Die Internationale Energieagentur prognostiziert, dass der weltweite Anteil erneuerbarer Energien an der gesamten Energieproduktion bis 2021 auf 28 % steigen wird. Gleichzeitig werden sich Technologien entwickeln, die Lösungen bieten können Hauptproblem„grüne“ Energie – ungleichmäßige Stromerzeugung. Experten sind zuversichtlich, dass die Energiespeicherbranche in naher Zukunft ein rasantes Wachstum erleben wird.

Ein Solarkraftwerk arbeitet nur bei Tageslicht und bei wolkenlosem Himmel effektiv, und eine Windkraftanlage arbeitet nur, wenn der Wind weht, und diese Produktionsausfälle müssen irgendwie kompensiert werden. Speichern Sie beispielsweise einen Teil der erzeugten Energie mithilfe von Industriebatterien und verbrauchen Sie diese während der abendlichen und morgendlichen Verbrauchsspitzen.

Energiespeicher werden auch bei Unfällen in Stromnetzen nützlich sein. Wie Maxim Ryabchitsky, Leiter des ABB-Schulungszentrums in der Russischen Föderation, feststellt, sind heute die Mengen an Stromproduktion und -verbrauch ausgeglichen und Kraftwerke werden an den Zeitplan des Verbrauchers angepasst. Bei plötzlichen Ausfällen im Energiesystem, deren Ausmaß mit dem russischen vergleichbar ist, wird die Situation jedoch durch eine Batterie mit einer Kapazität von 10–20 MW gerettet, die in der Lage ist, das Energiedefizit für 1,5–2 Stunden zu decken.

Mit staatlicher Unterstützung

Laut dem Chef von Rusnano, Anatoly Chubais, wird der Anteil erneuerbarer Energiequellen an der Gesamterzeugungsmenge bis 2050 40 % der globalen Energiebilanz betragen und die Stromspeicherung wird zu einer kommerziell etablierten Technologie, wodurch „ wir werden zu einer anderen Energiewirtschaft kommen.“

„Die globale und russische Elektrizitätswirtschaft ist einen Schritt davon entfernt, das grundlegende technologische Prinzip zu transformieren – die Angleichung des Erzeugungs- und Verbrauchsniveaus zu einem einzigen Zeitpunkt. Eine bahnbrechende Technologie, die Erzeugung und Verbrauch trennt, ist die Energiespeicherung. Diese Technologie wird das gesamte Versandsystem, das Verhältnis von traditionellem und alternativem Strom und vieles mehr völlig verändern. Wenn wir der Energiespeichertechnologie eine gute IT-Logik hinzufügen, wird das zweifellos eine Revolution sein“, glaubt Chubais.

Auch auf Landesebene gibt es ein Verständnis für das Problem. Anfang dieses Jahres beauftragte der stellvertretende Ministerpräsident Arkady Dvorkovich das Energieministerium und Rusnano, technische Spezifikationen für die Schaffung eines staatlichen Programms zur Unterstützung eines industriellen Stromspeicherclusters (Stromspeicherung) zu entwickeln. Die Teilnehmer des Treffens mit dem stellvertretenden Ministerpräsidenten waren auch der Ansicht, dass die industrielle Stromspeicherung am Beginn eines Booms stehe, der isolierte, kleine Stromparks und den Transport betreffen werde.

Rusnano glaubt, dass staatliche Unterstützung einen Pool nationaler Akteure auf dem Markt schaffen wird. Es ist geplant, die Nachfrage nach Speichergeräten anzukurbeln, indem die Risiken von Investitionsprojekten ausgeglichen und deren Investitionsattraktivität erhöht werden. Der Einsatz von Industriebatterien werde es ermöglichen, kostengünstige lokale Stromversorgungssysteme zu schaffen, Verbrauchsspitzen zu glätten und Stromhandelsmärkte für dezentrale Energie zu schaffen, betont das Unternehmen.

Elektrochemie und Leben

Derzeit wurden viele Methoden erfunden, um Strom in großem Maßstab zu speichern, der Bau herkömmlicher elektrochemischer Batterien in der Größe eines Hauses hat jedoch Vorrang.

Die Gesamtkapazität der in Betrieb befindlichen und im Bau befindlichen industriellen Energiespeicheranlagen weltweit beträgt nach Angaben des Beratungsunternehmens IHS etwa 3 GW. Analysten sind jedoch zuversichtlich, dass die Energiespeicherbranche in naher Zukunft ein schnelles Wachstum verzeichnen wird.

Die Hauptprobleme experimenteller industrieller Speichergeräte sind hohe Kosten und geringe Kapazität; es gibt noch keine wirtschaftlich vertretbare Massentechnologie für ihren Bau (hier sticht die Tesla-Technologie hervor, die weiter unten diskutiert wird). Laut Maxim Ryabchitsky hat die in den letzten 20 Jahren durchgeführte Forschung viele Muster (sogar die exotischsten) von Stromspeichern hervorgebracht, diese sind jedoch noch nicht über den Pilotbetrieb hinausgekommen, und bestehende Batterien sind zu teuer und haben einen geringen Wirkungsgrad . Das heißt, Batterien sind immer noch teurer als Solarkraftwerke selbst.

Direktor des Unternehmensverbandes Solarenergie Anton Usachev prognostiziert, dass mit dem wachsenden Anteil erneuerbarer Energiequellen in der Energiebilanz der Bedarf an leistungsfähigen Stromspeichersystemen steigen wird; die größte Nachfrage wird in Ländern bestehen, die einen Anteil erneuerbarer Energiequellen an der Stromerzeugung von mindestens 25–30 % planen. .

Die Leistung der heute weltweit eingesetzten Stromspeicherlösungen beträgt in der Regel nicht mehr als 1–2 MW. So startete die italienische Enel im Herbst 2015 in Catania den ersten Stromspeicher an einer Solarstation von 10 MW mit einer Batteriekapazität von 2 MWh und plant in Süditalien einen Windpark von 18 MW mit ebenfalls Lithium-Ionen-Batterien 2 MWh.

Im deutschen Dorf Feldheim ist Europas größter industrieller Energiespeicher entstanden. Das Unternehmen heißt offiziell Regionalregulierungskraftwerk. Der Zweck der Station mit einer Leistung von 10 MW und einer Batteriekapazität von 10,8 MWh besteht darin, überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu speichern, die Stabilität des Stromnetzes zu gewährleisten und vorübergehende Frequenzänderungen auszugleichen.

Eine Reihe von Unternehmen (RWE, Vionx, LG, SMA, Bosch, JLM Energy, Varta) haben damit begonnen, den Markt mit Energiespeichersystemen für Industrie und Privathaushalte zu beliefern, die auch mit verschiedenen Lithium-Ionen-Batterien betrieben werden, hauptsächlich Lithiumeisenphosphat (LiFePO4). ) sowie Vanadiumbatterien. Japan ist mit der Heißbatterietechnologie weiter fortgeschritten als andere. In diesem Zusammenhang sind die Leistungen von Tesla nicht zu übersehen, das hier nicht zuletzt dank der kompetenten PR seiner Produkte, des hervorragenden Designs, der fortschrittlichen technologischen Lösungen und des „aggressiven“ Preises die Nase vorn hat.

