не представляется возможным из-за климатических условий. При отрицательных температурах высока вероятность промерзания бьефов и водоводов, что потребует дополнительных систем подогрева, что снизит изначальный КПД системы.

Гидравлические аккумуляторы — резервуары с несжимаемой жидкостью, работающие под давлением и позволяющие накапливать энергию сжатого газа (пружины) и в дальнейшем передавать ее в гидросистему в виде потока жидкости, находящейся под давлением для использования ее энергии в гидроприводе. Существуют конструкции с накоплением потенциальной энергии поднятых грузов. Гидравлические аккумуляторы бывают трех типов: баллонные, поршневые и мембранные.

Принцип работы у всех гидравлических аккумуляторов схож, различается лишь орган передачи энергии (пружина, поршень или мембрана). КПД данных накопителей достигает 95 %, за исключением газовых, где потери идут на образование тепла при сжатии и расширении газа [13].

Еще одним типом механических накопителей, активно развивающимся в последнее время в США, являются железнодорожные накопители ARES (Advanced Rail Energy Storage), которые используют потенциальную энергию и представляют собой весьма громоздкую конструкцию. Принцип работы данных систем напоминает работу ГАЭС, только вместо воды используются железнодорожные составы, каждый из которых выступает как отдельная система накопления энергии. В системе существуют верхняя и нижняя станции для расположения составов. В период низкого потребления электрической энергии состав поднимается на станцию, расположенную в верхней точке горы, где останавливается до момента пикового энергопотребления. После чего состав начинает спускаться вниз, при этом торможение включает в работу генераторы, установленные на железнодорожном составе, так происходит выработка энергии в сеть. Эффективность такой системы доходит до 80 %, а генерируемые мощности в зависимости от требований энергосистемы могут составлять от 2 до 24 МВт-ч [14].

Среди механических накопителей энергии наибольший интерес вызывают супермаховики (FESS -Flywheel Energy Storage System). В различной литературе [1, 15, 16] именно электромеханические накопители считаются наиболее эффективными с точки зрения емкости запасаемой энергии и количества циклов заряда/разряда. В прошлом подобные накопители не представляли интереса, так как запасенная энергия быстро расходовалась на преодоление сил трения, а максимальная скорость заряда ограничивалась механическими свойствами подшипников. Однако с появлением новых технологий данные накопители электрической энергии все больше привлекают внимание у потребителей.

Принцип работы данных систем заключается в преобразовании электрической энергии в механическую посредством электродвигателя, вал которого вращается на магнитных подвесах в вакуумированном кожухе. Последующий возврат происходит за счет обратного преобразования накопленной кинетической энергии в сеть с помощью электрогенератора.

Запасаемая энергия маховиком находится по формуле

где J — момент инерции маховика; ю — угловая скорость.

При определенных условиях плотность запасаемой энергии может составлять 1000 Вт-ч/кг, а срок службы — более 20 лет [16].

Конструктивно электромеханический накопитель может быть представлен электродвигателем с обратимыми свойствами, который либо связан с маховиком через полумуфту, либо расположен с ним на одном валу.

В случае расположения обратимой электрической машины и маховика на одном валу в режиме накопления будет запасаться максимальное количество энергии в сравнении с конструкцией, где присутствует связь через полумуфты. Конструкция супермаховика на одном валу может быть реализована для накопителей небольшой мощности. Это вызвано физическими особенностями материала, из которого изготавливается маховик. До недавнего времени таким материалом были конструкционные стали, которые не обеспечивают достаточной прочности на разрыв при высоких скоростях. Также при расположении обратимой электрической машины на одном валу с маховиком в случае отключения питания двигателя и переходе в режим генерации накопленная механическая энергия практически сразу переходит обратно в электрическую. Если к обратимой электрической машине не подключить нагрузку, то на выводах будет

E=0,5 Ja1,

(1)

вырабатываться ЭДС холостого хода, что в свою очередь через непродолжительное время приведет к потере всей запасенной энергии. Поэтому при расположении обратимой электрической машины на одном валу с маховиком переход от режима накопления к режиму разряда следует проводить в достаточно короткий промежуток времени. Таким образом данная система не подходит для длительного хранения энергии и регулируемого возврата энергии потребителю.

Для создания сверхмощных систем накопления электрической энергии автор предлагает использовать супермаховик с обратимой электрической машиной и маховиком, которые связаны между собой электромагнитной муфтой. Данное решение позволяет:

• выполнить маховик из композитных материалов, что увеличит прочность на разрыв и позволит повысить скорость вращения;

• изолировать маховик от обратимой электрической машины посредством полностью управляемой электромагнитной муфты;

• использовать новую конструкцию генератора на основе асинхронного двигателя с короткозамкну-тым ротором;

• применить активный магнитный подвес в сочетании с вакуумной оболочкой для исключения влияния трения.

Из результатов аналитического обзора можно сделать вывод о том, что перспективными с точки зрения накопления электрической энергии в больших объемах являются электромеханические накопители на основе супермаховиков. Применение данных накопителей электрической энергии позволит увеличить емкость запасаемой энергии при наиболее эффективном соотношении массы и габаритов.

Перед разработчиками стоит задача создания комплекса запасания электрической энергии на основе супермаховиков для нужд энергетической системы Российской Федерации. Наиболее актуальным является применение данных систем в составе энергообъектов, осуществляющих генерацию на основе возобновляемых источников электрической энергии.

литература

1. Козлов С.В., Киндряшов А.Н., Соломин Е.В. Анализ эффективности систем накопления энергии // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2015. № 2. С. 29-34. DOI: 10.15518/isjaee.2015.02.004

2. Батырь А. Накопитель энергии. Направления для научно-технических исследований: откуда ждать прорыв? // Энерговектор. 2013. № 9. С. 10. URL: http://www.energovector.com/files/ev09-2013.pdf

3. Городов Р.В., Губин В.Е., Матвеев А.С. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2009. 294 с.

4. Wen D.S., Chen H.S., Ding Y.L., Dearmanb P. Liquid nitrogen injection into water: pressure build-up and heat transfer // Cryogenics. 2006. No. 46. Рр. 740-748. DOI: 10.1016/j.cryogenics.2006.06.007

5. Sethakul P., Rael S., Davat B., Thounthong Р. Fuel cell high power applications // IEEE Industrial Electronics Magazine. 2009. Vol. 3. No. 1. Pp. 32-46. DOI: 10.1109/mie.2008.930365

6. Тарасов Б.П., Лотоцкий М.В., Яртысь В.А. Проблема хранения водорода и перспективы использования гидридов для аккумулирования водорода // Российский химический журнал. 2006. Т. 50. № 6. С. 34-48. URL: http:// www.chem.msu.su/rus/jvho/2006-6/34.pdf

7. Сравнение аккумуляторных систем и установок на основе топливных элементов // ИнЭнерджи. URL: http:// www.inenergy.ru/info/articles/sravnenie-akkumulyatornykh-sistem-i-ustanovok-na-osnove-toplivnykh-elementov/ (дата обращения 24.12.2019).

8. Окашин Р. Ученые приблизились к созданию эффективных литий-серных батарей // Хайтек+. URL: https:// hightech.plus/2018/10/17/-uchenie-priblizilis-k-sozdaniyu-effektivnih-litii-sernih-batarei (дата обращения: 24.12.2019).

9. Би-углеродный аккумулятор // Деалан Энерго. URL: https://dealanenergo.ru/Statiy/bi-uglerodnyy-akkumulyator (дата обращения: 20.12.2019).

результаты и обсуждение

заключение

Khlyupin PA. RENEWABLE

Electric energy storage units for distributed energy systems SOURCES OF ENERGY

10. Проточные аккумуляторы — 1000 км на одной зарядке // AccumulyatorAvto.ru. URL: https://akkumulyatoravto. ru/vybor-akb/vidy/protochnye-akb.html (дата обращения: 18.12.2019).

11. Сравнение аккумуляторных систем и установок на основе топливных элементов // ИнЭнерджи. URL: http:// www.inenergy.ru/info/articles/sravnenie-akkumulyatornykh-sistem-i-ustanovok-na-osnove-toplivnykh-elementov/ (дата обращения: 24.12.2019).

12. Sorensen В. Renewable energy: its physics, engineering, use, environmental impacts, economy, and planning aspects. Amsterdam, Boston : Academic Press, 2004. 928 р.

13. Гидравлические аккумуляторы // Гидролидер. URL: https://hydrolider.net/p307560143-gidravlicheskie-akkumulyatory.html (дата обращения: 24.12.2019).

14. Grid scale energy storage. Ares North America // ARES. URL: https://www.aresnorthamerica.com/grid-scale-energy-storage (дата обращения: 24.12.2019).

15. СоколоваМ.А., ТомасоваВ.С., ЯстржебскиР.П. Сравнительный анализ систем запасания энергии и определение оптимальных областей применения современных супермаховиков // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. № 4 (92). С. 149-155. URL: https://ntv.ifmo.ru/ru/article/10359/sravnitelnyy_ analiz_sistem_zapasaniya_energii_i_opredelenie_optimalnyh_oblastey_primeneniya_sovremennyh_supermahovikov.htm

16. Конесев С.Г., Хабибуллин Т.Р. Методы аккумулирования электроэнергии // Повышение надежности и энергоэффективности электротехнических систем и комплексов : межвуз. сб. науч. тр. (с междунар. участием) / отв. ред. В.А. Шабанов. Уфа : Энергодиагностика, 2018. С. 231-235.

Поступила в редакцию 15 октября 2019 г. Принята в доработанном виде 6 ноября 2019 г. Одобрена для публикации 16 декабря 2019 г.

Об авторе: Хлюпин Павел Александрович — кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и электрооборудования, Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНтУ), 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1, [email protected]

Electric energy storage units for distributed energy systems

P.A. Khlyupin

Ufa State Petroleum Technological University (USPTU), 1 Kosmonavtov st., 450062 Ufa, Bashkortostan Abstract

Introduction: there is much concern about power supply to small and remote villages and industrial facilities, such as crude oil and gas fields, in the present-day power industry. Systems using renewable energy sources are the most innovative solutions to this problem. The need for electric energy storage units complicates the use of renewable energy sources. Versatile types of storage units, working on different principles, are in use now. Flywheels, working on the principle of mechanical accumulation of energy, are of particular interest.

Methods: both traditional and advanced designs of electric energy accumulation systems are analyzed in the article. Recent advancements in machine building, power engineering and structural materials are contributed into structural elements of an electric energy accumulation system.

Results and discussion: basic strengths and weaknesses of electric energy storage units were identified in the course of the analysis. The author substantiated the need for new effective electric energy storage units working on the principle of mechanical accumulation of potential and kinetic energy. The conclusion is that advanced engineering solutions, such as flywheels and energy efficient reversible electric machines, can boost the efficiency of electric power storage systems. The solution underlying the design of an energy efficient storage unit is offered to electric power industry players. conclusion: the storage unit under development has flywheels and energy efficient reversible electric machines. It improves the energy efficiency of both classical power generation systems and those using renewable energy sources.

© PGSMA, 2019. This is an open access article distributed under the terms

of the Creative Commons License 4.0 CC BY-NC (https://creativecommons.Org/licenses/by-nc/4.0/)

Keywords: electric energy storage units, accumulator, electricity-powered storage unit, mechanical storage unit,

flywheel

For citation: Khlyupin P.A. Electric energy storage units for distributed energy systems. Power and Autonomous

Equipment. 2019; 2(4):219-230. DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-4-219-230.

introduction

The global energy system follows the development trend for green energy which means using renewable sources of energy, i.e. wind, sun, water, thermal water, thermal springs, biodegradable products and even a human body. While major cities and enterprises have thermal power, hydropower and nuclear power stations as sources of electric and thermal energy, renewable serve small and remote facilities, such as crude oil and gas fields.

This solution helps to drastically cut the costs of constructing high-voltage overhead lines and power stations. It also saves motor fuel if modular diesel power generators are applied as a source of energy. However the use of renewable energy sources is accompanied by a number of difficulties, including substantial initial financial investments, instable electric energy generation, comparatively high operating costs, and a need for a system of electric energy storage.

methods

According to [1-3], electric energy storage units can be grouped in the following way

• thermal storage units;

• chemical storage units;

• electrochemical storage units;

• electric storage units;

• mechanical storage units.

Thermal storage units store energy by accumulating the high or low temperature agent in a confined space. In case that the energy is stored in the high-temperature medium, heat exchanger and economizer technologies are applied. Hence, flue gas heat serves to heat the water, which, in its turn, heats premises or other process liquids [3]. A building cooling system serves as an example of a low-temperature energy storage facility. Water freezes during the period of low energy consumption, and a heat exchanger is used to cool down buildings during working hours; therefore, no energy is wasted on air conditioning [4].

The humankind has been aware of chemical units used to store energy for ages. The most widely used sources are as simple as mineral resources (crude oil, gas, coal, etc.) and biological products (timber). The most widely used type of energy is thermal energy, emitted as a result of the bond rupture caused by an oxidizer and followed by formation of low-energy chemical bonds.

Hydrogen, the most widely spread chemical element on Earth and in the outer space, is of particular interest in terms of its energy capacity and efficiency. Isolated hydrogen is unavailable in the natural environment, although it is a frequent constituent of numerous chemical compounds, of which water is the most widely spread one. Hydrogen can be split off by way of electrolysis that consumes some energy. Hydrogen transportability and extensive usability are the apparent strengths of hydrogen-based power generation [5].

Hydrogen is stored in liquefied, adsorbed, or compressed gaseous conditions, that, to some extent, influence its uses. However hydrogen, mixed with oxygen, turns explosive and highly flammable; therefore, this type of energy storage is not widely spread yet. For example, gaseous hydrogen occupies 40 times the space of ordinary gasoline, and in case of the sealing loss, it vapours away in less than no time. If stored in the liquefied condition, very low temperature must be maintained. It is noteworthy that the temperature range for its transition from liquid into gas is quite narrow, from the boiling point at -253 °C to the freezing point at -256 °C. If the boiling point is exceeded, hydrogen turns into gas.

Hydrogen can be stored as a component of liquid chemical compounds, including ammonia, methanol, and ethanol, to reduce energy consumption. It is noteworthy that these hydrogen storing methods are non-recurrent; therefore, hydrogen should be extracted from these compounds, rather than burnt, to assure the most efficient energy use.