Letztes Jahr stellte Elon Musk das Powerwall-Projekt vor – eine wandmontierte Lithium-Ionen-Batterie für zu Hause mit einer Kapazität von 10 kWh (das sind etwa ein Dutzend Standard-Autobatterien). Der Akku reicht zur Abdeckung aus Tagesbedarf in der Stromversorgung einer durchschnittlichen amerikanischen Familie. Es kostet 3500 $. Interessanterweise ermöglicht die Entwicklung von Tesla die Erweiterung des Systems auf bis zu neun Einheiten, indem zusätzliche Powerwall-Einheiten hinzugefügt werden.

Eine wirklich industrielle Batterie wird jedoch höchstwahrscheinlich eine andere Entwicklung von Tesla sein – die Powerpack-Batterie. Es ähnelt in Aussehen und Größe einem Kühlschrank und hat eine zehnmal größere Kapazität als die Powerwall – 100 kWh. Auch das Powerpack ist ein Modul. Durch das Hinzufügen solcher Module zum Speicher können Sie die Speicherkapazität nahezu unbegrenzt erhöhen. Laut Elon Musk gibt es in den USA bereits Energieunternehmen, die auf Basis der Powerpack-Technologie arbeiten und über eine Speicherkapazität von 250 MWh verfügen.

Nach Berechnungen von PwC kann die Speicherung und Verteilung von Strom über ein Netzwerk in Höhe von 5.000 MWh in den Vereinigten Staaten bei Kosten inklusive Installation von 350 US-Dollar pro 1 kWh wirtschaftlich rentabel sein. Der Preis pro Kapazitätspunkt beim Einsatz von Powerpack-Modulen beträgt 250 $.

Alternatives Horten

Eine Alternative zu elektrochemischen Industriebatterien könnte der Bau „grüner“ Energieanlagen in der Nähe von Pumpspeicherkraftwerken sein – Pumpspeicherwerken, die Energie in Form von Wasser speichern. Der ursprüngliche Zweck von Pumpspeicherkraftwerken besteht darin, die Heterogenität des täglichen Stromlastplans auszugleichen. Mit der Entwicklung erneuerbarer Energiequellen können Pumpspeicherwerke auch die Diskretion der Energieerzeugung durch Solarkraftwerke und Windkraftanlagen ausgleichen.

Nach Angaben des US-Energieministeriums sind derzeit weltweit 292 Pumpspeichersysteme mit einer Gesamtkapazität von 142 GW in Betrieb. Weitere 46 Stationen mit einer Gesamtkapazität von 34 GW sind im Bau. Der Wirkungsgrad moderner Pumpspeicherkraftwerke liegt bei 70–75 %.

„Unter allen Energiespeichertechnologien sind Pumpspeichersysteme die zuverlässigsten, bewährtesten und kommerziell rentabelsten Batterien“, sagt Vladimir Koritarov, Mitarbeiter des Energieministeriums am Argonne National Laboratory (Illinois). Seiner Meinung nach sind 98 % der bestehenden Energiespeicher weltweit Pumpspeicherkraftwerke. Heute stehen Pumpspeicherkraftwerke wieder im Fokus, nicht zuletzt im Zusammenhang mit dem Boom erneuerbarer Energiequellen, sagt Koritarov.

In Spanien beispielsweise, wo etwa 20 % der Energie durch Wind erzeugt werden, werden die Speicher des Wasserkraftwerks Cortes-La Muela in windigen Nächten von Windparks gefüllt, und wenn der Wind nachlässt oder der Energiebedarf steigt, wird Wasser aus dem Wasserkraftwerk entnommen Das Oberbecken wird zum Antrieb von Turbinen und zur Energieerzeugung genutzt. Mit einer Kapazität von 1.762 MW ist es der größte Komplex seiner Art in Europa und kann 500.000 Haushalte mit Strom versorgen.

In den USA befindet sich das Pumpspeicherkraftwerksprojekt JD Pool im US-Bundesstaat Washington mit einer Leistung von 1.200 MW in der Planungsphase. Die beiden Überkopfreservoirs werden zwischen Reihen von Windkraftanlagen auf dem Columbia-Plateau platziert. Die Gesamtkapazität von 47 Windkraftanlagen in den Bundesstaaten Washington und Oregon in unmittelbarer Nähe des geplanten Pumpspeicherkraftwerk-Baufelds beträgt 4.695 MW. Dies reicht aus, um nicht nur umliegende Unternehmen und Haushalte mit Strom zu versorgen, sondern auch die JD Pool-Tanks mit Wasser zu füllen.

Allerdings gibt es heute gewisse Schwierigkeiten bei der Kombination von Solarkraftwerken und Pumpspeicherkraftwerken. Typischerweise befinden sich große Solarkraftwerke in heißen Wüstengebieten, in denen es Wasserprobleme gibt. Allerdings kann dieses Problem bei Vorhandensein tiefer unterirdischer Horizonte gelöst werden. Allerdings muss viel Wasser aus dem Untergrund abgepumpt werden, denn bei einem Pumpspeicherkraftwerk kommt es auf die Größe an.

Fantasie ohne Bremsen

Wenn es einen Auftrag und ein Budget gibt, beginnen die Gehirne der Wissenschaftler mit Hochdruck zu arbeiten. In Laboren auf der ganzen Welt wird nach Alternativen zur Energiespeicherung zu chemischen Batterien gesucht, was zum Teil zu sehr exotischen Projekten führt.

Das britische Ministerium für Energie und Klimawandel hat in die Entwicklung einer Energiespeicheranlage investiert, die mit verflüssigter Luft betrieben wird. Die Anlage erhielt den Namen LAES und entwickelt eine Leistung von 350 kWh. Die Tests waren erfolgreich und das Projekt hat Aussicht auf Skalierung.

Die Installation funktioniert wie folgt. Bei Stromüberschuss wird die Luft in einem 12 m hohen Behälter mit 3 m Durchmesser verflüssigt und bei Bedarf wieder in Strom umgewandelt.

In der Gegend von Tehachapi (Kalifornien, USA) gibt es einen weiteren ungewöhnlichen experimentellen Speicher, der Energie mithilfe der Schwerkraft speichert. Sie heißt ARES und sieht aus wie eine Kindereisenbahn (die Spurweite beträgt nur 381 mm). Wenn der Wind weht, fährt der Anhänger, angetrieben von einem Elektromotor, den Ast entlang bergauf und sammelt dabei Energie. Wenn der Wind nachlässt, rollt das Gerät nach unten. In diesem Moment arbeitet sein Motor als Generator und versorgt das Netzwerk mit Energie.

Die Rutsche befindet sich neben dem Windkraftanlagenpark. Das Gewicht des Versuchswagens beträgt 5670 kg. Einer der Vorteile des Projekts sind die geringeren Lebenszykluskosten im Vergleich zu Batterien. Gleichzeitig liegt der Wirkungsgrad des Systems bei 86 %.

Zukünftig ist im benachbarten Nevada, wo es aufgrund des Wassermangels nicht möglich ist, das gleiche Pumpspeicherkraftwerk zu bauen, der Bau einer Anlage mit einer gespeicherten Energiemenge von 12,5 MWh geplant. Dabei handelt es sich um ein einziges Pumpspeicherkraftwerk. 8 km lange Strecke mit einer Steigung von 6,6 Grad. Auf ihr werden sich 17 Kupplungen bewegen: zwei Lokomotiven mit je 220 Tonnen Gewicht und zwei Waggons mit Betonblöcke mit einem Gewicht von jeweils 150 Tonnen.

Quellen: ITAR-TASS, Zeitung Kommersant, Websites erneuerbarenergyworld.com, digitalsubstation.ru,tesla.com/powerwall, resilience.org, alternativenergy.ru

Die Elektrizitätswirtschaft ist einer der wenigen Bereiche, in denen es keine großtechnische Lagerung der produzierten „Produkte“ gibt. Die industrielle Energiespeicherung und die Produktion verschiedener Arten von Speichergeräten ist der nächste Schritt in der großen Elektrizitätswirtschaft. Jetzt ist diese Aufgabe besonders akut – zusammen mit der rasanten Entwicklung erneuerbarer Energiequellen. Trotz der unbestreitbaren Vorteile erneuerbarer Energiequellen bleibt ein wichtiges Problem bestehen, das vor der breiten Einführung und Nutzung alternativer Energiequellen gelöst werden muss. Obwohl Wind- und Solarenergie umweltfreundlich sind, erfolgt ihre Erzeugung intermittierend und erfordert eine Energiespeicherung für die spätere Nutzung. Für viele Länder wäre die Beschaffung saisonaler Energiespeichertechnologien eine besonders dringliche Aufgabe – aufgrund der großen Schwankungen im Energieverbrauch. Ars Technica hat eine Liste erstellt beste Technologien Energiespeicherung, wir werden über einige davon sprechen.

Hydrospeicher

Die älteste, ausgereifteste und am weitesten verbreitete Technologie zur Speicherung großer Energiemengen. Das Funktionsprinzip des Hydrospeichers ist wie folgt: Es gibt zwei Wassertanks – einer liegt über dem anderen. Bei geringem Strombedarf wird die Energie genutzt, um Wasser in das Oberbecken zu pumpen. Zu Spitzenzeiten des Stromverbrauchs wird Wasser zu einem dort installierten Hydrogenerator abgeleitet, das Wasser dreht eine Turbine und erzeugt Strom.

In Zukunft plant Deutschland, alte Kohlebergwerke zur Errichtung von Pumpspeichertanks zu nutzen, und deutsche Forscher arbeiten an der Schaffung riesiger Hydrospeicherkugeln aus Beton, die auf dem Meeresboden platziert werden. In Russland gibt es das PSPP Zagorskaya, das am Fluss Kunya in der Nähe des Dorfes Bogorodskoye im Bezirk Sergiev Posad in der Region Moskau liegt. Das PSPP Zagorskaya ist ein wichtiges Infrastrukturelement des Energiesystems des Zentrums, das an der automatischen Regulierung von Frequenz- und Leistungsflüssen beteiligt ist und tägliche Spitzenlasten abdeckt.

Wie Igor Ryapin, Abteilungsleiter des Verbandes „Community of Energy Consumers“, auf der vom Energy Center der Skolkovo Business School organisierten Konferenz „New Energy“: Internet of Energy sagte, ist die installierte Kapazität aller Hydrospeicher in der Die weltweite Leistung liegt bei etwa 140 GW. Zu den Vorteilen dieser Technologie gehören eine hohe Zyklenzahl und eine lange Lebensdauer sowie ein Wirkungsgrad von etwa 75-85 %. Allerdings erfordert der Einbau von Hydrospeichern besondere geografische Bedingungen und ist teuer.

Druckluft-Energiespeicher

Diese Art der Energiespeicherung ähnelt im Prinzip der Wasserkrafterzeugung – allerdings wird statt Wasser Luft in die Speicher gepumpt. Mithilfe eines Motors (elektrisch oder anders) wird Luft in den Vorratstank gepumpt. Zur Energieerzeugung wird Druckluft freigesetzt und dreht die Turbine.

Der Nachteil dieses Speichertyps ist der geringe Wirkungsgrad, da ein Teil der Energie bei der Gaskompression in thermische Form umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad beträgt nicht mehr als 55 %; für eine rationelle Nutzung benötigt der Antrieb viel billigen Strom, sodass die Technologie derzeit hauptsächlich zu Versuchszwecken eingesetzt wird und die weltweit installierte Gesamtleistung 400 MW nicht überschreitet.

Geschmolzenes Salz zur Speicherung von Solarenergie

Geschmolzenes Salz speichert die Wärme lange und wird daher in Solarthermieanlagen eingesetzt, wo Hunderte von Heliostaten (große, auf die Sonne gerichtete Spiegel) die Wärme sammeln Sonnenlicht und erhitzen Sie die Flüssigkeit im Inneren – in Form von geschmolzenem Salz. Dann wird es zum Tank geleitet und dreht dann über einen Dampferzeuger die Turbine, die Strom erzeugt. Einer der Vorteile besteht darin, dass geschmolzenes Salz bei einer hohen Temperatur von mehr als 500 Grad Celsius arbeitet, was zum effizienten Betrieb der Dampfturbine beiträgt.

Diese Technologie hilft, die Arbeitszeiten zu verlängern oder Räume zu heizen und abends Strom bereitzustellen.

Ähnliche Technologien werden im Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park eingesetzt – dem weltweit größten Netzwerk von Solarkraftwerken, vereint auf einem einzigen Raum in Dubai.

Flow-Redox-Systeme

Flow-Batterien sind ein riesiger Elektrolytbehälter, der durch eine Membran geleitet wird und eine elektrische Ladung erzeugt. Der Elektrolyt kann Vanadium sowie Lösungen von Zink, Chlor oder Salzwasser sein. Sie sind zuverlässig, einfach zu bedienen und haben eine lange Lebensdauer.

Es gibt noch keine kommerziellen Projekte, die installierte Gesamtleistung beträgt 320 MW, hauptsächlich innerhalb Forschungsprojekte. Der Hauptvorteil besteht darin, dass es sich bisher um die einzige Batterietechnologie mit einer langfristigen Energieabgabe handelt – mehr als 4 Stunden. Zu den Nachteilen zählen die Sperrigkeit und der Mangel an Recyclingtechnologie, was bei allen Batterien ein häufiges Problem darstellt.

Das deutsche Kraftwerk EWE plant den Bau der weltweit größten 700-MWh-Flow-Batterie in Deutschland in Höhlen, in denen zuvor Erdgas gespeichert wurde, berichtet Clean Technica.

Herkömmliche Batterien

Dabei handelt es sich um Akkus, die denen ähneln, die Laptops und Smartphones mit Strom versorgen, jedoch in Industriegröße. Tesla liefert solche Batterien für Wind- und Solarkraftwerke, Daimler nutzt dafür alte Autobatterien.

Wärmespeicher

Ein modernes Zuhause muss gekühlt werden – insbesondere in heißen Klimazonen. Wärmespeicher ermöglichen das Einfrieren von in Tanks gespeichertem Wasser über Nacht; tagsüber schmilzt das Eis und kühlt das Haus, ohne die übliche teure Klimaanlage und unnötige Energiekosten.

Das kalifornische Unternehmen Ice Energy hat mehrere ähnliche Projekte entwickelt. Ihre Idee ist, dass Eis nur in Zeiten außerhalb der Spitzenzeiten des Stromnetzes produziert wird und das Eis dann, anstatt zusätzlichen Strom zu verschwenden, zur Kühlung von Räumen verwendet wird.

Ice Energy arbeitet mit australischen Firmen zusammen, die Eisbatterietechnologie auf den Markt bringen wollen. In Australien wird aufgrund der aktiven Sonne der Einsatz von Sonnenkollektoren entwickelt. Die Kombination aus Sonne und Eis erhöht die Gesamtenergieeffizienz und Umweltfreundlichkeit von Häusern.

Schwungrad

Das Superschwungrad ist ein Trägheitsspeicher. Die darin gespeicherte kinetische Bewegungsenergie kann mit einem Dynamo in Strom umgewandelt werden. Wenn Strombedarf besteht, erzeugt die Struktur elektrische Energie, indem sie das Schwungrad verlangsamt.