Most efficient storage methods include hydrogen storage as a hydride, as in this case, the volume of containers is reduced, no power is consumed to assure particular storing conditions; besides, hydrogen transportation towards the place of its consumption is thus made simpler [6]. Dissociation and hydrolysis are applied to extract hydrogen from metal hydrides. Hydrolysis enables the extraction of a double amount of hydrogen if compared to the one contained in a hydride; however, this process is irreversible. Hydrogen extraction through thermal dissociation of hydrides makes it possible to produce hydrogen storage units. In case of any insignificant temperature and pressure change in system, the balance of a hydride generation reaction is destroyed. The following compounds are used for this purpose: vanadium hydride (dissociation at about -3 °C), magnesium hydride (dissociation at about 297 °C), iron-titanium alloy hydride (dissociation at about 97 °C).

Hydrogen is used to store electric energy, generated by renewable sources, in the following way. Any surplus energy, thus generated, is used to liberate hydrogen by means of electrolysis, while during the period of insufficiency of the energy thus generated, extracted hydrogen is used as the fuel covering the outstanding need for electric energy. However the efficiency of this system is rather low.

Electrochemical storage units (galvanic elements, batteries) use the energy, emitted in the course of chemical reactions, accumulate it and make it available. There are two main groups of electrochemical storage units:

• storage units that get discharged only once and cannot be recharged anymore, because only the chemical energy of bonds can be converted into electric energy, while no reverse reaction or further charging are possible;

• storage units that are chargeable by electric energy. They serve as intermediate electric energy storage units.

In their turn, electrochemical storage units can be broken down into electrochemical batteries, flow batteries

and ultracapacitors.

Most widely spread electrochemical batteries include plumbum-oxide, nickel-cadmium (NiCd), nickel-metal-hydride (NiMH), Li-ion, and Li-ion-polymer ones. The efficiency of acidic-type batteries reaches 70…80 %, Ni-Cd — 70.90 %, Ni-MH — 65.80 %, sodium-sulfur at 3500 °C — 75.90 %, lithium — 60.95 % [7].

New types of electrochemical batteries are being developed worldwide, lithium-sulfur batteries [8] stand out from the crowd, as they demonstrate higher energy density if compared to other batteries having similar weight and dimensions, as well as bicarbon (gaseous) batteries representing a chemical source of current that is produced as a result of reversible oxidation-reduction reactions. In the course of charging, electrodes emit gases absorbed by the adsorbent that contains carbon. When the load current is applied, electric current is generated. The energy capacity of gaseous accumulators reaches 100 W-hour/kg. The weaknesses of gas accumulators include their fast ageing, memory effect, high flammability, and high cost.

The most attractive are carbon batteries, whose anodes and cathodes are made of carbon. This solution makes batteries safe, prevent inflammation, reduce the charging time 20-fold, reduce battery weight and dimensions, extend the service life and the number of charge/discharge cycles 6-fold in comparison with Li-ion accumulators [9].

Flow batteries can be considered as an intermediate between a battery and a fuel element, and they are also considered batteries of the future. Their functional concept consists in the two containers: one has a positively charged electrolyte, the other one — a negatively charged electrolyte. Two pumps are used to pump both electrolytes through a special cell, in which they interact through a thin membrane. This is the way electric current is generated. This energy accumulation system is the only one that has liquid electrodes that enable its safe use, prevent inflammation, and top up the battery sufficiently fast by replacing containers with the liquid [10]. The strengths of this system include the number of charging-discharging cycles — up to 6,000, and its insensitivity to high load currents. Their high cost and limited capacity are the weaknesses: up to 32 W-h/kg, caused by the limited concentration of salts [11].

Ultracapacitors are an intermediate link between strong condensers and low capacity electrochemical accumulators. Here, energy is accumulated by means of splitting the charge at the two electrodes that have a high difference of potentials between them. Energy accumulation by ultracapacitors requires an extensive contact surface to assure the contact between the electrolyte and the electronic conductor. Ultracapacitors have a high charging-discharging rate (up to 1,000,000), while the charging time remains short if compared to chemical accumulators, and, unlike chemical accumulators, they have a smaller energy storage capacity, higher specific capacitance and no limits in terms of the depth of discharge.

Electric storage units are broken down into capacitors and inductive storage units. Inside a capacitor, the charge is preserved in the electric form, thus, its efficiency is as high as 90 %. However, despite its reliability, the capacity of these units is not high and it can only cushion short-term power interruptions.

In its turn, an inductive storage unit, that stores energy as a magnetic field, is capable of storing it for a sufficiently extensive period of time, and the storage efficiency is quite high (about 95 %). Losses are caused by the need to maintain low temperatures and to run an inverter. However, it is noteworthy that the efficiency of inductive storage units is only manifested if the coil is made of a superconductive material, which boosts the cost of a storage unit; therefore, it is advisable to run it for a short period of time to improve the energy quality.

Another group has mechanical storage units that store kinetic and/or potential energy. There are many storage units of this kind, but the most widely spread ones are accumulators of pressurized air, pump storage power plants, hydraulic accumulators, advanced rail energy storage units, and flywheels.

Pump storage power plants (see the figure below) are high-capacity units of this kind. Their strengths, if compared to thermal and nuclear power plants, include high flexibility of operation in the mode of peak demand coverage. The starting time does not exceed 50 minutes. Pump storage power plants redistribute electric energy and capacity over the time. When the load is low, power plants operate as pumps and pump energy from lower basin 3 into upper basin 1 (see the figure). That’s how hydraulic energy is accumulated by means of water pumping into the upper basin. During peak hours, a pump storage power plant operates as a hydraulic power plant and water flows through water duct 2 from upper basin 1 through the turbines, installed in the power plant building, down to lower basin 3, and it starts the generators that supply electric energy into the grid.

Due to the difference in electric power rates, water pumping is performed at night (when energy is cheaper), while water flows down at the time when the electric energy rate is maximal.

Pump storage power plant operating scheme: 1 — upper basin; 2 — water duct; 3 — lower basin; 4 — building of a pump storage power plant

This methodology cannot be used to store electric energy itself, but it enables the conversion of electric energy into potential energy of water, which is then converted into electric energy, whenever a consumer is in need of it. The efficiency of this system depends on the number of pumps, the distance between the water levels of the basins, and the types of pipes, and it varies between 65.85 % [12]. These storage units cannot be used universally due to climatic conditions. When the temperature is below 0 °C, basins and water ducts may freeze, and if so, supplementary heating systems must be installed, and they may reduce the initial system efficiency.

Hydraulic accumulators are tanks containing incompressible liquid, they operate under pressure and enable accumulation of energy of compressed gas (a spring) and its delivery into the hydraulic system as a flow of liquid under pressure. Its energy is then used by the hydraulic drive. Some constructions accumulate the potential energy of lifted loads. Hydraulic accumulators are broken down into three types: bladder accumulators, piston accumulators, and membrane accumulators.

Their operational principle is the same, while energy transmission components are different (a spring, a piston or a membrane). The efficiency of these storage units reaches 95 %, except for gaseous ones, where energy is consumed by heat formation in the course of gas compression and expansion [13].

1

ARES (Advanced Rail Energy Storage) units represent another type of mechanical storage units, that have been intensively developing in the USA. They use potential energy and have extensive dimensions. The principle of their operation is similar to the one of a pump storage power plant, but railroad trains take the place of water there. Each train is used as an independent energy accumulation system. The system has an upper and a lower station where trains are located. When electricity consumption is low, the train goes up to the upper station, located on the top of a mountain, where it stops until energy consumption reaches its peak values. After that it starts rolling down and its breakage activates generators installed in it, which produce energy and wheel it into the grid. The system’s efficiency reaches 80 %, and the generated capacity may vary from 2 to 24 MW/ hour [14].

Flywheel Energy Storage Systems (FESS) are of particular interest among mechanical storage units. According to versatile sources [1, 15, 16], FESS are the most efficient storage units in terms of their storage capacity and charging/discharging cycles. In the past, these storage units aroused no interest, as any accumulated energy served to overcome the friction force, while the maximal charging velocity was limited by mechanical properties of bearings. However new technologies have turned these storage units more attractive among consumers.

Their principle of operation consists in conversion of electric energy into mechanic energy by an electric engine, whose shaft rotates with the help of a magnetic suspension system inside the vacuum envelope. The energy is provided due to conversion of accumulated kinetic energy performed by a power generator.

The amount of energy accumulated by a flywheel can be calculated according to the formula:

where J is the flywheel’s moment of inertia; © is the angular speed.

Under certain conditions, the density of the accumulated energy may reach 1,000 W-hour/kg, while the service life may exceed 20 years [16].

As for its construction, an electromechanical storage unit has an electric engine capable of reversible performance, which is connected either to a flywheel by a sleeve or placed on the same shaft with it.

If a reversible electric machine and a flywheel share the shaft, the amount of energy accumulated in the accumulation mode will exceed the same amount accumulated by a similar unit that has sleeves connecting structural elements. The construction of a flywheel that has an engine on the same shaft is feasible for small capacity storage engines. This feature appears due to the properties of the flywheel material. Until recently, flywheels were made of structural steels, which demonstrated sufficient tensile strengths at high velocities. Also, if a reversible electric machine is attached to the same shaft as the flywheel, in case of the engine power shutdown and the switch into the generation mode, any accumulated mechanical energy will almost immediately convert into electric energy. If no load is connected to a reversible electric machine, it will generate idle run voltage, which will cause the loss of any earlier accumulated energy some time later. Therefore, if a reversible electric machine is attached to the same shaft as a flywheel, any transition from the accumulation mode to the consumption mode must be performed as swiftly as possible. That’s why this system cannot be used for long-term storage of energy and regulated energy consumption.

The author offers the concept of a flywheel, composed of a reversible electric machine and a flywheel connected by an electromagnetic sleeve, as the basis for a prototype of a super-capacity energy storage unit. This solution enables:

• production of a flywheel of composite materials to boost tensile strength and rotation velocity;

• isolation of the flywheel from the reversible electric machine by a controllable electromagnetic sleeve;

• use of a novel construction for a generator that has an asynchronous engine and a short-circuit rotor;

• application of a magnetic suspension system in combination with a vacuum envelope to prevent friction.

The findings of the analytical review substantiate the conclusion that electromechanical storage units having flywheels are the most advanced ones in terms of electric energy storage. Their application will raise the energy

E=0,5 M2,

(1)

results and discussion

conclusion

capacity on condition of an efficient weight to dimensions ratio. Developers are to solve the problem of designing an electricity storage unit that has flywheels to cover the needs of the power supply system of the Russian Federation. The most relevant challenge is the application of these systems as part of power generation facilities using renewable energy sources.

references

1. Kozlov S.V, Kindryashov A.N., Solomin E.V. Analysis of energy storage systems Efficiency. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2015; 2:29-34. DOI: 10.15518/isjaee.2015.02.004 (rus.).

2. Batyr A. Energy storage. Directions for scientific and technical research: where to expect a breakthrough? Energy vector. 2013; 9:10. URL: http://www.energovector.com/files/ev09-2013.pdf (rus.).

3. Gorodov R.V, Gubin V.E., Matveev A.S. Unconventional and renewable energy sources. Tomsk, Publishing House of Tomsk Polytechnic University, 2009; 294. (rus.).

4. Wen D.S., Chen H.S., Ding Y.L., Dearmanb P. Liquid nitrogen injection into water: pressure build-up and heat transfer. Cryogenics. 2006; 46:740-748. DOI: 10.1016/j.cryogenics.2006.06.007

5. Sethakul P., Rael S., Davat B., Thounthong P. Fuel cell high power applications. IEEE Industrial Electronics Magazine. 2009; 3(1):32-46. DOI: 10.1109/mie.2008.930365

6. Tarasov B.P., Lototsky M.V, Yartys VA. The problem of hydrogen storage and the prospects of using hydrides for hydrogen storage. Russian Chemical Journal. 2006; 50(6):34-48. URL: http://www.chem.msu.su/eng/jvho/2006-6/34.pdf (rus.).

7. Comparison of battery systems and installations based on fuel cells. InEnergy. URL: http://www.inenergy.ru/info/ articles/sravnenie-akkumulyatornykh-sistem-i-ustanovok-na-osnove-toplivnykh-elementov/ (accessed 12.24.2019). (rus.).

8. Okashin R. Scientists are approaching the creation of effective lithium-sulfur batteries. Hightech+. URL: https:// hightech.plus/2018/10/17/-uchenie-priblizilis-k-sozdaniyu-effektivnih-litii-sernih-batarei (accessed 12.24.2019). (rus.).

9. Bi-carbon battery. Dealan energy. URL: https://dealanenergo.ru/statiy/bi-uglerodnyy-akkumulyator (accessed 12/20/2019). (rus.).

10. Flowing batteries — 1000 km per charge. AccumulyatorAvto.ru. URL: https://akkumulyatoravto.ru/vybor-akb/vidy/ protochnye-akb.html (accessed 12/18/2019). (rus.).

11. Comparison of battery systems and installations based on fuel cells. Inenergy. URL: http://www.inenergy.ru/info/ articles/sravnenie-akkumulyatornykh-sistem-i-ustanovok-na-osnove-toplivnykh-elementov/ (accessed 12.24.2019). (rus.).

12. Sorensen B. Renewable energy: its physics, engineering, use, environmental impacts, economy, and planning aspects. Amsterdam, Boston, Academic Press, 2004; 928.

13. Hydraulic accumulators. Hydrolider. URL: https://hydrolider.net/p307560143-gidravlicheskie-akkumulyatory.bski R.P. Comparative analysis of energy accumulation systems and determination of optimal application areas for modern super flywheels. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2014; 4(92):149-155. URL: https://ntv.ifmo.ru/ru/article/10359/sravnitelnyy_analiz_ sistem_zapasaniya_energii_i_opredelenie_optimalnyh_oblastey_primeneniya_sovremennyh_supermahovikov.htm (rus.).

16. Konesev S.G., Khabibullin T.R. Methods of electric energy storage. Improving the reliability and energy efficiency of electrical systems and complexes : interuniversity collection of scientific papers (with international participation) / ed. V.A. Shabanov. Ufa, Energy Diagnostics, 2018; 231-235. (rus.).

Received October 15, 2019.

Adopted in its final form on November 6, 2019.

Approved for publication December 16, 2019.

About the author: Pavel Aleksandrovich Khlyupin — Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of the Chair Electrical Engineering and Electrical Equipment Enterprises, Ufa State Petroleum Technological University (USPTU), 1 Cosmonauts st., Ufa, 450062, Russian Federation, [email protected]

Росатом Госкорпорация «Росатом» ядерные технологии атомная энергетика АЭС ядерная медицина

Стремительные изменения транспортной сферы и рынка электрогенерации, на котором работает Госкорпорация «Росатом», привели к выделению в 2020 году отдельного бизнес-направления — «Накопители энергии». Отраслевым интегратором было определено ООО «РЭНЕРА» (входит в Топливную компанию Росатома «ТВЭЛ»).

Интегратор специализируется на производстве систем накопления энергии на литий-ионных аккумуляторах (ЛИА) разной мощности и сфер применения.

Литий-ионные батареи обладают рядом преимуществ по сравнению со свинцово-кислотными, щелочными и иными аналогами, обеспечивая заказчику операционную и экономическую эффективность. Они имеют более длительный срок службы, не обладают «эффектом памяти» и могут подзаряжаться в удобное время, что снижает время простоя оборудования. Пластины электродов защищены от коррозии и позволяют формировать различные варианты модульных решений. Накопители на ЛИА герметичны, не требуют обслуживания и отдельной комнаты для подзарядки, что высвобождает помещения и персонал.

Литий-ионные системы накопления энергии производства ООО «РЭНЕРА» используются для:

  • тяговых батарей электротранспорта, а именно электробусов и троллейбусов, легковых электромобилей, легких коммерческих электромобилей (LCV), электропогрузчиков, железнодорожного транспорта, водного транспорта;
  • стационарных систем накопления энергии, а именно электрических сетей и генерации, систем аварийного и бесперебойного энергоснабжения, систем ценозависимого потребления, накопительных систем для возобновляемых источников энергии, зарядных станций;
  • тяговых батарей для спецтехники, а именно складской, клининговой, коммунальной, горно-шахтной, аэропортовой техник, роботов, БПЛА и дронов.


Благодаря внедрению продукции ООО «РЭНЕРА» стало возможным решение проблем разного уровня и критичности последствий. При энергоснабжении изолированных районов в сеть интегрируется любые виды генерации, включая малые и альтернативные источники энергии. Энергосистема работает в автоматическом режиме с возможностью удаленного мониторинга и управления, повышается энергоэффективность работы объекта, обеспечивается баланс генерации и потребления электроэнергии, существенно снижаются затраты на топливо. Источники бесперебойного питания и системы оперативного постоянного тока обеспечивают мгновенное переключение на питание от батарей в случае исчезновения сетевого напряжения. Осуществляют резервирование питания собственных нужд объектов энергетики.

ООО «РЭНЕРА» располагает несколькими производственными площадками. Первая и старейшая из них находится в Новоуральске, это НПО «Центротех». Там собирают батареи для электротранспорта и некоторые системы для энергетики.

В конце 2020 года отраслевой интегратор открыл новое опытно-промышленное производство накопителей энергии на территории Московского завода полиметаллов. На площадке АО «МЗП» специалисты «РЭНЕРА» ведут НИОКР, изготавливают и испытывают опытные образцы накопителей энергии для логистической спецтехники (тележек, погрузчиков), электробусов, систем оперативного постоянного тока, источников бесперебойного питания.

Наконец, в марте 2021 года ООО «РЭНЕРА» приобрело 49% акций и стало совладельцем Enertech International Inc. (Корея) — одного из мировых лидеров в разработке и производстве литий-ионных ячеек и электродов, модулей и батарей.

В 2021 году было заключено соглашение с Калининградской областью, согласно которому к 2025 году ООО «РЭНЕРА-Энертек» (дочернее предприятие ООО «РЭНЕРА) построит в регионе современный завод по производству литий-ионных ячеек. Проверенная технология и опыт Enertech Inc. будут адаптированы при строительстве первой российской гигафабрики. Производственные мощности завода составят до 3,3 ГВт*ч/год к 2025 году и до 12 ГВт*ч/год к 2030 году.

В настоящее время отраслевой интегратор реализует целый ряд проектов по внедрению ЛИА. Одним из первых стало ?оснащение транспорта «Новосибирского завода химконцентратов» (предприятие Топливной компании Росатома «ТВЭЛ») литий-ионными батареями. ООО «РЭНЕРА» также подписало соглашение с «АРМЗ Горные машины» (предприятие Горнорудного дивизиона Росатома), согласно которому компания установит свои батареи на выпускаемые «АРМЗ Горные машины» погрузочно-доставочные машины для добычи урана.

Успешно действует интеллектуальный накопитель электроэнергии на 300 кВт·ч на заводе «ЗиО-Подольск» (предприятие машиностроительного дивизиона Росатома). Коммерческая диспетчеризация с применением интеллектуальной системы накопления электроэнергии обеспечивает оптимизацию суточного графика ее потребления, что способствует снижению платежей за мощность. Накопитель физически устанавливается на площадке конечного потребителя и выдает электроэнергию в его внутреннюю сеть в те часы, когда стоимость электроэнергии и мощности максимальна.

Интеллектуальная часть системы осуществляет предиктивную аналитику нагрузки сети и дистанционно управляет графиком заряда и разряда «Коммерческого диспетчера». Особенность системы – постоянное совершенствование алгоритмов на базе методов машинного обучения. Проект реализован по схеме энергосервиса, то есть потребителю не требуется привлечение инвестиций на покупку, установку и наладку оборудования, а также на разработку системы управления и оптимизационных алгоритмов расчета режимов работы.

Аналогичный накопитель в Туле (на 700 кВт·ч) успешно прошел опытно-промышленную эксплуатацию и работает в штатном режиме. В декабре 2021 года в распределительных электросетях компаний «Россети Центр» и «Россети Центр и Приволжье» были введены в эксплуатацию еще 18 подобных накопителей энергии от ООО «РЭНЕРА».


Специалисты ООО «РЭНЕРА» готовы делать проекты под ключ, от ТЭО и проектирования до обучения обслуживающего и эксплуатирующего персонала, выдачи гарантий на обслуживание до пяти лет. Компания готова выполнять индивидуальные требования заказчиков по техническим параметрам, а также предлагать гибкие условия и форматы сотрудничества – аренда, лизинг, договора жизненного цикла.

Аддитивные технологии

Перспективные материалы и технологии

Применение накопителей электрической энергии на локомотивах

Накопитель электрической энергии на локомотивах должен реализовывать следующие функции (в зависимости от конфигурации системы для различных целей использования и требований Заказчика, набор функций может быть ограничен или расширен):
1. Обеспечение безопасности движения;
2. Зарядка накопителя во время движения;
3. Срок эксплуатации применяемых устройств и оборудования должен составить не менее 10 лет;
4. Система должная быть тиражируемой;
5. Система должна работать в круглосуточном и круглогодичном режиме;
6. Применение системы должно нести экономическую целесообразность и окупаемость;
7. Работа накопителя должна обеспечивать преодоление локомотивом наиболее сложных участков пути в режиме форсировки мощности, при котором работает основной и вспомогательный источник энергии;
8. Накопитель должен располагаться в специальном отсеке, обеспечивающим взрывобезопасность и легкий доступ для его обслуживания;
9. Накопитель не должен оказывать значительного влияния на развесовку локомотива;
10. Элементы конструкции накопителя должны иметь возможность размещения в кузове, подкузовном пространстве локомотива без препятствий к проходу персонала и обслуживанию ТПС;
11. Накопитель энергии должен в своей конструкции иметь систему охлаждения и подогрева с целью получения наилучших характеристик при эксплуатации локомотива в разных климатических условиях;
12. Накопитель электроэнергии должен обеспечивать питание тягового преобразователя при отсутствии внешнего энергоснабжения;
13. Накопитель должен обеспечивать маневровую работу локомотива с использованием автономного энергоснабжения;
14. Разработка внешнего зарядного устройства (станции) должна выполняться по отдельным техническим требованиям с возможностью режима ускоренной зарядки;
15. Время саморазряда накопителя – не более 3 % в месяц;
16. Зарядка накопителя должна иметь возможность питания от системы рекуперации локомотива;
17. Возможность преобразования кинетической энергии поезда при рекуперативном торможении в электрическую и направлять в накопитель энергии с минимальными потерями;
18. Расходуемая энергоемкость накопителя должна соответствовать значению не менее 250 кВт*ч;
19. Коэффициент полезного действия в часовом режиме, от накопителя должен соответствовать значению не менее 85%.
Моделирование объектов исследования должно проводиться с использованием стендового оборудования в условиях и на территории исполнителя или соисполнителя при необходимости. Подтверждение работоспособности разрабатываемой технологии должно осуществляться путем проведения испытаний.
Заявитель должен предоставить описание и презентационный материал с подробной информацией об уже разработанных и успешно внедренных (или имеющих макетный образец) устройствах с полным или частичным применением технологий, перечисленных в данной заявке, на железнодорожном транспорте или в смежных областях. В материалах предоставить технико-экономический расчет, предлагаемого технического решения.

GradientKilby

Электрический накопитель энергии (EES) по итогам 2016 года является продуктом наиболеее растущего сектора энергетики. Прирост по сравнению с 2015 годом достиг 44% в Германии и 252% в Северной Америке. Предпочтительной инсталляцией нашей компании является Li-ion технология с bi-directional BMS, которая позволяет выполнять до 8000 циклов заряда-разряда в течение 30 лет.

    Основными функциями накопителя электрической энергии являются:
  • Выравнивание нагрузки в электросети
  • Осуществление системной надежности потребителей
  • Резервирование электропитания особо важных объектов
  • Повышение мощности энергосистемы
  • Устранение резких перепадов мощности

Электрические накопители сегодня занимают прочные позиции в энергосистемах построенных как на ВИЭ, так и на классических централизованных объектах электроснабжения. Совместная работа EES c дизель-электрическими станциями (ДЭУ), за счёт работы ДЭУ в номинальном режиме, даёт колоссальную экономию расходов на топливо, больший срок службы и простоту эксплуатации.

    Применение аккумуляторных батарей в крупных энергосистемах невозможно без применения дополнительного оборудования, такого как:
  • преобразователь (инвертор)
  • модуль системы контроля BMS (Battery Management System)

Инвертор выполняет функцию преобразования постоянного тока аккумуляторных батарей в переменный синусоидальный ток промышленной частоты 50 Гц, а также в ряде случаев способен осуществлять процесс зарядки батарей от сети. Модуль системы BMS обеспечивает сохранность батареи, предохраняет ее от перегрева и перезарядки. Модуль системы BMS осуществляет защитные функции путем контроля температуры батареи, токов заряда-разряда и напряжения, тем самым предотвращая глубокий разряд всей батареи, а также ее перезаряд и перегрев. Помимо этого система BMS осуществляет контроль состояния батареи с помощью оценки степени заряда (State of Charge, SOC) и состояния годности (State of Health, SOH). Интеллектуальный режим системы BMS является актуальным и необходимым практически в любом применении литий-ионных батарей, предоставляя пользователю информацию о том, сколько накопитель на основе аккумуляторных батарей будет работать до необходимости подзарядки (параметр SOC) и когда следует осуществить полную замену батареи из-за потери емкости (параметр SOH). В дополнение ко всему модуль системы BMS способен сигнализировать, а также отключать батарею от нагрузки или зарядного устройства при выходе хотя бы одного отслеживаемого параметра за пределы диапазона.

Первый электрический накопитель Li-ion технология с bi-directional BMS был нами запущен в эксплуатацию в 2015 году для административного здания в центре города с ограниченными возможностями центрального энергоснабжения. Объект имеет солнечную электростанцию мощностью 40 кВт. Накопитель представлен в наружном (контейнерном) исполнении. В состав контейнера входят: аккумуляторный шкаф с системой BMS общей емкостью аккумуляторных батарей 60 кВт∙ч, три батарейных инвертора номинальной мощностью 18 кВт, распределительный шкаф, модуль удаленного контроля, а также климатическая система. Наш собственный опыт эксплуатации говорит о том, что применение накопителя энергии позволяет офисному зданию быть автономным (независимым) от общественной электросети на протяжении шести месяцев в году.

Примеры выполненных и текущих проектов

МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ОБЪЕКТА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ «ГЕНЕРАТОР – НАКОПИТЕЛЬ – ПОТРЕБИТЕЛЬ» МЕТОДОМ МОНТЕ-КАРЛО | Добрего

1. Мировой рынок накопителей энергии [Электронный ресурс] // Региональная энергетическая консалтинговая компания. Режим доступа: http://mig-energo.ru/ diod/kineticheskie-nakopiteli-energii/mirovoj-rynok-nako pitelej-energii/. Дата доступа: 15.01.2017.

2. О внесении изменений в постановление Совета Министров Республики Беларусь от 30 декабря 2013 г. № 1166 и определении тарифов на некоторые виды жилищнокоммунальных услуг [Электронный ресурс]: постановление Совета Министров Республики Беларусь, 16.12.2016, № 1035 [Электронный ресурс] // Национальный правовой Интернет-портал Респ. Беларусь. Режим доступа: http://www.cgis.by/downloads/le gislation/ 1035_20161216.pdf. Дата доступа: 15.01.2017.

3. Powerwall 2 [Electronic Resource] // Tesla Inc. Mode of Access: https://www.tesla.com/powerwall. Date of Access: 15.01.2017.

4. Electric Grid [Electronic Resource] // Altairnano Company. Mode of access: http://www.altairnano.com/solutions/ electric-grid/. Date of Access: 15.01.2017.

5. Накопитель «Экомоторс» 7 кВт⋅ч [Электронный ресурс] // ООО «Экомоторс». Режим доступа: http://eco motors. ru/index.php?productID=2977. Дата доступа: 15.01.2017.

6. A Review of Energy Storage Technologies for Wind Power Applications / F. Díaz-González [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012. Vol. 16, No 4. P. 2154–2171.

7. Technology Overview on Electricity Storage: Overview on the Potential and on the Deployment Perspectives of Electricity Storage Technologies / G. Fuchs, B. Lunz, M. Leuthold, D. U. Sauer. Aachen: Smart Energy For Europe Platform GmbH (SEFEP), 2012. 66 p.

8. Оценка накопителей энергии с помощью их передаточных функций / К. В. Добрего [и др.] // Информационные технологии в технических и социально-экономических системах: сб. материалов науч.-практ. конф., Минск 22 апр. 2016 г. Минск: РИВШ, 2016. С. 102–104.

9. Stand-Alone and Hybrid Wind Energy Systems: Technology, Energy Storage and Applications / Ed. by J. L. Kaldellis. Woodhead Publishing Limited, 2010. P. 554.

10. Павлов, А. В. Повышение точности расчетов электрических нагрузок коммунально-бытовых потребителей микрорайонов мегаполисов / А. В. Павлов // НПИ имени М. И. Платова. Новочеркасск, 2016. 22 c.

11. Кудрин, Б. И. Расчет электрических нагрузок потребителей: история, состояние, комплексный метод / Б. И. Кудрин // Промышленная энергетика. 2015. № 5. С. 14–22.