Die Möglichkeit, Strom im industriellen Maßstab zu speichern, kommt allen Marktteilnehmern zugute: Herstellern, Lieferanten, Verbrauchern und Regulierungsbehörden

Der neueste Analysebericht der Forschungsorganisationen GTM Research und ESA U.S. Der Energy Storage Monitor meldet Rekordinvestitionen in Energiespeicherprojekte. Das Volumen der Risikoinvestitionen und Projektfinanzierungen in diesem Sektor erreichte im dritten Quartal 2016 660 Millionen US-Dollar mit einer Jahresprognose von 812 Millionen US-Dollar. Wir sehen, dass Energiespeichertechnologien in entwickelten Ländern in die Phase der „vorkommerziellen“ Nutzung eintreten.

Sparproblem

Der Hauptunterschied zwischen der Elektrizitätswirtschaft und jeder anderen „physischen“ Industrie besteht darin, dass die von ihr produzierten Güter nicht im industriellen Maßstab gelagert werden können. In jeder Zeiteinheit muss diese Industrie genau so viel Strom produzieren, wie der Verbraucher benötigt.

Um diese Fähigkeit bereitzustellen, sind entweder teure Notstromerzeugungskapazitäten oder komplexe geografisch verteilte Stromversorgungssysteme erforderlich. Es ist unmöglich, im Energiesystem nur Kernkraftwerke (KKW) zu haben, die ihre Last nicht schnell abwerfen und erhöhen können, oder nur erneuerbare Energiequellen (RES) – Sonne und Wind dürfen zum Beispiel nicht scheinen oder wehen richtige Zeit. Daher erfolgt ein erheblicher Teil der Stromerzeugung aus traditionellen fossilen Ressourcen (Kohle, Gas), die sowohl Zuverlässigkeit als auch die erforderliche Manövrierfähigkeit bieten.

Die Funktionsweise eines Energiesystems wird in erster Linie durch den Grad seiner Belastung durch Verbraucher bestimmt. In der Regel sinkt der Stromverbrauch nachts deutlich und übersteigt morgens und abends den Tagesverbrauch. Und im Allgemeinen ändert sich die elektrische Last unabhängig von der Tageszeit ständig. Diese ständigen Schwankungen erschweren die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen Produktion und Verbrauch und führen dazu, dass die Erzeugungskapazitäten über einen erheblichen Teil der Zeit in einem wirtschaftlich suboptimalen Modus arbeiten.

Es gibt drei traditionelle Arten von Kraftwerken: Kernkraftwerke, thermische Kraftwerke (KWK) und Wasserkraftwerke (WKW). Aus Sicherheitsgründen regeln Kernkraftwerke ihre Last nicht. Wasserkraftwerke eignen sich viel besser für den Betrieb mit einem ungleichmäßigen Lastplan, sind aber nicht in jedem Energiesystem verfügbar und wenn, dann nicht immer benötigte Menge. Somit liegt die Hauptlast bei der Deckung der Ungleichmäßigkeiten des täglichen Stromverbrauchs bei Wärmekraftwerken. Dies wiederum führt zu einem unwirtschaftlichen Betrieb, erhöht den Kraftstoffverbrauch und damit die Stromkosten für die Verbraucher.

Alle oben genannten Probleme sowie eine Reihe anderer können durch den Einsatz industrieller Energiespeichertechnologien gelöst werden.

Auswirkungen der Akkumulation

1. Auswirkungen auf die Erzeugung: Der Einsatz von Speichergeräten ermöglicht die Optimierung des Prozesses der Stromerzeugung, indem der Lastplan auf die teuersten Erzeugungsanlagen ausgerichtet wird und die teure Wärmeerzeugung aus der Rolle eines Reglers entfällt. Dies wiederum wird unweigerlich zu einer Verringerung des Kohlenwasserstoffverbrauchs, einer Erhöhung der Auslastung der installierten Kraftwerkskapazitäten, einer Erhöhung der Zuverlässigkeit der Energieversorgung und einer Verringerung des Bedarfs für den Bau neuer Kapazitäten führen.

2. Auswirkung auf die staatliche Regulierung: Speicher ermöglichen die Bildung einer Energiereserve ohne übermäßigen Betrieb von Erzeugungskapazitäten, optimieren den Betriebsmodus von Kraftwerken und sorgen für einen reibungslosen Übergang der Nachtminimum- und Tageshöchstlasten.

3. Effekt für Verbraucher: Strom wird günstiger, die Zuverlässigkeit der Stromversorgung steigt, es ist möglich, den Betrieb kritischer Geräte bei Stromausfällen sicherzustellen und bei Unfällen eine Reserve zu bilden.

4. Effekt für den Stromnetzkomplex: Speicher reduzieren die Spitzenlast elektrische Umspannwerke und Kosten für die Modernisierung der Netzinfrastruktur erhöhen die Qualität und Zuverlässigkeit der Energieversorgung der Verbraucher.

Zusätzliche Effekte

Einer der Haupttrends im globalen Energiebereich ist heute die Entwicklung der erneuerbaren Energieerzeugung. Unter den Ländern, die grüne Energie entwickeln, sind die auffälligsten Beispiele Dänemark, das 140 % des nationalen Energiebedarfs aus erneuerbaren Energiequellen deckt, und Deutschland, wo erneuerbare Energiequellen etwa 50 % der installierten Kraftwerkskapazität ausmachen (94 von 182). GW) und dieser Anteil wächst stetig weiter. Zu bestimmten Zeiten können erneuerbare Energiequellen bereits bis zu 100 % des Strombedarfs decken. Gleichzeitig müssen sowohl thermische als auch nukleare Kraftwerke eine Reservefunktion erfüllen, da die Produktion erneuerbarer Energien nicht konstant ist. Stromspeicher können eine Möglichkeit sein, die erfolgreiche Integration erneuerbarer Energiequellen in die Energiesysteme verschiedener Länder fortzusetzen; sie werden Schwankungen in der Produktion erneuerbarer Energiequellen glätten und den Lastplan ausgleichen.

Ein weiterer Trend ist die Entwicklung dezentraler Energie. Verbraucher möchten ihre Kosten minimieren und ihre eigenen Erzeugungsquellen installieren (z. B. Sonnenkollektoren oder Windgeneratoren). In Ländern mit einem hohen Anteil dezentraler Erzeugung stellt sich das Problem, solche Verbraucher in das Marktsystem zu integrieren. Da der Verbraucher selbst so viel Strom aus seiner Quelle bezieht, wie er zu einem bestimmten Zeitpunkt benötigt, kann es sein, dass er einen Überschuss hat. Das Problem, diesen Überschuss an das Netzwerk zu verkaufen, kann mit Hilfe von Antrieben gelöst werden. Darüber hinaus können sie auch zur Bildung individueller Rücklagen genutzt werden.

Technologiewettbewerb

Heute werden 99 % der industriellen Stromerzeugung und -speicherung (ca. 132,2 GW) durch Pumpspeicherkraftwerke (PSPPs) bereitgestellt. Alle anderen Speichertechnologien machen 1 % aus, hauptsächlich Druckluftspeicher, Natriumsulfidbatterien und Lithiumbatterien. Die bewährtesten Speichergeräte sind Pumpspeicherkraftwerke und Geräte, die auf dieser Technologie basieren Druckluft. Weitere Technologien befinden sich noch in der Entwicklung.