12. Нормативы для определения расчетных электрических нагрузок зданий (квартир), коттеджей, микрорайонов (кварталов) застройки и элементов городской распределительной сети. Изменения и дополнения раздела 2 «Расчетные электрические нагрузки» Инструкции по проектированию городских электрических сетей: РД 34.20.185–94. Утв. приказом Минтопэнерго от 29.06.1999 № 213. М.: Москов. науч.-техн. общ-во энергетиков и электротех., 1999. 13 с.

13. Инструкция по проектированию городских электрических сетей: РД 34.20.185-94. М.: Мин-во топлива и энерг. Рос. Фед., 1994. 29 с.

14. Фокин, Ю. А. Вероятностно-статистические методы в расчетах систем электроснабжения / Ю. А. Фокин. – М.: Энергоатомиздат, 1985. 240 с.

15. Жежеленко, И. В. Развитие методов расчета электрических нагрузок / И. В. Жежеленко, В. П. Степанов // Электричество. 1993. № 2. С. 1–9.

16. Тарнижевский, М. В. Моделирование суточных графиков электрических нагрузок коммунально-бытовых потребителей методом ортогональных разложений / М. В. Тарнижевский, В. И. Михайлов // Электричество. 1985. № 5. С. 66–68.

17. Гнеденко, Б. В. Теоретико-вероятностные основы статистического метода расчета электрических нагрузок промышленных предприятий / Б. В. Гнеденко // Изв. вузов СССР, сер. «Электромеханика». 1961. № 1. С. 90–99.

18. Кабышев, А. В. Электроснабжение объектов. Ч. 1: Расчет электрических нагрузок, нагрев проводников и электрооборудования / А. В. Кабышев. Томск: Изд-во Томс. политехн. ун-та, 2007. 185 с.

19. Вероятностное потокораспределение как реакция на стохастичность нагрузки в энергосистеме / А. М. Гашимов [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2016. Т. 59, № 6. С. 519–528.

20. Лоскутов, А. Б. Методы имитационного моделирования графиков нагрузки на ЭВМ / А. Б. Лоскутов // Расчеты электрических нагрузок систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1992. С. 148–152.

21. Beccali, M. Forecasting Daily Urban Electric Load Profiles Using Artificial Neural Networks / M. Beccali // Journal on Energy Conversion and Management. 2004. Vol. 45, No 18–19. Р. 2879–2900.

22. Справочник по теории вероятностей и математической статистике / В. С. Королюк [и др.]. М.: Наука, 1985. 640 с.

23. Weibull, W. A Statistical Distribution Function of Wide Applicability / W. Weibull // J. Appl. Mech.-Trans. ASME. 1951. Vol. 18, No 3. P. 293–297.

24. Задачник по общей метеорологии / А. Г. Броидо [и др.]. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. С. 312.

25. Almanac for Computers, 1990, publ. Nautical Almanac Office, United States Naval Observatory, Washington.

26. Лещинская, Т. Б. Электроснабжение сельского хозяйства / Т. Б. Лещинская, И. В. Наумов. М.: КолосС, 2008. 655 с.

27. Агеев, С. П. Расчет выбросов графиков нагрузки электрических сетей лесопильного цеха / С. П. Агеев // Изв. вузов, Электромеханика. 2013. № 5. C. 63–67.

28. Лобанова, О. В. Экспериментальная оценка корреляционных функций графиков электрической нагрузки / О. В. Лобанова, В. П. Степанов, Г. Л. Фомин // Изв. вузов. Электромеханика. 1996. № 3–4. С. 101.

79086-20: НЭП-К Накопители электрических параметров

Назначение

Накопители электрических параметров НЭП-К (далее по тексту — НЭП-К) предназначены для измерений среднеквадратического значения фазного напряжения переменного тока и среднеквадратического значения силы переменного тока, а также накопления и хранения в энергонезависимой памяти значений электрических параметров электроприводной арматуры (далее по тексту — ЭПА).

Описание

НЭП-К являются преобразователями измерительными, и их принцип действия основан на измерении среднеквадратических значений напряжения и силы переменного тока синусоидальной формы путем измерения мгновенных значений с использованием 12-16-ти разрядного аналого-цифрового преобразователя (далее по тексту — АЦП) при частоте дискретизации до 25 кГц.

НЭП-К выпускаются в двух исполнениях НЭП-К ДКНБ.468157.004 и НЭП-К ДКНБ.468157.004-01, отличающихся комплектностью.

Исполнение НЭП-К ДКНБ.468157.004 состоит из:

—    модуля НЭП-512М ДКНБ.687281.137;

—    датчика тока ДТ-3П ДКНБ.433649.005;

—    датчика напряжения ДН-3П ДКНБ.433649.006;

—    кабеля сигнального НЭП-512-Б-К ДКНБ.685623.021.

Исполнение НЭП-К ДКНБ.468157.004-01 состоит из:

—    модуля измерительного НЭП-512С ДКНБ.687281.013;

—    модуля измерительного МДТН-КР ДКНБ.687281.012-05;

—    кабеля сигнального НЭП-512-S ДКНБ.685623.007.

Каждая составная часть НЭП-К заключены в отдельный металлический противопожарный корпус, и соединены между собой кабелем сигнальным.

НЭП-К выполняет следующие функции:

—    принимает сигналы среднеквадратического значения фазного напряжения переменного тока;

—    принимает сигналы среднеквадратического значения силы переменного тока;

—    принимает сигналы силы переменного тока от концевых выключателей и отображает полученные значения во внешнем программном обеспечении;

—    преобразовывает принятые сигналы во вторичные сигналы напряжения переменного

тока;

—    имеет гальваническую развязку сигналов;

—    измеряет принятые и преобразованные вторичные сигналы напряжения переменного

тока;

—    обеспечивает хранение результатов измерений на карте памяти в виде файлов;

—    поддерживает операции по обмену данными с персональным компьютером (далее по тексту — ПК) по каналам Ethernet и USB.

Общий вид НЭП-К ДКНБ.468157.004 представлен на рисунке 1, НЭП-К ДКНБ.468157.004-01 — на рисунке 2. Схема пломбирования от несанкционированного доступа НЭП-К ДКНБ.468157.004 представлена на рисунках 3, 4, 5, НЭП-К ДКНБ.468157.004-01 — на рисунках 6, 7.

/

Пломбировочная

наклейка

Рисунок 7 — Место пломбирования от несанкционированного доступа

модуля МДТН-КР

Программное обеспечение

НЭП-К имеет встроенное и внешнее программное обеспечение (далее по тексту — ПО). Встроенное ПО НЭП-К реализовано аппаратно и является метрологически значимым. Встроенное ПО НЭП-К может быть проверено, установлено или переустановлено только на заводе-изготовителе с использованием специальных программно-технических средств.

Идентификационные данные встроенного и внешнего ПО приведены в таблице 1. Внешнее ПО предназначено для отображения записанных или сохраненных сигналов электроприводной арматуры и не является метрологически значимым.

Идентификационные данные (признаки)

Значение

Внешнее

Встроенное

Идентификационное наименование программы

«Registrator-19»

«AlteraAdc.rbf»

Номер версии (идентификационный номер ПО)

1

1.0

Цифровой идентификатор ПО

DA9ADF8302F1259508A

AE8273DC02116

Алгоритм вычисления цифрового идентификатора ПО

md5

Уровень защиты встроенного ПО от непреднамеренных и преднамеренных изменений -«высокий» в соответствии с Р 50.2.077-2014.

Технические характеристики

Таблица 2 — Метрологические характеристики НЭП-К

Наименование характеристики

Значение

Диапазон измерений среднеквадратического значения фазного напряжения переменного тока в диапазоне частот от 40 до 2000 Гц, В

от 2,5 до 250

Пределы допускаемой основной приведенной (к верхней границе диапазона измерений) погрешности измерений среднеквадратического значения фазного напряжения переменного тока, %

±0,5

Диапазоны измерений среднеквадратического значения силы переменного тока в диапазоне частот от 40 до 2000 Гц, А

от 0,05 до 2,5 от 0,1 до 10 от 0,5 до 50 от 1,0 до 100 от 1,5 до 150

Пределы допускаемой основной приведенной (к верхней границе диапазона измерений) погрешности измерений среднеквадратического значения силы переменного тока, %

±0,5

Пределы допускаемой дополнительной приведенной (к верхней границе диапазона измерений) погрешности измерений среднеквадратического значения фазного напряжения и силы переменного тока, вызванной изменением температуры окружающего воздуха в пределах рабочего диапазона температур на каждый 1 °С , %

±0,1

Таблица 3 — Основные технические характеристики

Наименование характеристики

Значение

Диапазон индикации среднеквадратического значения силы переменного тока от концевых выключателей, мА

от 0 до 200

Допустимая перегрузка при измерении среднеквадратического значения силы переменного тока, А, не более

1,5-/п1)

Допустимая перегрузка при измерении среднеквадратического значения силы переменного тока от концевых выключателей, А, не более

1,5/п

Допустимая перегрузка по напряжению для измерительных каналов, В, не более

1,2- ^п2)

Продолжительность подачи максимального сигнала силы переменного тока для встроенной линии калибровки фазного тока, с, не более

5

Количество измерительных каналов напряжения

3

Количество измерительных каналов тока

3

Наименование характеристики

Значение

Количество каналов тока концевых выключателей

2

Параметры электрического питания от источника постоянного тока: — напряжение постоянного тока, В

24±1,2

Максимальная потребляемая мощность, Вт, не более

5

Монтажный диаметр токонесущего провода, мм, не более

9,0

Монтажный диаметр провода концевого выключателя, мм, не более

8,0

Нормальные условия измерений:

—    температура окружающего воздуха, °С

—    относительная влажность воздуха, %

—    атмосферное давление, кПа

от +15 до +25 от 30 до 80 от 84 до 106,7

Рабочие условия измерений:

—    температура окружающего воздуха, °С

—    относительная влажность воздуха при температуре +35 °С, %, не более

от +5 до +50 98

Габаритные размеры (длинахширинахвысота), мм, не более:

1)    для исполнения НЭП-К ДКНБ.-К ДКНБ.685623.021

2)    для исполнения НЭП-К ДКНБ.468157.004-01

—    модуля измерительного НЭП-512C ДКНБ.687281.013

—    модуля измерительного МДТН-КР ДКНБ.687281.012-05

—    для кабеля сигнального НЭП-512-S ДКНБ.685623.007

0,6

0,3

0,35

0,03

0,65

0,68

0,03

Среднее время наработки на отказ, ч

60000

Средний срок службы, лет

10

1)    1п — верхний предел диапазона измерений при измерении среднеквадратических значений силы переменного тока;

2)    ип — верхний предел диапазона измерений при измерении среднеквадратических значений фазного напряжения переменного тока.

Знак утверждения типа

наносят на табличку НЭП-К методом термопечати или трафаретной печати и на титульные листы формуляра и руководства по эксплуатации типографским способом.

Таблица 4 — Комплектность НЭП-К

Наименование

Обозначение

Количество

Накопитель электрических параметров НЭП-К

ДКНБ.468157.004

или

ДКНБ.468157.004-01

1 шт.

Накопитель электрических параметров НЭП-К. Формуляр

ДКНБ.468157.004ФО

1 экз.

Накопитель электрических параметров НЭП-К. Руководство по эксплуатации

ДКНБ.468157.004РЭ

1 экз.

Накопитель электрических параметров НЭП-К. Методика поверки

ДКНБ.468157.004ПМ

1 экз.

Программное обеспечение «Registrator-19». Руководство оператора

ДКНБ.00144 34

1 экз.

Кабель мини USB 5 pin

1 шт.

Флэш-карта (формат SD, емкость 16-32 Гбайт)

1 шт.

Компакт-диск с ПО «Registrator-19»

1 шт.

Поверка

осуществляется по документу ДКНБ.468157.004ПМ «Накопители электрических параметров НЭП-К. Методика поверки», утвержденному с ООО «ИЦРМ» 27.02.2020 г.

Основное средство поверки:

— калибратор многофункциональный Fluke 5502Е (регистрационный номер в Федеральном информационном фонде № 55804-13).

Допускается применение аналогичных средств поверки, обеспечивающих определение метрологических характеристик поверяемых НЭП-К с требуемой точностью.

Знак поверки наносится на свидетельство о поверке и (или) в формуляр.

Сведения о методах измерений

приведены в эксплуатационном документе.

Нормативные документы

ГОСТ 22261-94 Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия

ДКНБ.468157.004ТУ Накопители электрических параметров НЭП-К. Технические условия

Технология хранения тепловой энергии | Ассоциация накопителей энергии

Резюме

Жидко-воздушное хранилище энергии (LAES), также называемое криогенным хранилищем энергии (CES), представляет собой крупномасштабную технологию хранения энергии с длительным сроком службы, которая может быть расположена в точке потребления. Рабочее тело — сжиженный воздух или жидкий азот (~78% воздуха). Системы LAES имеют такие же рабочие характеристики, как и насосные гидроэлектростанции, и могут использовать промышленные низкопотенциальные отработанное тепло/отработанный холод от совмещенных процессов.Размер варьируется от 5 МВт до 100+ МВт, и, поскольку мощность и энергия не связаны друг с другом, системы очень хорошо подходят для длительных приложений.

Обсуждение

Несмотря на новизну на системном уровне, процесс LAES использует компоненты и подсистемы, являющиеся зрелыми технологиями, доступными у крупных OEM-производителей. Эта технология в значительной степени опирается на устоявшиеся процессы в секторах производства электроэнергии и промышленных газов, а известные затраты, производительность и жизненные циклы обеспечивают низкий технологический риск.

LAES включает три основных процесса:

  • Этап 1. Зарядка системы
    Зарядная система представляет собой ожижитель воздуха, использующий электрическую энергию для забора воздуха из окружающей среды, его очистки и последующего охлаждения до отрицательных температур, пока воздух не станет жидким. 700 литров окружающего воздуха превращаются в 1 литр жидкого воздуха.
  • Этап 2. Хранилище энергии
    Жидкий воздух хранится в изолированном резервуаре при низком давлении, который функционирует как накопитель энергии.Это оборудование уже используется во всем мире для хранения жидкого азота, кислорода и СПГ. Резервуары, используемые в промышленности, могут хранить ГВтч накопленной энергии.
  • Этап 3. Рекуперация энергии
    Когда требуется питание, жидкий воздух забирается из бака(ов) и нагнетается до высокого давления. Воздух испаряется и перегревается до температуры окружающей среды. Это производит газ высокого давления, который затем используется для привода турбины.

Повышение эффективности:

Холодная рециркуляция —  На этапе 3 очень холодный воздух выпускается и забирается в запатентованную высококачественную холодильную камеру.Это используется на более позднем этапе процесса сжижения для повышения эффективности. В качестве альтернативы система может интегрировать отработанный холод промышленных процессов, таких как терминалы СПГ.

Термоаккумулятор — Низкая температура кипения сжиженного воздуха означает, что эффективность системы в обе стороны может быть повышена за счет введения тепла, превышающего температуру окружающей среды. Стандартная система LAES Highview Power Storage улавливает и сохраняет тепло, выделяемое в процессе сжижения (этап 1), и интегрирует это тепло в процесс рекуперации энергии (этап 3).Система также может интегрировать отработанное тепло промышленных процессов, таких как производство тепловой энергии или сталелитейные заводы, на этапе 3, рекуперируя дополнительную энергию.

Совершите виртуальный тур по опытной установке Highview Power Storage мощностью 350 кВт/2,5 МВтч

Заключение
Установки

LAES могут производить крупномасштабную и длительную энергию хранилище с выходной мощностью 100 МВт. Системы ЛАЭС могут использовать промышленные отходы тепло/холод от таких приложений, как тепловые электростанции, сталелитейные заводы и Терминалы СПГ для повышения эффективности системы.LAES использует существующие и зрелые компоненты с доказанным длительным сроком службы (более 30 лет), производительностью и эксплуатацией и техническим обслуживанием. расходы.

Информационный бюллетень | Аккумулятор энергии (2019) | Белые книги

В связи с растущим беспокойством по поводу воздействия ископаемого топлива на окружающую среду, а также мощности и устойчивости энергосистем по всему миру, инженеры и политики все чаще обращают свое внимание на решения для хранения энергии. Действительно, накопление энергии может помочь решить проблему нестабильности солнечной и ветровой энергии; Кроме того, во многих случаях она может быстро реагировать на большие колебания спроса, делая энергосистему более гибкой и снижая потребность в строительстве резервных электростанций.Эффективность хранилища энергии определяется тем, насколько быстро оно может реагировать на изменения спроса, скоростью потери энергии в процессе хранения, его общей емкостью хранения энергии и скоростью его перезарядки.

Энергоаккумулятор не нов. Батареи используются с начала 1800-х годов, а гидроаккумулирующие электростанции работают в Соединенных Штатах с 1920-х годов. Но спрос на более динамичную и чистую сеть привел к значительному увеличению строительства новых проектов хранения энергии и к разработке новых или лучших решений для хранения энергии.

Ископаемое топливо является наиболее используемой формой энергии, отчасти из-за его транспортабельности и практичности в хранимой форме, что позволяет производителям значительно контролировать уровень поставляемой энергии. Напротив, энергия, вырабатываемая солнцем и ветром, носит непостоянный характер и зависит от погоды и времени года. Поскольку возобновляемые источники энергии становятся все более заметными в электросетях, растет интерес к системам, которые хранят чистую энергию

.

Накопление энергии также может способствовать удовлетворению спроса на электроэнергию в периоды пиковой нагрузки, например, в жаркие летние дни, когда работают кондиционеры, или с наступлением темноты, когда домохозяйства включают свет и электронику.Электричество становится дороже в периоды пиковой нагрузки, поскольку электростанции вынуждены наращивать производство, чтобы справиться с возросшим потреблением энергии. Накопление энергии обеспечивает большую гибкость сети, поскольку дистрибьюторы могут покупать электроэнергию в непиковые периоды, когда энергия дешева, и продавать ее в сеть, когда она пользуется большим спросом.

Поскольку экстремальные погодные условия, усугубляемые изменением климата, продолжают разрушать инфраструктуру США, правительственные чиновники все больше осознают важность устойчивости сети.Аккумулятор энергии помогает обеспечить устойчивость, поскольку он может служить резервным источником энергии, когда производство электростанции прерывается. В случае с Пуэрто-Рико, где запасы энергии минимальны, а электросеть гибкая, потребовалось около года, чтобы электричество было восстановлено для всех жителей.

По оценкам Международной энергетической ассоциации (МЭА), чтобы удержать глобальное потепление ниже 2 градусов Цельсия, к 2030 году миру потребуется 266 ГВт хранилищ по сравнению со 176,5 ГВт в 2017 году. Согласно текущим тенденциям, Bloomberg New Energy Finance прогнозирует, что глобальный рынок хранения энергии достигнет этой цели и быстро вырастет до 942 ГВт к 2040 году (что представляет собой инвестиции в размере 620 миллиардов долларов США в течение следующих двух десятилетий).

 

Хранилище энергии сегодня


В 2017 году в Соединенных Штатах было произведено 4 миллиарда мегаватт-часов (МВт-ч) электроэнергии, но было доступно только 431 МВт-ч для хранения электроэнергии. Гидроаккумулирующие электростанции (PSH) на сегодняшний день являются самой популярной формой хранения энергии в Соединенных Штатах, где на их долю приходится 95 процентов накопления энергии коммунального масштаба. По данным Министерства энергетики США (DOE), за последние 10 лет объем гидроаккумулирующей энергии увеличился на 2 гигаватт (ГВт).В 2015 году в Соединенных Штатах было 22 ГВт хранилищ PSH, включенных в сеть. Тем не менее, несмотря на широкое использование PSH, в последнее десятилетие в центре внимания технического прогресса были аккумуляторные батареи.

К декабрю 2017 года в энергосистеме США работало около 708 МВт крупномасштабных аккумуляторных накопителей. Большая часть этого хранилища находится в ведении организаций, отвечающих за балансировку энергосистемы, таких как независимые системные операторы (ISO) и региональные передающие организации (RTO).ISO и RTO являются «независимыми некоммерческими организациями, регулируемыми на федеральном уровне», которые контролируют региональные цены на электроэнергию и ее распределение.

PJM, региональная передающая организация, расположенная в 13 восточных штатах (включая Пенсильванию, Западную Вирджинию, Огайо и Иллинойс), имеет наибольшее количество крупномасштабных аккумуляторных установок с емкостью хранения 278 МВт на конец 2017 года. Крупнейшим владельцем аккумуляторов большой емкости является калифорнийская организация ISO (CAISO). К концу 2017 года CAISO эксплуатировала аккумуляторные батареи общей емкостью 130 МВт.

Большинство проектов аккумуляторных батарей, которые разрабатывают ISO/RTO, предназначены для краткосрочного хранения энергии и не предназначены для замены традиционной сети. В большинстве этих объектов используются литий-ионные батареи, которые обеспечивают достаточно энергии, чтобы поддерживать местную сеть примерно на четыре часа или меньше. Эти объекты используются для обеспечения надежности сети, для интеграции возобновляемых источников энергии в сеть и для облегчения энергосистемы в часы пик.

Существует также ограниченный рынок для небольших накопителей энергии.В то время как незначительная часть небольших хранилищ в Соединенных Штатах предназначена для использования в жилых помещениях, большая их часть предназначена для использования в коммерческом секторе, и большинство этих коммерческих проектов расположены в Калифорнии.

За последнее десятилетие стоимость хранения энергии, солнечной и ветровой энергии резко снизилась, что сделало решения, сочетающие хранение и возобновляемую энергию, более конкурентоспособными. В тендерной войне за проект Xcel Energy в Колорадо средняя цена на хранение энергии и энергию ветра составляла 21 доллар США за МВтч, а на солнечную энергию и хранение — 36 долларов США за МВтч (по сравнению с 45 долларами США за МВтч для аналогичного проекта солнечной энергии и хранения в 2017 году). ).Это сопоставимо с 18,10 долл. США за МВтч и 29,50 долл. США за МВтч соответственно для ветряных и солнечных электростанций без хранения, но все еще далеко от средней цены природного газа в размере 4,80 долл. США за МВтч. Большая часть снижения цен связана с падением стоимости литий-ионных аккумуляторов; с 2010 по 2016 год стоимость аккумуляторов для электромобилей (аналогично технологии, используемой для хранения) упала на 73 процента. Согласно недавнему отчету GTM Research, цены на системы хранения энергии будут падать на 8 процентов ежегодно до 2022 года.

 

Отдельные технологии хранения энергии


Существует множество различных способов хранения энергии, каждый из которых имеет свои сильные и слабые стороны.В приведенном ниже списке основное внимание уделяется технологиям, которые в настоящее время могут обеспечить большие емкости хранения (не менее 20 МВт). Поэтому он исключает сверхпроводящие накопители магнитной энергии и суперконденсаторы (с номинальной мощностью менее 1 МВт).

 

Максимальная мощность
Номинальная мощность (МВт)

Время разряда

Максимальное количество циклов или срок службы

Плотность энергии
(ватт-час на литр)

Эффективность

Гидронасос

3000

4ч – 16ч

30 – 60 лет

0.2 – 2

70 – 85%

Сжатый воздух

1000

2ч – 30ч

20 – 40 лет

2 – 6

40 – 70%

Расплавленная соль (термическая)

150

часов

30 лет

70 – 210

80 – 90%

Литий-ионный аккумулятор

100

1 мин – 8 ч

1 000 – 10 000

200 – 400

85 – 95%

Свинцово-кислотная батарея

100

1 мин – 8 ч

6 – 40 лет

50 – 80

80 – 90%

Проточная батарея

100

часов

12 000 14 000

20 – 70

60 – 85%

Водород

100

мин – неделя

5 – 30 лет

600 (при 200 бар)

25 – 45%

Маховик

20

сек —

мин

20 000 – 100 000

20 – 80

70 – 95%

Характеристики отдельных систем накопления энергии (источник: Всемирный энергетический совет)

Гидроаккумулирующие электростанции

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) — это крупномасштабные станции по хранению энергии, которые используют силу гравитации для выработки электроэнергии.Вода перекачивается на более высокую высоту для хранения в периоды низкой стоимости энергии и периодов высокой выработки возобновляемой энергии. Когда требуется электричество, вода возвращается в нижний бассейн, вырабатывая электроэнергию с помощью турбин. Недавние инновации позволили объектам PSH иметь регулируемые скорости, чтобы лучше реагировать на потребности энергосистемы, а также работать в замкнутых системах. PSH с замкнутым контуром работает без подключения к постоянно проточному источнику воды, в отличие от традиционных гидроаккумулирующих гидроэлектростанций, что делает гидроаккумулирующие электростанции вариантом для большего количества мест.

По сравнению с другими формами хранения энергии гидроаккумулирующая электроэнергия может быть дешевле, особенно для хранения очень большой емкости (с которой другие технологии с трудом справляются). По данным Исследовательского института электроэнергетики, установленная стоимость гидроаккумулирующих электростанций варьируется от 1700 до 5100 долларов за кВт по сравнению с 2500–3900 долларов за кВт для литий-ионных аккумуляторов. Гидроаккумулирующие электростанции более чем на 80 процентов энергоэффективны в течение полного цикла , , а объекты PSH обычно могут обеспечить 10 часов электроэнергии по сравнению с примерно 6 часами для литий-ионных батарей.Несмотря на эти преимущества, проблема проектов PSH заключается в том, что они являются долгосрочными инвестициями: получение разрешений и строительство могут занять 3-5 лет каждое. Это может отпугнуть инвесторов, предпочитающих более краткосрочные инвестиции, особенно на быстро меняющемся рынке.

В округе Бат, штат Вирджиния, крупнейшее в мире гидроаккумулирующее сооружение обеспечивает электроэнергией около 750 000 домов. Он был построен в 1985 году и имеет мощность около 3 ГВт.


Хранилище энергии на сжатом воздухе (CAES)

При хранении сжатого воздуха воздух закачивается в подземную яму, скорее всего, в соляную пещеру, в непиковые часы, когда электричество дешевле.Когда требуется энергия, воздух из подземной пещеры выбрасывается обратно в помещение, где он нагревается, а возникающее в результате расширение приводит в действие генератор электроэнергии. В этом процессе нагрева обычно используется природный газ, который выделяет углерод; тем не менее, CAES в три раза увеличивает выработку энергии объектами, использующими только природный газ. CAES может достигать энергоэффективности до 70 процентов, когда сохраняется тепло от давления воздуха, в противном случае эффективность составляет от 42 до 55 процентов. В настоящее время существует только два действующих объекта CAES: один в Макинтош, штат Алабама, и один в Ханторфе, Германия.Завод McIntosh, построенный в 1991 году, имеет накопительную мощность 110 МВт. Завод CAES мощностью 317 МВт строится в округе Андерсон, штат Техас.


Термический (включая расплавленную соль)

В хранилищах тепловой энергии для хранения энергии используется температура. Когда энергию необходимо хранить, камни, соли, воду или другие материалы нагревают и хранят в изолированных средах. Когда необходимо вырабатывать энергию, тепловая энергия высвобождается путем перекачки холодной воды на горячие камни, соли или горячую воду для производства пара, который вращает турбины.Аккумуляторы тепловой энергии также можно использовать для обогрева и охлаждения зданий вместо выработки электроэнергии. Например, аккумулирование тепла можно использовать для производства льда в ночное время для охлаждения здания в течение дня. Тепловой КПД может варьироваться от 50 до 90 процентов в зависимости от типа используемой тепловой энергии.


Литий-ионные батареи

Впервые коммерчески произведенные Sony в начале 1990-х, литий-ионные аккумуляторы изначально использовались в основном для небольших потребительских товаров, таких как мобильные телефоны.В последнее время они используются для хранения больших аккумуляторов и электромобилей. В конце 2017 года стоимость литий-ионного аккумуляторного блока для электромобилей упала до 209 долл./кВтч при сроке службы 10-15 лет. Bloomberg New Energy Finance прогнозирует, что к 2025 году литий-ионные батареи будут стоить менее 100 долларов за кВт/ч.

Литий-ионные аккумуляторы

на сегодняшний день являются самым популярным вариантом хранения аккумуляторов и контролируют более 90 процентов мирового рынка аккумуляторов.По сравнению с другими вариантами аккумуляторов литий-ионные аккумуляторы имеют высокую плотность энергии и малый вес. Новые инновации, такие как замена графита кремнием для увеличения емкости батареи, направлены на то, чтобы сделать литий-ионные батареи еще более конкурентоспособными для более длительного хранения.

Кроме того, литий-ионные батареи в настоящее время часто используются в развивающихся странах для электрификации сельской местности. В сельских общинах литий-ионные батареи сочетаются с солнечными панелями, что позволяет домашним хозяйствам и предприятиям использовать ограниченное количество электроэнергии для зарядки мобильных телефонов, работы бытовой техники и освещения зданий.Раньше такие сообщества были вынуждены полагаться на грязные и дорогие дизельные генераторы или не имели доступа к электричеству.

Когда в 2015 году произошла утечка газа на объекте по добыче природного газа в каньоне Алисо, Калифорния поспешила использовать литий-ионную технологию, чтобы компенсировать потерю энергии на объекте в часы пик. Аккумуляторные хранилища, построенные Tesla, AES Energy Storage и Greensmith Energy, обеспечивают мощность 70 МВт, что достаточно для питания 20 000 домов в течение четырех часов.