Pumpspeicherkraftwerke und Geräte mit Drucklufttechnologie können zwar ausreichend große Strommengen für mehrere Stunden speichern, sind jedoch hinsichtlich der Bereitstellung großer Energiemengen zur Unterstützung oder zum Ausgleich verschiedener kurzfristiger Schwankungen recht begrenzt.

Was Batterien betrifft, liegen die aktuellen Installationskostenschätzungen zwischen 200 und 800 US-Dollar pro kW installierter Kapazität. Geringste Kosten entsprechen Blei-Säure-Batterien, da sie sich auf einem höheren technischen Entwicklungsstand befinden. Dieser Bereich liegt am unteren Ende der Kostenspanne für Pumpspeicherung, ist aber deutlich niedriger als bei anderen potenziellen und neuen Speichertechnologien. Der Hauptnachteil von Blei-Säure- und anderen Batterien ist jedoch ihre geringe Lebenserwartung im Vergleich zu Pumpspeicherkraftwerken, die eine deutlich längere Betriebsdauer haben. Die Lebensdauer von Batterien variiert stark je nach Nutzungshäufigkeit, Entladerate und Anzahl der Tiefentladezyklen.

Braucht Russland Energiespeichertechnologien?

Die Stromspeicherung wurde vom McKinsey Global Institute als eine von zwölf bahnbrechenden Technologien bezeichnet, die die Weltwirtschaft erheblich verändern werden. BCC Research schätzt, dass der Markt für alle Arten von wiederaufladbaren Batterien in den nächsten zehn Jahren mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 18,7 % wachsen wird, von 637 Millionen US-Dollar im Jahr 2014 auf 3,96 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025.

Die Kapazität der Stromspeicher in den EU-Ländern, den USA und China wird sich nach verschiedenen Szenarien der Internationalen Energieagentur bis 2050 um das Zwei- bis Achtfache erhöhen. In Russland wird nach 2022 ein neuer Investitionszyklus im Energiesektor prognostiziert. Die potenzielle Nische für neue Energieanlagen wird auf 15–30 GW geschätzt. Bis 2035 könnten die Investitionen 500–700 Milliarden US-Dollar erreichen. Gleichzeitig können nahezu alle Marktteilnehmer vom Einsatz von Speichergeräten profitieren.

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Vielleicht die älteste Form der modernen netzgebundenen Energiespeicherung. Das Funktionsprinzip ist einfach: Es gibt zwei Wassertanks, einer höher als der andere. Bei geringem Strombedarf kann die Energie genutzt werden, um Wasser nach oben zu pumpen. Zu Spitzenzeiten strömt Wasser herab, dreht einen Wassergenerator und erzeugt Strom. Ähnliche Projekte werden beispielsweise von Deutschland in stillgelegten Kohlebergwerken oder kugelförmigen Behältern auf dem Meeresboden entwickelt.

Druckluft

Macht im Süden

Im Allgemeinen ähnelt diese Methode der vorherigen, außer dass anstelle von Wasser Luft in die Tanks gepumpt wird. Bei Bedarf wird Luft abgelassen und dreht die Turbinen. Diese Technologie existiert theoretisch schon seit mehreren Jahrzehnten, in der Praxis gibt es jedoch aufgrund der hohen Kosten nur wenige funktionierende Systeme und einige weitere Testsysteme. Das kanadische Unternehmen Hydrostor entwickelt einen großen adiabatischen Kompressor in Ontario und Aruba.

Geschmolzenes Salz

SolarReserve

Mithilfe von Sonnenenergie lässt sich Salz auf die gewünschte Temperatur erhitzen. Der entstehende Dampf wird entweder sofort von einem Generator in Strom umgewandelt oder als Salzschmelze mehrere Stunden lang gespeichert, um beispielsweise abends Häuser zu heizen. Eines dieser Projekte ist der Solarpark Mohammed bin Rashid Al Maktoum in den Vereinigten Arabischen Emiraten. Und im Labor von Alphabet X besteht die Möglichkeit, geschmolzene Salze in Kombination mit Frostschutzmitteln zu verwenden, um überschüssige Sonnen- oder Windenergie zu bewahren. Georgia Tech hat kürzlich ein effizienteres System gebaut, das Salz durch flüssiges Metall ersetzt.

Flow-Batterien

CERN-Wissenschaftler: „Das Universum sollte nicht existieren“

Redox-Flow-Batterien bestehen aus riesigen Elektrolyttanks, die durch Membranen geleitet werden und eine elektrische Ladung erzeugen. Typischerweise werden Vanadium als Elektrolyt sowie Lösungen von Zink, Chlor oder Salzwasser verwendet. Sie sind zuverlässig, einfach zu bedienen und haben eine lange Lebensdauer. Die weltweit größte Flow-Batterie wird in Höhlen in Deutschland gebaut.

Herkömmliche Batterien

SDG&E

Calmac

Nachts wird das in den Tanks gespeicherte Wasser gefroren, tagsüber schmilzt das Eis und kühlt benachbarte Häuser, wodurch Sie Kosten für die Klimaanlage sparen können. Diese Technologie ist für Regionen mit heißem Klima und kühlen Nächten wie Kalifornien attraktiv. Im Mai dieses Jahres lieferte NRG Energy 1.800 industrielle Eisbatterien an Southern California Edison.

Super Schwungrad

Leuchtfeuerleistung

Diese Technologie dient der Speicherung kinetischer Energie. Elektrizität startet den Motor, der Rotationsenergie in der Trommel speichert. Bei Bedarf wird das Schwungrad abgebremst. Die Erfindung findet keine breite Anwendung, obwohl sie zur Gewährleistung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung eingesetzt werden kann.

Y.N.ELDYSHEV Das Problem der Energiespeicherung ist eines der wichtigsten nicht nur im Energiesektor, sondern auch in der Wirtschaft (sowie in der Wissenschaft) im Allgemeinen. Es ist noch nicht vollständig gelöst. Unsere Unfähigkeit, die entstehende Energie effektiv zu speichern und zu speichern, wirkt sich besonders nachteilig auf die Entwicklung solcher relativ „sauberer“ Methoden zu ihrer Erzeugung unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen wie Wasserkraft, Solarenergie oder Windkraft aus. Schließlich ist es uns aufgrund verständlicher täglicher, saisonaler und sogar schlecht vorhersehbarer Veränderungen ihrer Leistung immer noch nicht möglich, eine garantierte Energieversorgung der Verbraucher aus solchen Quellen sicherzustellen. Daher sind alle Informationen über Erfolge in diesem Bereich von großem Interesse.
Methanprojekt
Über eine neue Methode zur Speicherung von Energie aus erneuerbaren Energiequellen (deren Hauptnachteil die Instabilität und Unvorhersehbarkeit der Energieerzeugung ist) wurde kürzlich vom Pressedienst der Fraunhofer-Gesellschaft (die Joseph-Fraunhofer-Gesellschaft ist das deutsche Äquivalent) berichtet Russische Akademie(Ingenieurwissenschaften, ihr Hauptziel ist die Förderung der Entwicklung der angewandten Forschung). Deutsche Wissenschaftler haben eine Technologie entwickelt, bei der überschüssiger Strom, der von Solar- oder Windkraftwerken erzeugt wird und gerade nicht benötigt wird, in Methan umgewandelt wird. Das so gewonnene Gas kann unbegrenzt gespeichert und bei Bedarf über die vorhandene Gasinfrastruktur genutzt werden.
Das vom Zentrum für Solarenergie- und Wasserstoff-Forschung mit Sitz in Stuttgart (Deutschland) entwickelte Pilotprojekt wird derzeit von kooperierenden Unternehmen in Österreich und Deutschland umgesetzt. Die Inbetriebnahme einer auf dieser Technologie basierenden Industrieanlage mit einer Leistung von mehreren zehn Megawatt ist für 2012 geplant.
Nach Angaben der Entwickler nutzt die in Stuttgart gebaute Demonstrationsanlage überschüssige Energie aus Sonnenkollektoren und Windkraftanlagen (WKW) für die elektrolytische Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Anschließend bildet der entstehende Wasserstoff zusammen mit dem dem System zugeführten Kohlendioxid Methan, das bereits gespeichert und jederzeit zur Energieerzeugung genutzt werden kann. Laut Wissenschaftlern liegt die Effizienz einer solchen Transformation bei über 60 %.
Es ist kein Geheimnis, dass „klassische“ Methoden zur Speicherung von Strom in Kondensatoren und Batterien den Aufbau einer speziellen (zusätzlichen und recht teuren) Infrastruktur erfordern. Im Gegensatz zu solchen Methoden zur Speicherung von Energie in Form von Methan ist in Deutschland wie in vielen anderen Ländern die gesamte notwendige Infrastruktur bereits vorhanden – es handelt sich um ein verteiltes System von Gasspeichern mit großer Kapazität. Deshalb gehen die Autoren dieser Technologie davon aus, dass sie gute Aussichten hat, denn eine solche Transformation mit ordentlichem Wirkungsgrad sei „definitiv besser als ein völliger Verlust von Strom, der hier und jetzt nicht genutzt werden kann“. Bisher wurden jedoch nicht viele echte Alternativen zur „Gasumwandlung“ als Methode der Energiespeicherung vorgeschlagen.
„Achillesferse“ der Hydrospeicher
Pumpspeicherkraftwerk Aussehen kann sehr unterschiedlich sein: Viele Speicherstationen sind von einem herkömmlichen Wasserkraftwerk an einem Fluss mit starkem Gefälle kaum zu unterscheiden, es gibt aber auch solche, die ein sehr ungewöhnliches haben Lagertank, wie zum Beispiel die Station Taum Sauk in Missouri (USA), die die Aufmerksamkeit vieler Touristen auf sich zieht. Aber auf jeden Fall hat diese Methode der Energiespeicherung und -umverteilung einen gravierenden Nachteil – die Notwendigkeit, große Flächen für das Ober- und Unterbecken zu entfremden, sowie umfangreiche (und teure) Bauarbeiten.
Wasseralternative
Einer der ältesten Energiespeicher ist ein Pumpspeicherkraftwerk (PSPP). Dies ist der Name eines Wasserkraftwerkstyps, der speziell dafür konzipiert ist, die tägliche Heterogenität der elektrischen Last auszugleichen. PSPP verwendet einen Komplex aus elektrischen Generatoren und elektrischen Pumpen oder spezielle reversible Wasserkraftwerke, die sowohl als Generatoren als auch als Pumpen arbeiten können. Während des minimalen Energieverbrauchs bezieht das Pumpspeicherkraftwerk günstigen Strom aus dem Stromnetz und pumpt damit Wasser in das Oberbecken, fungiert also als Pumpe. Und während der morgendlichen und abendlichen Spitzen des Energieverbrauchs leitet das Pumpspeicherkraftwerk Wasser von oben nach unten ab und erzeugt so teuren „Spitzenstrom“, den es in das Stromnetz einspeist, also als Stromgenerator fungiert.
Da in beiden Betriebsarten der Wirkungsgrad einer solchen Anlage unter 100 % liegt, ist klar, dass das Pumpspeicherkraftwerk am Ende mehr Strom verbraucht als es produziert, sich also formal als unrentabel erweist. Wir dürfen jedoch nicht vergessen, dass Pumpspeicherkraftwerke „billige“ Energie verbrauchen und „teure“ Energie ins Netz einspeisen, sodass das wirtschaftliche Ergebnis nicht mit der Energiebilanz übereinstimmt und nicht durch einfache Rechenoperationen ermittelt wird. Tatsache ist, dass in großen Energiesystemen ein erheblicher Anteil auf die Kapazität thermischer und nuklearer Kraftwerke entfällt, die bei sinkendem Energieverbrauch die Stromproduktion nicht schnell oder mit großen Verlusten drosseln können. Aus diesem Grund sind die kommerziellen Stromkosten in der Zeit des höchsten („Spitzen“)-Verbrauchs im Energiesystem viel höher als in der Zeit seines minimalen Verbrauchs, und der Einsatz von Pumpspeicherkraftwerken erweist sich als kostengünstig , was sowohl die Gleichmäßigkeit der Belastung anderer Kapazitäten des Energiesystems als auch die Zuverlässigkeit der Energieversorgung im Allgemeinen erhöht.
Ein Pumpspeicherkraftwerk sieht aus wie ein einfacher und zuverlässiger Energiespeicher, der viele Vorteile und nur eine, aber sehr erhebliche Schwäche hat: Es kann nicht überall gebaut werden und nimmt viel Platz ein.
Energie kann gespeichert werden... im Kühlschrank
In jüngerer Zeit wurde vorgeschlagen, „Windenergie“ (aus Windkraftanlagen gewonnener Strom) durch Temperaturänderung in riesigen Kühlhäusern zu speichern, was nahezu keinen Investitionsaufwand erfordert. Eine Gruppe von Forschern von Universitäten in Bulgarien, Dänemark, Spanien und den Niederlanden entwickelte das Night Wind-Projekt mit dem Ziel, ein europaweites Windenergiespeichersystem zu schaffen, das auf der Nutzung von Elementen bestehender Infrastruktur basiert.
Die Idee ist einfach: Nachts, wenn der Stromverbrauch sinkt, die Windkraftanlagen aber weiterhin in Betrieb sind, soll der erzeugte Strom dazu genutzt werden, die Temperatur in den vorhandenen Kühlschränken großer Lebensmittellager zu senken. Schätzungen haben ergeben, dass bereits eine Temperaturabsenkung um 1 °C gegenüber der üblichen Norm ausreicht. Mit anderen Worten: Durch die Abkühlung von vielen Tausend Tonnen verschiedener Produkte wird Energie „gespeichert“, die wie üblich irgendwo in Dänemark, Holland oder Frankreich gelagert wird. Tagsüber, wenn der Stromverbrauch um ein Vielfaches ansteigt, können alle diese riesigen Kühlschränke einfach vom Netz genommen werden, bis die Temperatur in ihnen nach und nach um das gleiche 1 °C ansteigt, also wieder den gewohnten Wert erreicht.