Hornsdale Power Reserve в Южной Австралии — это крупнейшая в мире литий-ионная батарея, которая используется для стабилизации электрической сети за счет энергии, получаемой от близлежащей ветряной электростанции.Эта батарея мощностью 100 МВт была построена компанией Tesla и обеспечивает электричеством более 30 000 домохозяйств.

Компания General Electric разработала контейнеры с литий-ионными батареями мощностью 1 МВт, которые поступят в продажу в 2019 году. Их будет легко транспортировать, и они позволят объектам возобновляемой энергетики иметь меньшие по размеру и более гибкие варианты хранения энергии.


Свинцово-кислотные батареи

Свинцово-кислотные аккумуляторы были одними из первых аккумуляторных технологий, используемых для хранения энергии. Однако они не популярны для хранения данных в сети из-за их низкой плотности энергии и короткого цикла и календарного срока службы.Они обычно использовались для электромобилей, но в последнее время их в значительной степени заменили более долговечными литий-ионными батареями.


Проточные батареи Батареи

Flow являются альтернативой литий-ионным батареям. Несмотря на то, что они менее популярны, чем литий-ионные батареи (проточные батареи составляют менее 5 процентов рынка аккумуляторов), проточные батареи использовались во многих проектах по хранению энергии, которые требуют более длительного хранения энергии. Проточные батареи имеют относительно низкую плотность энергии и длительный жизненный цикл, что делает их подходящими для непрерывного энергоснабжения.Например, завод Avista Utilities в штате Вашингтон использует аккумуляторную батарею.

Проточная батарея мощностью 200 МВт (800 МВтч) в настоящее время строится в Даляне, Китай. Эта система не только превзойдет Hornsdale Power Reserve в качестве крупнейшей в мире батареи, но также станет единственной крупномасштабной батареей (> 100 МВт), которая состоит из проточных батарей вместо литий-ионных батарей.


Твердотельные батареи

Твердотельные батареи имеют множество преимуществ по сравнению с литий-ионными батареями в крупномасштабных сетевых хранилищах.Твердотельные батареи содержат твердые электролиты, которые имеют более высокую плотность энергии и гораздо менее подвержены возгоранию, чем жидкие электролиты, такие как те, которые используются в литий-ионных батареях. Их меньшие объемы и более высокая безопасность делают твердотельные батареи хорошо подходящими для крупномасштабных сетевых приложений.

Однако технология твердотельных аккумуляторов в настоящее время дороже, чем технология литий-ионных аккумуляторов, поскольку она менее развита. Быстрорастущее производство литий-ионных аккумуляторов привело к экономии за счет масштаба, с которой в ближайшие годы твердотельные батареи вряд ли смогут сравниться.


Водород

Водородные топливные элементы, которые вырабатывают электроэнергию путем объединения водорода и кислорода, обладают привлекательными характеристиками: они надежны и бесшумны (без движущихся частей), имеют небольшую площадь основания и высокую плотность энергии, а также не выделяют вредных веществ (при работе на чистом водороде, их единственным побочным продуктом является вода). Этот процесс также можно обратить вспять, что делает его полезным для хранения энергии: при электролизе воды образуются кислород и водород. Таким образом, установки на топливных элементах могут производить водород, когда электричество дешевое, а затем использовать этот водород для производства электроэнергии, когда это необходимо (в большинстве случаев водород производится в одном месте, а используется в другом).Водород также можно производить путем риформинга биогаза, этанола или углеводородов, что является более дешевым методом, при котором выделяется углеродное загрязнение. Хотя водородные топливные элементы остаются дорогими (в первую очередь из-за их потребности в платине, дорогом металле), они используются в качестве основного и резервного источника питания для многих критически важных объектов (телекоммуникационных реле, центров обработки данных, обработки кредитных карт…).


Маховики

Маховики не подходят для долговременного хранения энергии, но очень эффективны для выравнивания и перемещения нагрузки.Маховики известны своим долгим сроком службы, высокой плотностью энергии, низкими затратами на техническое обслуживание и высокой скоростью отклика. Двигатели накапливают энергию в маховиках, ускоряя их вращение до очень высоких скоростей (до 50 000 об/мин). Позже двигатель может использовать эту накопленную кинетическую энергию для выработки электроэнергии, переключаясь на задний ход. Маховики обычно оставляют в вакууме, чтобы свести к минимуму трение воздуха, которое замедляло бы колесо. Стефентаунский шпиндель в Стивентауне, штат Нью-Йорк, открытый в 2011 году мощностью 20 МВт, стал первым коммерческим использованием технологии маховика для регулирования энергосистемы в Соединенных Штатах.С тех пор было запущено несколько других маховиков.

 

Хранение и электрические транспортные средства


Хранение энергии особенно важно для электромобилей (EV). По мере того, как электромобили становятся все более распространенными, они будут увеличивать спрос на электроэнергию в часы пик, поскольку профессионалы приходят домой с работы и подключают свои машины к розетке для ночной подзарядки. Чтобы предотвратить потребность в новых электростанциях для удовлетворения этого дополнительного спроса, электроэнергию необходимо будет хранить в непиковое время.Хранение также важно для домохозяйств, которые производят собственную возобновляемую электроэнергию: автомобиль не может заряжаться за ночь от солнечной энергии без системы хранения.

Интересно, что электромобили можно использовать в качестве резервного хранилища в периоды сбоев в электросети или всплесков спроса. Хотя большинство электромобилей сегодня не предназначены для подачи энергии обратно в сеть, автомобили с подключением к сети (V2G) могут накапливать электроэнергию в автомобильных батареях, а затем передавать эту энергию обратно в сеть. Аккумуляторы электромобилей по-прежнему можно использовать для хранения в сети даже после того, как они сняты с дороги: коммунальные службы используют батареи от бывших в употреблении электромобилей в качестве бывших в употреблении аккумуляторов энергии.Такие батареи можно использовать для хранения электроэнергии на срок до десяти лет для сетевых приложений. Пример этого можно найти в Эльверлингсене, Германия, где было собрано почти 2000 аккумуляторов от электромобилей Mercedes Benz, чтобы создать стационарную батарею размером с сеть, которая может удерживать почти 9 МВт мощности.

 

Федеральная политика и политика штата по хранению энергии


В феврале 2018 года Федеральная комиссия по регулированию энергетики (FERC) единогласно утвердила Приказ № 841, который требует от независимых системных операторов и региональных передающих организаций устранить барьеры для доступа к технологиям хранения энергии, заставив эти группы пересмотреть свои тарифы.FERC считает, что это приведет к усилению рыночной конкуренции в секторе энергосетей.

В мае 2018 года Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики (ARPA-E) выделило до 30 миллионов долларов на финансирование инноваций в области долгосрочного хранения энергии. Финансирование было направлено на программу «Дополнительная продолжительность хранения электроэнергии» (DAYS), которая направлена ​​на разработку новых технологий, позволяющих хранилищам энергии во всех регионах США питать электросеть до 100 часов.

Несколько штатов США проявляют большой интерес к хранению энергии, и их политика может служить источником вдохновения для других.

  • Гавайи , где импорт ископаемого топлива обходится очень дорого, находится в авангарде перехода к возобновляемым источникам энергии и накоплению энергии. Два недавних проекта Hawaiian Electric Industries стоят 8 центов за киловатт-час, что вдвое меньше, чем цена на ископаемое топливо в штате.
  • Массачусетс прошел H.4857 в июле 2018 года, поставив перед собой цель накопить 1000 МВтч энергии к концу 2025 года.
  • Нью-Йорк Губернатор Эндрю Куомо объявил в январе 2018 года, что штат Нью-Йорк поставил перед собой цель достичь 1500 МВт накопления энергии к 2025 году. В соответствии с этой директивой New York Green Bank согласился инвестировать 200 миллионов долларов в технологии хранения энергии.
  • Трем крупнейшим энергетическим кооперативам Калифорнии () было поручено создать к концу 2024 года общую мощность хранения 1325 МВт.В 2016 году к мандату добавились дополнительные 500 МВт.
  • В штате Орегон, закон HB 2193 предписывает, чтобы к 2020 году в сети работало 5 МВтч накопителей энергии.
  • Нью-Джерси прошел A3723 в 2018 году, в соответствии с которым к 2030 году цель Нью-Джерси по хранению энергии составит 2000 МВт.
  • Аризона Комиссар штата Энди Тобин предложил к 2030 году установить 3000 МВт в хранилищах энергии.

 

Автор: Александра Заблоцкий

Редакторы: Кэрол Вернер, Амори Лапорт

Аккумулятор электроэнергии

В связи с быстрым падением стоимости технологий солнечной и ветровой энергетики увеличение доли переменной возобновляемой энергии станет нормой, в то время как усилия по обезуглероживанию транспортного сектора ускоряются за счет использования электромобилей.Необходимость приспосабливаться к изменчивому энергоснабжению, обеспечивая при этом бесперебойную выработку в электроэнергетическом секторе, а также усилия по интеграции возобновляемых источников энергии в сектора конечного потребления резко выявили значительный потенциал, а также решающее значение накопления электроэнергии для обеспечения глубокого энергоснабжения. декарбонизация.

Аккумулирование электроэнергии, основанное на быстро совершенствующихся батареях и других технологиях, позволит повысить гибкость системы, что является ключевым преимуществом по мере увеличения доли переменных возобновляемых источников энергии.Говоря более конкретно, накопление электроэнергии делает возможным транспортный сектор, в котором доминируют электромобили; обеспечивает эффективные автономные солнечные домашние системы, работающие 24 часа в сутки; и поддерживает 100% возобновляемые мини-сети.

IRENA проанализировала текущие затраты и производительность ряда технологий хранения электроэнергии в стационарных приложениях, а также потенциал снижения затрат и повышения производительности до 2030 года в отчете «Хранение электроэнергии и возобновляемые источники энергии: затраты и рынки до 2030 года». Подчеркивая, что к 2030 году общая мощность хранения электроэнергии может утроиться в энергетическом выражении в сочетании с быстрым освоением возобновляемых источников энергии, что достаточно для удвоения доли возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе менее чем за полтора десятилетия.Аккумуляторное хранение электроэнергии может вырасти в 17 раз, а стоимость технологий аккумуляторного хранения снизится до 66%.


Хранение электроэнергии и возобновляемые источники энергии: затраты и рынки до 2030 г.

Это исследование показывает, что аккумуляторные системы хранения электроэнергии обладают огромным потенциалом развертывания и снижения затрат. К 2030 году общие затраты на установку могут снизиться на 50–60 % (а стоимость аккумуляторных элементов — еще больше) за счет оптимизации производственных мощностей в сочетании с лучшими комбинациями и сокращением использования материалов.

  • октябрь 2017 г.
  • |
  • Мощность, Затраты
  • |
  • английский, японский


Каждая технология хранения электроэнергии, о которой вам нужно знать

Мир вырабатывает и использует больше возобновляемой электроэнергии, чем когда-либо прежде, но во многих случаях она вырабатывается непостоянными – зависящими от погоды – источниками, такими как солнце и ветер.

Хотя они необходимы для обезуглероженного будущего, они не могут постоянно генерировать электроэнергию, и это может привести к перебоям в электроснабжении. Одним из возможных решений является хранение. Если мы сможем хранить возобновляемую электроэнергию из прерывистых источников, когда они способны генерировать, ее можно будет использовать тогда, когда они этого не делают.

Однако проблема в том, что технологии, способной накапливать электроэнергию в масштабе, достаточном для питания города, не существует… пока.

Гонка за его разработку идет полным ходом, и несколько компаний работают над созданием еще более крупных и эффективных методов хранения электроэнергии.От перекачки воды в горы до превращения воздуха в жидкость — вот новые технологии хранения (и некоторые существующие), формирующие ландшафт хранения:

  1. Насосная гидроэнергетика

Что, если бы мы могли питать города чем-то таким простым, как гравитация? И гора.

Аккумулятор гидроаккумулятора использует избыточную электроэнергию для перекачки воды из нижнего резервуара в более высокий (например, в гору или холм), где она хранится.Когда требуется электричество, вода выпускается из более высокого резервуара и стекает по естественному склону, проходя через обычную гидротурбину для выработки электроэнергии.

Насосные гидроэлектростанции являются одной из самых мощных форм хранения энергии в сети, и в настоящее время на ее долю приходится 99% всех объемных хранилищ во всем мире. Гидроаккумулирующая станция округа Бат в Вирджинии, США, часто упоминается как «самая большая в мире батарея» и может похвастаться мощностью более 3 гигаватт (ГВт), что почти равно выходной мощности электростанции Drax или электростанции. Хинкли Пойнт С.

Так в чем подвох? В то время как гидроаккумулирующие гидроаккумуляторы эффективны и способны удерживать огромную емкость, их главный недостаток заключается в том, что для их преобразования в гигантскую батарею требуется подходящая гора или холм. Неудивительно, что не каждый ландшафт предлагает его. Великобритания обладает ограниченным потенциалом, но имеет ряд гидроаккумулирующих сооружений, в том числе впечатляющий Динорвиг в районе Сноудония в Уэльсе, известный как Электрическая гора, который, как и Дракс, служит туристической достопримечательностью.

В декабре 2018 года Drax купил Cruachan Power Station, вторую по величине гидроаккумулирующую электростанцию ​​в Великобритании.Посетите Круачан — Полую гору.

  1. Маховики и суперконденсаторы

Некоторые из наиболее быстро реагирующих форм накопителей энергии, маховиков и суперконденсаторов могут как разряжаться, так и перезаряжаться быстрее, чем большинство обычных форм аккумуляторов.

Первый работает, раскручивая ротор (или маховик) до очень высоких скоростей, используя электрическую энергию. Этот процесс создает кинетическую энергию, которая эффективно хранится во вращающемся роторе до тех пор, пока она не потребуется, после чего кинетическая энергия преобразуется обратно в электричество.

Суперконденсаторы

используют аналогичный подход, но накапливают энергию электрически. Обладая комбинированными свойствами батареи и конденсатора, они накапливают энергию в виде статического заряда, но, в отличие от обычных батарей, во время зарядки или разрядки не происходит химической реакции.

  1. Литий-ионные батареи

Литий-ионные аккумуляторы уже стали популярным источником питания для большей части бытовой электроники благодаря их высокой плотности энергии и низкой скорости саморазряда.Но компании стремятся расширить свое использование за счет быстрого развития технологий, чтобы найти более широкое и лучшее применение, в первую очередь электромобилей (EV), и обеспечить безопасность поставок в национальные и региональные электрические сети.