Und obwohl Kühlschränke selbst, auch die gigantischsten natürlich, bekanntlich keinen Strom produzieren, betragen solche Temperaturschwankungen, wenn man sie auf alle großen Kühlhäuser in Deutschland überträgt, nur ein Grad pro Tag Europa wird nach Schätzungen der Autoren des Projekts dem Erscheinen einer Superbatterie mit einer Kapazität von 50 GWh im allgemeinen Energienetz gleichkommen!
Die Wirksamkeit der Idee stellten die Autoren des Projekts bereits 2007 unter Beweis, indem sie neben einem der größten Kühlhäuser in Bergen (Niederlande) eine Windkraftanlage installierten und eine elektronische Kühlschranksteuerung nach dem oben beschriebenen Prinzip einrichteten. Nun liegt das Schicksal des Projekts in den Händen von Energieökonomen, die entscheiden müssen, wie sinnvoll es ist, auf diese spezielle Methode der Energiespeicherung zu setzen.
Schwungräder
Viele Experten halten Schwungräder immer noch für einen vielversprechenden Energiespeicher. Diskussionen darüber gibt es schon seit Jahrzehnten. Doch erst in jüngster Zeit wurden wirklich tragfähige Projekte entwickelt, die die Leistungsfähigkeit solcher Antriebe in der Praxis demonstrieren.
Bereits 1964 hat Professor N.V. Gulia (zuletzt Abteilungsleiterin an der Moskauer Staatlichen Industrieuniversität) schlug einen neuen Schwungradtyp vor, der als Energiespeicher dienen sollte. Es handelte sich nicht um eine feste Scheibe, sondern um einen Kern, um den Hunderte oder sogar Tausende Schichten aus dünnem Stahlband (später Kunststoff) gewickelt und in einem Gehäuse eingeschlossen waren, in dem ein Vakuum erzeugt wurde, um Reibungsverluste zu reduzieren. Wie sich herausstellte, konnten solche Superschwungräder ziemlich viel Energie pro Masseneinheit „absorbieren“, da die von ihnen gespeicherte Energie in erster Linie durch die maximale Rotationsgeschwindigkeit bestimmt wurde (da diese proportional zu ihrem Quadrat war und linear von der Masse abhing). wiederum war durch die Festigkeit des gewählten Materials begrenzt.
Moderne Superschwungräder mit Kohlefaserwicklung haben einen spezifischen Energieinhalt von bis zu 130 Wh/kg. Damit ist die Leistung den besten Lithium-Ionen-Batterien etwas unterlegen, Schwungradantriebe haben aber auch ihre Vorteile: Sie sind deutlich günstiger, langlebiger und sicherer (nicht nur für die Gesundheit des Bedienpersonals, sondern auch, was genauso wichtig ist, z die Umgebung).
Der Erfinder selbst experimentierte vor 40 Jahren viel mit Superschwungrädern, weil er sie für vielversprechende Energiespeicher für den Transport hielt und sogar mehrere Muster davon baute Fahrzeug. Er dachte auch über deren Einsatz im Energiesektor als Alternative zu Batterien nach, doch bis vor Kurzem schien die Idee, Schwungräder zur Energiespeicherung nicht in Laboren, sondern im industriellen Maßstab und in bestehenden Energienetzen einzusetzen, für Fachleute exotisch und sogar utopisch . Erst in den letzten Jahren haben einige Unternehmen im Westen ernsthaft mit der Forschung auf diesem Gebiet begonnen.
So haben Spezialisten des amerikanischen Unternehmens Beacon Power einen Satz stationärer Superschwungräder entwickelt, die für den Anschluss an industrielle Stromnetze konzipiert sind. Sie bestehen aus einer Vielzahl von Schichten hochfester Verbundwerkstoffe auf Kohlenstofffaserbasis, sodass sie enormen Belastungen standhalten und ihre Rotationsgeschwindigkeit in einer Hochvakuumumgebung auf die standardmäßigen 22,5 Tausend U/min erhöhen kann. Schwungräder auf magnetischen Aufhängungen drehen sich in zylindrischen Behältern von etwa 1 m Höhe (neue Modelle werden größer als eine Person sein), in denen ein Vakuum erzeugt wird. Das Gewicht einer solchen Struktur kann 1 Tonne erreichen.
Auf der Stahlwelle des Schwungrads (an derselben Stelle - in einem versiegelten zylindrischen Stahlgehäuse) befindet sich ein Rotor einer umkehrbaren elektrischen Maschine – ein Permanentmagnet-Motorgenerator, der das Schwungrad dreht, Energie speichert oder sie durch Erzeugung freigibt elektrischer Strom, wenn eine Last angeschlossen ist.
Die geschätzte Lebensdauer einer solchen Konstruktion beträgt 20 Jahre, der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -40 und +50 °C, sie kann Erdbeben mit einer Stärke von bis zu 7,6 auf der Richterskala standhalten, das heißt, sie weist Eigenschaften auf sind für bestehende chemische Batterien mittlerweile völlig unrealistisch.
Luft spart Energie
Das amerikanische Unternehmen Magnum Energy NS wird unterirdische Höhlen in etwa 1,5 km Tiefe nutzen, um verflüssigte Luft zur Stromerzeugung zu speichern. Geplant ist die Errichtung von Lagerstätten in der Nähe der Stadt Delta in Utah, wo es riesige unterirdische Salzreserven gibt, die man mit Spezialgeräten auswaschen will. Im ersten Schritt ist geplant, Speicheranlagen für in der Nähe – in den Rocky Mountains – gefördertes Erdgas auszustatten. Nachdem die Technologie perfektioniert ist, will das Unternehmen mit der Entwicklung von Luftspeichern beginnen.
Laut den Autoren dieses Projekts kann die Luftkompression als eine der günstigsten Möglichkeiten zur Energiespeicherung angesehen werden. An einem klaren Tag produziert beispielsweise ein Solarkraftwerk überschüssigen Strom. Es wird zur Komprimierung und Luftinjektion geschickt. Wenn Strom benötigt wird, wird die Luft gezwungen, Turbinen zu drehen. Auf diese Weise hoffen die Autoren, die Hauptschwierigkeit bei der flächendeckenden Einführung erneuerbarer Energiequellen zu überwinden – die Instabilität ihrer Stromproduktion und dementsprechend das Problem der Speicherung und Umwandlung von Energie aus ihnen.
Bisher ist die so gespeicherte Energiemenge jedoch gering – bis zu 25 kW/h bei einer maximalen Leistung von bis zu 200 kW. Nach Schätzungen der Entwickler beträgt der Verlust an gespeicherter und aus solchen Speichern entnommener Energie nicht mehr als 2 %, was viel besser ist als bei Energiespeichersystemen, die auf anderen Prinzipien basieren (erwähnte Pumpspeicherkraftwerke, chemische Batterien usw.). ). Gleichzeitig ist klar, dass die Energiespeicherdauer in Schwungrädern im Gegensatz zu diesen Systemen kurz ist – wir können vorerst nur von ihrer Verwendung als Puffer sprechen, der starke Spitzen und Rückgänge im Stromverbrauch während des Tages ausgleicht.
Durch die Parallelschaltung vieler solcher Geräte könnten beträchtliche Energiereserven angesammelt werden; In diesem Fall wäre der Hauptvorteil, dass dies sehr schnell geschehen würde (es wäre ebenso schnell möglich, das angesammelte Geld „anzufordern“). Aber das ist sehr wichtig. Tatsache ist, dass keine der vorhandenen industriellen Erzeugungskapazitäten (z. B. in Wärmekraftwerken) schnell auf Laständerungen reagieren kann und Änderungen ihrer Betriebsarten im Allgemeinen äußerst unrentabel sind.