В Южной Австралии Tesla только что завершила установку крупнейшего в мире завода по производству литий-ионных аккумуляторов. При мощности 100 мегаватт (МВт) он сможет снабжать 30 000 домов в час, например, когда стихает ветер и турбины ветряной электростанции, к которой он подключен, не производят много энергии.

Литий-ионные аккумуляторы

в настоящее время наиболее широко используются в электромобилях, но производители по-прежнему сталкиваются с проблемой снижения стоимости их производства до точки, при которой электромобили становятся широко доступными.

Tesla сделала достижение этого приоритетом, создав свою огромную «гигафабрику» в Неваде, чтобы помочь нарастить производство и снизить цены на батареи. Однако настоящий прорыв в этом вопросе еще впереди.

  1. Твердотельные батареи

Основная претензия к большинству бытовых аккумуляторов сегодня, будь то в смартфонах или электромобилях, заключается в том, что они просто не работают достаточно долго.Здесь у твердотельных аккумуляторов есть серьезное преимущество.

Используя твердые электроды и электролиты, а не жидкие электролиты (используемые в большинстве коммерческих батарей), твердотельные модели меньше, дешевле и имеют большую плотность энергии, чем литий-ионные батареи. Они также могут перезаряжаться намного быстрее и выделяют меньше тепла.

В электромобиле это может привести к повышению эффективности, снижению затрат и повышению безопасности эксплуатации. Единственная проблема заключается в том, что технология еще не совсем жизнеспособна в масштабе.Dyson и Toyota вкладывают серьезные деньги в эту технологию и считают, что она появится на рынке в 2020 году.

  1. Водородные топливные элементы

Водород — один из самых распространенных элементов на Земле, поэтому он является привлекательным топливом для любой технологии производства электроэнергии. Последними из появившихся являются водородные топливные элементы, популярность которых в автомобильной отрасли быстро растет.

Топливные элементы работают аналогично батареям с двумя электродами, разделенными электролитом.Однако вместо того, чтобы разряжаться и нуждаться в подзарядке, водородные топливные элементы могут продолжать производить электричество, пока через них постоянно прокачивается водород и окислитель.

Это означает, что для продолжения выработки электроэнергии необходимо регулярно подавать водород, что приводит к росту заправочных станций, где автомобили с водородным двигателем могут «заправляться» водородом, когда их аккумуляторы разряжены.

Помимо автомобилей, водородные топливные элементы также используются для питания зданий и спутников НАСА.

  1. Системы «автомобиль-сеть»

Но что, если бы электромобили могли не только использовать электричество, но и сами действовать как системы хранения энергии?

Между поездками все автомобили останавливаются на длительное время. Системы «автомобиль-сеть» (V2G) могут воспользоваться этим и дать электромобилям возможность разряжать накопленную электроэнергию для распределения по сети, помогая удовлетворить спрос в часы пик. По сути, автомобили могут стать мини-электростанциями.

Nissan и итальянский поставщик энергии Enel уже разработали планы по созданию такой системы и планируют установить около сотни точек зарядки «автомобиль-сеть» по всей Великобритании. Электромобили, подключенные к этим площадкам, смогут как заряжать свои батареи, так и возвращать накопленную энергию обратно в национальную сеть, когда это необходимо. Дракс тоже участвует в этой сфере, финансируя исследования систем V2G в Шеффилдском университете.

Интеллектуальные системы зарядки помогут еще больше автоматизировать эту передачу и получение электроэнергии и позволят электромобилям еще больше сократить общие выбросы углерода.

  1. Энергия сжатого воздуха

  Аккумуляторы сжатого воздуха работают аналогично гидроэлектростанциям, но вместо того, чтобы поднимать воду вверх, избыточное электричество используется для сжатия и хранения энергии под землей. Когда требуется электричество, сжатый воздух нагревается (что заставляет его расширяться) и высвобождается, приводя в действие турбину.

После гидроэнергетики сжатый воздух является второй по величине формой хранения энергии, и он постоянно совершенствуется, чтобы стать более эффективным и менее зависимым от ископаемого топлива для нагрева воздуха.

И, как и в случае с насосной гидроэнергетикой, это средство хранения для конкретного места. Обычно сжатый воздух лучше всего хранить в существующих геологических формациях, таких как заброшенные скальные породы или старые соляные шахты.

  1. Свинцово-кислотные аккумуляторы

Их технология может быть полуторавековой давности, но свинцово-кислотные батареи все еще используются сегодня по той простой причине, что они все еще работают.

Многие десятилетия разработок означают, что свинцово-кислотные аккумуляторы дешевы в производстве и очень надежны по сравнению с новыми инновациями в космосе.Сегодня они чаще всего используются в качестве автомобильных аккумуляторов, но они также долгое время служили автономным хранилищем для солнечных батарей.

Их недостатки включают токсичность используемых химикатов и короткий срок службы от 300 до 500 циклов. Однако программы утилизации этих свинцово-кислотных аккумуляторов оказались настолько эффективными, что в период с 2009 по 2013 год было переработано 99% аккумуляторов в США.

В то время как более эффективные, долговечные, быстро заряжающиеся и легкие аккумуляторы находятся в разработке, свинцово-кислотные модели остаются дешевыми, испытанными и испытанными стандартами для небольших хранилищ.

  1. Проточные окислительно-восстановительные батареи

Специально ориентированные на хранение возобновляемой энергии, проточные батареи значительно дешевле, чем литий-ионные хранилища в масштабе сети, и имеют более длительный жизненный цикл.

Проточные батареи состоят из двух резервуаров с жидкостями, которые закачиваются в реактор, где они генерируют заряд. Таким образом, вместимость хранилища определяется размером резервуаров, содержащих соответствующие жидкости, что может означать, что они громоздки и занимают много места.

Однако по сравнению с другими сетевыми системами хранения проточные батареи более экономичны, имеют меньшую уязвимость и могут хранить большое количество энергии в течение длительных периодов времени. площадь.  

Завод по производству жидкого кислорода, баки и теплообменники на фоне завода

  1. Сжиженный воздух

Какой более богатый ресурс можно использовать для хранения энергии, чем воздух вокруг нас? Охлаждая воздух до -196 o С, он превращается в сжатую жидкость, которую можно хранить.Когда окружающий воздух подвергается воздействию этой жидкости, он повторно газифицируется и быстро увеличивается в объеме, вращая при этом турбину.

Одним из основных преимуществ такой формы хранения является потенциально высокая емкость: впечатляющие 700 литров окружающего воздуха можно превратить всего в один литр сжиженного воздуха. Более того, есть потенциал для того, чтобы он стал еще более эффективным за счет использования отработанного тепла и холода промышленных процессов, таких как тепловые электростанции, сталелитейное производство или производство сжиженного природного газа (СПГ).

Британская компания Highview Power Storage в настоящее время проводит испытания технологии на заводе по производству свалочного газа в Пилисуот, где она будет обеспечивать хранение энергии, а также преобразовывать низкопотенциальное отработанное тепло в электроэнергию.

Хотите узнать больше? Следите за проектом Drax Repower, который включает в себя планы по хранению до 200 МВт. А Институт Грэнтэма по изменению климата и окружающей среде Имперского колледжа Лондона подготовил эту подробную инфографику, в которой сравниваются преимущества и проблемы, с которыми сталкиваются технологии хранения энергии.

«Лучшее еще впереди» для технологии накопления энергии

Достижения в области аккумуляторов, наряду с улучшением нормативно-правовой базы и увеличением инвестиций, могут сделать это десятилетие бурными 20-ми для хранения энергии.

В последние годы многие направления считаются приоритетными для электроэнергетики. Сеть по-прежнему сталкивается с рядом проблем, поскольку технологические достижения меняют способы производства и доставки электроэнергии.

Отраслевые аналитики сообщили POWER , что хранение энергии, будь то батареи, тепловые системы, механические хранилища, производство водорода или гидроэлектростанции, имеет решающее значение для развития энергетического сектора. Потребность в хранении считается первостепенной для электрификации транспорта и других предприятий, а также для дальнейшего роста использования возобновляемых источников энергии.

«Лучшее в области хранения энергии, безусловно, еще впереди», — сказал Райан Браун, соучредитель и генеральный директор канадского производителя цинк-ионных аккумуляторов Salient Energy.Браун сказал POWER : «Мы знаем, что отрасль почти во всех отношениях все еще находится в зачаточном состоянии. В то время как внедрение уже имеет смысл и быстро ускоряется, мир чистой энергии потребует установки дополнительных мощностей на триллионы долларов.

«Все более благоприятная нормативно-правовая среда для хранения энергии в сочетании с эволюцией бизнес-моделей, которые привлекают больше капитала в космос, означает, что 2020-е годы станут прорывным десятилетием для сектора хранения энергии», — сказал Браун.

1. Tesla входит в число компаний, стимулирующих рост в области хранения энергии. Технология Megapack компании, показанная здесь в рендеринге художника, представляет собой продукт для хранения в масштабе предприятия. Компания в недавнем отчете о прибылях и убытках сообщила, что ее развертывание накопителей энергии в 2020 году «впервые… превысило 3 ГВтч за один год, что на 83% больше по сравнению с предыдущим годом [2019]». Предоставлено: Тесла

У.Управление энергетической информации S. (EIA) в отчете за лето 2020 года заявило, что батареи являются ключевой частью перехода к энергетике (см. врезку), особенно когда речь идет об обеспечении хранения энергии в сети и электрификации транспорта. Системы накопления энергии на батареях (BESS) значительно выросли в США за последнее десятилетие (рис. 1). EIA сообщило, что в 2010 году на семь систем хранения аккумуляторов в США приходилось 59 МВт мощности. На конец 2018 года в эксплуатации находилось 125 систем с установленной мощностью 869 МВт.Эти цифры EIA не включают в себя недавнее увеличение емкости, в том числе 1,2 ГВт хранилища, установленного в США в 2020 году, которое должно быть введено в эксплуатацию в следующем году, большая часть из которых находится в Калифорнии.

Крупнейшая система Карибского бассейна обретает форму

В декабре был заложен фундамент для строительства крупнейшей в Карибском бассейне солнечной генерации и системы хранения энергии, строящейся на острове Сент-Китс. Это пример того, как хранилище поддерживает энергосистему, особенно в развивающихся регионах.Правительство Сент-Китс и Невис и государственная компания St. Kitts Electric Co. (SKELEC) запустили проект с владельцем Leclanché, швейцарской компанией по хранению энергии, которая выполняет функции основного проектирования, закупок и строительства (EPC). ) подрядчик. Система будет обеспечивать от 30% до 35% потребностей острова в энергии для базовой нагрузки в течение следующих 20–25 лет.

Проект микросети стоимостью 70 миллионов долларов представляет собой полностью интегрированную систему, состоящую из трех основных компонентов: солнечной фотоэлектрической системы мощностью 35,7 МВт (солнечное поле), 14.Система накопления энергии на литий-ионных батареях (BESS) мощностью 8 МВт/45,7 МВтч и запатентованное программное обеспечение Leclanché для системы управления энергопотреблением (EMS). Аккумуляторы системы будут размещены в 14 специально спроектированных корпусах рядом с главной электростанцией SKELEC и рядом с солнечным полем. Часть вырабатываемой электроэнергии будет покрывать ежедневную пиковую потребность острова в электроэнергии; оставшаяся энергия будет заряжать крупномасштабную BESS для удовлетворения второго пикового спроса после захода солнца.

«Этот проект экологически чистой энергии знаменует собой важную веху для наших граждан, туристической экономики, нашего более широкого делового сообщества и всего Карибского региона», — сказал д-р.Достопочтенный Тимоти Харрис, премьер-министр Сент-Китс и Невис. «Количество выбросов двуокиси углерода, которое мы сократим — почти на три четверти миллиона метрических тонн за 20 лет — является важной демонстрацией нашей твердой политики в отношении чистой возобновляемой энергии».

Лекланше работал со SKELEC над разработкой системы. Компания будет владеть и эксплуатировать объект в соответствии со своей стратегической моделью строительства, владения и эксплуатации, а также инвестировать через свою дочернюю компанию в Сент-Китсе, SOLEC Power, с партнером Solrid.Его программное обеспечение EMS интегрирует все компоненты системы и эффективно управляет подачей электроэнергии в сеть SKELEC, а также обеспечивает резерв вращения, регулирование частоты и функции балансировки нагрузки.

«Вместе мы разработали систему, строительство и текущее производство энергии которой будут со временем оплачиваться за счет продажи чистой и надежной солнечной энергии. Мы рады, что достигли обеих целей при разработке проекта, финансируемого хорошо зарекомендовавшими себя институциональными инвесторами», — сказал генеральный директор Leclanché Анил Сривастава.

После завершения, которое ожидается в первой половине 2022 года, солнечная система и система хранения заменят более четырех миллионов галлонов дизельного топлива в год. Ожидается, что в первый год он выработает около 61 300 МВтч электроэнергии.

Брайан Урбан является исполнительным вице-президентом Северная Америка для Leclanché.

Келли Спикс-Бэкман, бывший генеральный директор Ассоциации накопителей энергии, которая недавно была назначена на высший пост в США.S. Dept. of Energy заявил аудитории на конференции Distributed Energy Conference POWER в прошлом году, что в 2020 году количество аккумуляторных батарей удвоилось и, вероятно, утроилось бы, если бы не замедление строительства, вызванное пандемией COVID-19.

Снижение стоимости аккумуляторов способствовало росту. EIA сообщило, что стоимость хранения аккумуляторов для коммунальных предприятий в США упала почти на 70% в период с 2015 по 2018 год. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США (NREL) прогнозирует, что увеличение производства аккумуляторов и рыночная конкуренция будут продолжать снижать затраты.NREL недавно заявила, что к 2030 году средняя стоимость литий-ионных аккумуляторов снизится еще на 45%.

«Литий-ионные батареи остаются определяющей технологией для новых проектов по хранению энергии», — сказал Браун, отметив, что грядут перемены. «Новые технологии, которые обеспечивают повышение производительности и стоимости материалов, а также используют преимущества недорогого производства литий-ионных аккумуляторов, открывают серьезные перспективы для космоса».

Диапазон решений

Многие типы технологий накопления энергии включают батареи с рядом решений для электрохимического хранения, в том числе передовые химические батареи, проточные батареи и конденсаторы.Существует также аккумулирование тепла, улавливающее тепло и холод для производства энергии по запросу или для компенсации потребностей в энергии. Механическое хранение включает в себя технологии использования кинетической или гравитационной энергии для хранения электроэнергии.

2. Хранилище энергии Moss Landing расположено на территории работающей на природном газе электростанции Moss Landing Power Plant компании Vistra Energy в Калифорнии, принадлежащей Vistra с тех пор, как в 2018 году она приобрела предыдущего владельца объекта, Dynegy.Фаза 1 проекта накопления энергии была подключена к электросети в декабре 2020 года. Аккумуляторная система хранения энергии мощностью 300 МВт/1200 МВтч является одной из крупнейших в мире. Ожидается, что в этом году начнется эксплуатация второй фазы проекта, в результате которой будет добавлено еще 100 МВт/400 МВтч мощности. Предоставлено: Vistra Energy      

«Мы следили за хранением в течение многих лет, и оно всегда было «почти» там», — сказал Мортен Лунд, партнер группы развития энергетики Stoel Rives и председатель инициативы фирмы по хранению энергии.Лунд сказал, что наличие хранилища, подключенного к солнечным энергетическим установкам, «почти стандартно для США. Вы можете использовать пикеры [пиковые установки, работающие на газе] для краткосрочного выравнивания и хранилища, когда вам нужно позаботиться о перегенерации. Это делает его наиболее экономичным решением этой проблемы в Калифорнии (рис. 2).

«Мы прошли через несколько технологических циклов», — сказал Лунд POWER . «Литий-ионная технология является доминирующей технологией и, вероятно, останется таковой в обозримом будущем.Это относительно дешево, и это работает, [и] то, что сейчас работает лучше, стоит дороже. В этой стране эти решения принимаются рынком, а рынок ищет достаточно хорошие и недорогие вещи в данный момент».

Технология хранения включает насосную гидроэнергетику, создающую крупномасштабные резервуары энергии с запасенной водой. А еще есть водород, где избыточное производство электроэнергии может быть преобразовано в водород путем электролиза и сохранено.

«Водород, безусловно, является самой захватывающей современной технологией, которая будет продвигаться в промышленности, хотя это также старая технология, получившая новую жизнь», — сказал Брайан Рестол, старший директор Quinbrook Infrastructure Partners, инвестиционная компания по возобновляемым источникам энергии.«Водород, безусловно, является самой большой конкуренцией батареям для стационарных и автомобильных приложений».

Рестолл сказал, что важно разработать альтернативы литий-ионным системам хранения. «По мере того, как электромобили становятся все более популярными и популярными, цепочки поставок литий-ионных аккумуляторов испытывают трудности с поставками как стационарных, так и автомобильных приложений», — сказал Рестолл POWER . «Для стационарного хранения энергии литий-ион имеет относительно ограниченную способность поддерживать потребности в хранении энергии более 2 часов.В результате этого, а также опасений ESG [экологических, социальных и управленческих] по поводу кобальта, приятно видеть, что промышленность инвестирует в альтернативную химию, такую ​​как LFP [литий-железо-фосфат] для замены литий-иона, а также рост в проточных батареях, таких как Eos [который предлагает устройство с гибридным цинковым катодом]».

«Я надеюсь, что водород как носитель энергии станет жизнеспособным. Водород существует уже давно», — сказала Келли Эколс, партнер Stoel Rives и сопредседатель рабочей группы по энергетическим технологиям.«Я надеюсь, что мы на самом деле можем быть на пороге, когда этот P2H [электроэнергия для водорода] станет реальностью, где его можно будет производить на достаточно низком уровне, чтобы быть рентабельным».

Эколс сказал СИЛА : «Похоже, спрос действительно есть, особенно в топливных элементах. Вы можете хранить его дольше, а с топливными элементами, возможностью хранения, способами, которыми вы можете удерживать этот водород, это может быть дольше. Кажется, есть большой интерес к этому комбинированному электрическому водородному будущему, где они дополняют друг друга, а не конкурируют… где водород используется в дальнемагистральных грузоперевозках, и мы видим интерес к воздушному транспорту.

Эрик Мартин, партнер Stoel Rives, специализирующийся на разработке природных ресурсов, сказал POWER : «С точки зрения водорода, коммунальные предприятия, которые сталкиваются с этой перспективой, — это то место, где общественность обеспокоена выбросами ПГ [парниковых газов] и изменением климата. Это способ адаптировать существующую инфраструктуру к менее требовательному к климату способу. Затем есть функция спроса со стороны конечных пользователей. Если вы являетесь владельцем/оператором автопарка и [решаете], какой тип транспортных средств у вас будет, то вполне возможно [водород] можно внедрить.

Аппаратное обеспечение, программное обеспечение, надежность

Аппаратное обеспечение, связанное с хранением энергии — батареи, инверторы и т. д. — получает большое внимание при обсуждении систем хранения. Однако Шамик Мехта, директор по маркетингу продуктов Data Platform в Intertrust, сказал POWER , что «программное обеспечение является одним из наиболее важных компонентов BESS. Программное обеспечение контролирует и устанавливает ограничения на то, насколько каждая ячейка может быть заряжена, разряжена, как быстро заряжаться или разряжаться и многое другое».

Мехта сказал, что программное обеспечение «должно определять состояние заряда и глубину разряда каждого отдельного элемента, а также отслеживать состояние и температуру каждого элемента.Когда типичный аккумуляторный блок может содержать до десятков тысяч элементов, это быстро становится проблемой. Будь то энергетический арбитраж, реагирование на спрос или другие приложения для хранения энергии, программное обеспечение и связанные с ним алгоритмы определяют правильное время для зарядки и разрядки, контролируя, насколько, далеко или быстро заряжать или разряжать каждую ячейку и упаковку, а также когда».

«Там, где аккумулятор действительно имеет место, так это в надежности», — сказал Энтони Шоу, генеральный директор и основатель Progeneration Energy, разработчика энергетических проектов в Техасе.«Я думаю, что хранилище — это следующая эволюция. Если вас устраивает солнечная энергия, то следующим шагом будет вопрос об аспекте хранения. Прямо сейчас для многих хранение — это приятно иметь. Предполагается, что если батарея используется просто для хранения избыточной энергии, она не разрядится».

Шоу рассказал POWER о проекте, над которым работала его компания — объекте, которому «требовалась дополнительная выгода от резервного питания. Для них наличие компонента хранения имело смысл». Он сказал, что стоимость батарей была проблемой, но технологические достижения помогают в этом отношении.

«Они движутся в правильном направлении, и движутся очень быстро», — сказал он. «Стоимость [начала] масштабного производства, вероятно, является следующим шагом».

Zinc Air — прорыв?

В январе международная группа исследователей объявила, что они достигли прорыва в разработке воздушно-цинковых батарей, альтернативы литий-ионным, которые могут быть дешевле в производстве и требуют меньше проблем при добыче полезных ископаемых. Группа, возглавляемая Вэй Суном, исследователем из Университета Мюнстера в Германии, заявила, что они близки к созданию батареи, которая не загорится благодаря включению воды вместе с гидрофобной солью цинка.

Аккумулятор может быть особенно полезен для хранения энергии в коммунальном масштабе, сказал Чуншэн Ван, директор Центра исследований экстремальных аккумуляторов в Университете Мэриленда и соавтор статьи, опубликованной в журнале Science. «Мы считаем, что у них есть потенциал для конкуренции с литий-ионными батареями», — сказал Ван.

Группа заявила, что воздушно-цинковые батареи

обычно не используются для хранения энергии в сети из-за их химической нестабильности и относительно короткого жизненного цикла.Но Ван сказал, что эти батареи могут быть более безопасными, чем литий-ионные элементы, потому что они содержат негорючую воду и имеют «архитектуру с открытыми элементами», а не закрытую структуру. Ван сказал, что цинк также менее вреден для окружающей среды при добыче и производстве по сравнению с литием.

Роберто Денти, операционный директор греческого разработчика систем хранения данных Systems Sunlight, сообщил POWER , что, хотя основное внимание в области накопления энергии «было уделено потребительскому автомобильному сектору, существуют значительные возможности для развития в промышленном секторе, в частности. , сектор возобновляемых источников энергии, для создания безопасных, надежных и устойчивых аккумуляторов для тяжелых условий эксплуатации, таких как хранение энергии для солнечных и ветряных электростанций.Возможность также кроется в других областях, где необходимы промышленные батареи, таких как судоходство, электрические автобусы и автоматизированные управляемые транспортные средства», или AGV, которые являются рынком Sunlight.

«Разрабатывая новые технологии, которые откроют будущее чистой энергии, мы надеемся увидеть широкомасштабное внедрение приложений для хранения энергии, что приведет к полностью электрифицированной отрасли», — сказал Денти.

Даррелл Проктор — помощник редактора POWER ( @POWERmagazine ).

Хранение энергии – Анализ – IEA

Ожидается, что несколько крупных политик и проектов, о которых было объявлено в прошлом году, будут стимулировать рост глобального развертывания систем хранения энергии, опираясь на значительный прогресс в 2020 году. для интеграции возобновляемых источников энергии и ввода в эксплуатацию отложенных проектов. В июле 2021 года Китай объявил о планах к 2025 году установить более 30 ГВт накопителей энергии (без гидроаккумулирующих электростанций).По состоянию на 2020 год это почти десятикратное увеличение установленной мощности. В декабре 2020 года Конгресс одобрил законопроект о помощи Covid-19 на сумму 900 миллиардов долларов США, который включал двухлетнее продление налоговой льготы на инвестиции в солнечную энергию (в пользу развертывания систем хранения, привязанных к солнечной энергии), а также Закон о лучших технологиях хранения энергии, разрешающий более 1 доллара США. миллиардов в течение пяти лет для поддержки исследований и коммерциализации ряда технологий хранения.В январе 2021 г. Белый дом издал указ, в котором обещает к 2035 г. создать безуглеродный сектор электроэнергетики. Ведущим рынком Европы в настоящее время является Германия, где количество установок за счетчиком почти удвоилось. Тем временем британский оператор национальной электросетевой системы проводит еженедельные пробные аукционы и в октябре 2020 года запустил свою службу частотной характеристики динамического сдерживания, предоставляя значительные возможности для хранения с требованиями к быстрому реагированию, которые в основном удовлетворяются батареями.

В Korea развертывание выросло на 6% в 2020 году после резкого падения в период с 2018 по 2019 год. Схемы федерального субсидирования, которые помогли Корее стать ведущим рынком хранения данных в 2018 году, были прекращены в январе 2021 года, что, вероятно, приведет к меньше развертываний хранилищ в ближайшей перспективе.

В Японии продолжился сильный рост установок засчетного хранения, достигнув почти 300 МВт в 2020 году. Австралия остается ключевым рынком для засчетного следующие несколько лет.

Хранилище энергии | Возобновляемые ресурсы | Производство электроэнергии | Услуги

Возобновляемая генерация и распределенные энергетические ресурсы создают потребность в больших возможностях хранения энергии для всех производителей электроэнергии. Независимо от того, продвигают ли ваши проекты по хранению энергии технологические достижения, правила или стимулы, мы являемся партнером, способным найти подходящее решение.

По мере роста рынка мы работаем с различными источниками электроэнергии, чтобы понять, как появляются новые технологии хранения и как развиваются существующие.В нашем послужном списке более 40 000 мегаватт-часов аккумуляторных батарей, и мы активно работаем над пилотными проектами, которые продвигают разработку новых технологий хранения. Наша команда имеет опыт работы с рядом систем, включая литий-ионные, проточные батареи, гидронасосы, сжатый воздух, криогенный или жидкий воздух, аккумулирование тепловой энергии, водородное и гравитационное накопление энергии.

Хранение энергии через строительную линзу прямого проката

Мы являемся комплексным подрядчиком по проектированию, поставкам и строительству (EPC) с полным спектром услуг, задействуя нашу вертикальную внутреннюю команду для выполнения инженерных, экологических, закупочных и прямых строительных проектов по хранению энергии и подключению подстанций.Наша команда EPC обладает знаниями и опытом во всех аспектах реализации и разработки проектов, включая оценку состояния окружающей среды, исследования взаимосвязей и реализацию проектов. Через наши дочерние компании мы можем интегрировать строительные возможности и ресурсы с прямой арендой.

Проекты по хранению энергии могут выиграть от ряда стратегий реализации. Помимо нашей интегрированной модели EPC, мы выполняем роль инженера владельца, выступая в качестве дополнения к вашему персоналу, чтобы убедиться, что планы соблюдаются и ожидания оправдываются.Наш обширный опыт дает нам различные точки зрения, необходимые для выявления ваших рисков, их анализа и помощи в принятии правильных решений и инвестиций.

Наши услуги по управлению программами позволяют вашей команде сосредоточиться на своем основном бизнесе, в то время как мы объединяемся с вашими сотрудниками и партнерами для координации планирования, проектирования и строительства на всех этапах. Мы работаем с вами, чтобы выбрать консультантов и субподрядчиков, администрировать контракты, отслеживать графики и бюджеты, помогать в трудовых отношениях, внедрять программы безопасности, координировать свои действия с федеральными, государственными и местными агентствами и управлять связями с общественностью.

Услуги от начала проекта до завершения

Как интегрированная EPC-компания, мы не ограничиваемся детальным проектированием и координацией системы. У нас есть большой опыт работы с высоковольтными соединительными устройствами и модульными решениями, которые могут решить проблемы сети.

Мы можем выполнить экологические исследования, необходимые для обеспечения соответствия вашего проекта федеральным, государственным и местным нормам. Мы работаем с агентствами по всей стране, чтобы соответствовать критериям смягчения последствий, исследований, исследований и разрешений.Мы можем контролировать проекты на протяжении всего строительства, запуска и эксплуатации.

Через нашу консультационную компанию 1898 & Co. по вопросам бизнеса, технологий и безопасности мы предоставляем ряд услуг по планированию и разработке проектов, включая помощь кредиторам. Наша команда 1898 & Co. оказывает помощь в стратегическом выборе площадки, планировании генерирующих ресурсов, выборе лицензиара, технических консультациях, оценке активов, независимых инженерных услугах, а также комплексной проверке слияний, приобретений и продаж.

Требования к опыту работы с батареями

Поскольку аккумуляторные технологии меняются, вы можете положиться на нашу команду, чтобы быть в курсе систем и методов, влияющих на эффективность и текущее управление системами хранения. Наш опыт включает в себя:

  • Литий-ионный аккумулятор для хранения. Литий-ионные системы становятся все более доступными и гибкими. Объединение с ветровой, солнечной или газовой генерацией может оптимизировать работу объекта, обеспечить возможность запуска из обесточенного состояния или предоставить вспомогательные услуги.Аккумуляторы также могут помочь отсрочить затраты на модернизацию трансмиссии.
  • Проточная батарея для хранения. Для восьмичасовых, 12-часовых и более периодов хранения поточная технология может быть решением, основанным на ее способности выдерживать большое количество циклов, развязке номинальной мощности и энергопотребления, а также ограниченном или отсутствующем снижении мощности.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.