Gerade in solchen Situationen, verbunden mit plötzlichen Netzbelastungsspitzen, könnten Antriebe in Form von Schwungrädern eine durchaus sinnvolle Lösung sein. Laut den Entwicklern ist die Reaktionszeit solcher Systeme einfach fantastisch – etwa 5 ms.
Installationen mit solchen Speichergeräten haben ihre Wirksamkeit bereits in Tests in einer Reihe von US-Gemeinden unter Beweis gestellt, deren Bewohner den Albtraum ihrer stromlosen Städte aufgrund eines Kettenstromausfalls noch nicht vergessen haben und bereit sind, alles zu tun, um die Wahrscheinlichkeit eines solchen zu verringern Solche Ereignisse kommen immer wieder vor.
Es scheint jedoch, dass das russische Energiesystem, das aufgrund einiger Merkmale deutlich resistenter gegen Lastschwankungen ist als das US-Energienetz, von solchen Speichern profitieren könnte.
Erfindung... Klingen
Interessanter Weg Seamus Garvey, Professor an der Universität Nottingham (Großbritannien), hat einen Weg gefunden, die Ungleichmäßigkeit der Stromerzeugung durch Windkraftanlagen auszugleichen, und kam zu dem Schluss, dass Windkraftanlagen auf offener See überhaupt nicht mit Stromgeneratoren ausgestattet sein sollten, da solche leistungsstarke Geräte, die auch bei niedrigsten Wellendrehzahlen Strom erzeugen, erweisen sich als sehr schwer und dementsprechend sehr teuer. Stattdessen schlägt er vor, Windmühlenflügel ... hohl zu machen. In jedem von ihnen muss sich ein schwerer Kolben frei bewegen können. Beim Absenken der Klinge bewegt sich der Kolben in Richtung seines Endes, beim Anheben dagegen gleitet der Kolben in Richtung der Achse und komprimiert die durch die Löcher im Gehäuse eintretende Luft. Druckluft wird in spezielle Beutel aus dünnem und strapazierfähigem Synthetikgewebe gepumpt, die in einer Tiefe von 500 m schwimmen!
Diese Speicher, die durch den Druck der darüber liegenden Wasserschichten nicht platzen, dienen als eine Art Puffer, der auch bei unvorhersehbaren Windverhältnissen eine gleichmäßige Stromerzeugung gewährleistet. Von Unterwasserzylindern wird Luft über Rohre zu weiteren kompakten Turbinengeneratoren geleitet. Es wird geschätzt, dass seine Reserve ausreichen sollte, um die Rotation auch bei völliger Windstille mehrere Tage lang aufrechtzuerhalten.
Dieses „Integrated Compressed Air Renewable Energy Systems“ (ICARES) ist in seiner Größe beeindruckend: Harvey schätzt, dass die Turbine sich langsam bewegen und sehr groß sein müsste, damit die Kolben nicht aufgrund der Zentrifugalkräfte an den Enden der Schaufeln hängen bleiben 200 m Durchmesser (idealerweise 500 m). Der Autor sieht Unterwasser-Energiespeicher als gigantische Ansammlungen riesiger Luftkissen (20 m Durchmesser).
Die Arbeit an dem Projekt läuft seit 2006, und nun hat die Universität das Unternehmen Nimrod Energy gegründet, dessen Hauptaufgabe die Kommerzialisierung dieser Technologie sein wird. Es wird erwartet, dass ICARES-Systeme innerhalb eines Jahres auf den Markt kommen. Doch zunächst sollen sie zur Speicherung von Energie aus anderen Kraftwerkstypen genutzt werden. Und nach den Prognosen der Entwickler könnten in 10 bis 15 Jahren riesige Offshore-Turbinen von Nimrod entstehen.
Ungewöhnliche Batterie und einige andere Methoden
Eine recht hohe Aktivität ist im Westen heute auch mit Projekten zur Speicherung des insbesondere von hier sehr beliebten Windkraftanlagen erzeugten Stroms in Form des damit gewonnenen Wasserstoffs verbunden. Darüber hinaus wird in solchen Projekten vorgeschlagen, Wasserstoff nicht als Kraftstoff, sondern als temporären Energieträger zu nutzen. Allerdings sind nach Ansicht von Experten solche Systeme, die aus energetischer Sicht sehr effizient und aus ökologischer Sicht durchaus akzeptabel sein können, leider immer noch zu teuer.
Forschung im Zusammenhang mit verschiedene Technologien Einblasen von Druckluft in unterirdische oder Unterwasserspeicheranlagen.
Aber wie bereits erwähnt, hat jede der genannten Energiespeichermethoden ihre eigenen Vor- und Nachteile, jede ist auf ihre Weise gut, aber keine kann als ideal angesehen werden. In diesem Zusammenhang gab es zuletzt sogar Forderungen nach einer Rückkehr zu scheinbar schon lange eingehend untersuchten chemischen Batterien. Allerdings nicht ganz gewöhnlich – geschmolzen.
Tatsächlich wurden auch die sogenannten heißen Batterien schon vor vielen Jahren erfunden. Es gibt viele bekannte Sorten davon mit beneidenswerten spezifischen Eigenschaften. Es ist jedoch nicht einfach, die für sie erforderliche Betriebstemperatur von mehreren Hundert Grad Celsius bereitzustellen, so dass diese Bedingung erhebliche Einschränkungen für die möglichen Anwendungsbereiche sowie für die Anwendung mit sich bringt möglicher Termin ihre Maßnahmen (alle bisherigen Vorschläge, solche Batterien in großem Maßstab einzusetzen, erwiesen sich aufgrund ihrer extrem kurzen Lebensdauer als nicht wettbewerbsfähig). Allerdings ist beispielsweise in der japanischen Präfektur Aomori seit mehreren Jahren ein Komplex aus 17 großen Schwefel-Natrium-Heißbatterieblöcken mit einer Leistung von 34 MW in Betrieb, die über AC/DC-Wandler an das Netz angeschlossen sind. Dieser Komplex ist Teil des neuen Windparks Futamata und gleicht die Ungleichmäßigkeiten in der Stromerzeugung der Windkraftanlage erheblich aus (so dass die tägliche Spitzenlast des Verbrauchs gedeckt und die Energie nachts angesammelt werden kann).
Aber die neue Batterie, deren Prototyp amerikanische Wissenschaftler nach ihren Schätzungen entwickelt haben, wird dreimal billiger sein als die besten Batterien von heute, viel langlebiger und vor allem viel leistungsstärker. Professor Donald Sadoway und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology haben ein originelles Gerät zur Speicherung elektrischer Energie entwickelt, das ihrer Meinung nach in naher Zukunft die Nutzung von Energie aus Sonnenkollektoren (oder Windenergie) ermöglichen wird ruhiges Wetter) nachts. Diese Batterie hat die Größe eines den Amerikanern bekannten Müllcontainers. einzelnes Haus(sein Volumen beträgt etwa 150 Liter) könnte laut Sadoway ein integraler Bestandteil eines „grünen“ Hauses werden, indem es seinen gesamten Energiebedarf selbst bei Spitzenverbrauch deckt und über „intermittierende“ Windmühlen und Sonnenkollektoren aufgeladen wird . Nun, große Sätze solcher Batterien wären den Entwicklern zufolge durchaus in der Lage, ganze Siedlungen mit Strom zu versorgen – eine Speicherstation mit einer Kapazität von 13 GW (genug, um eine Großstadt mit Strom zu versorgen) würde nur 6 Hektar einnehmen.
Wie wird diese Leistungsdichte erreicht? Tatsache ist, dass diese Batterien, wie die Entwickler versichern, zehnmal mehr Strom liefern und empfangen können als alle bekannten Arten chemischer Batterien.
Sadoway erkannte, dass zu viel Strom das Gerät leicht beschädigen und einfach die gesamte Struktur zum Schmelzen bringen könnte, und schlug daher vor, dass ein geschmolzener Zustand für alle Teile der Batterie die Norm sei. In früheren heißen Batterien gab es neben Gehäusen und Kontakten ein weiteres wichtiges festes (ungeschmolzenes) Element – ​​Festelektrolyt (spezielle leitfähige Keramik), aber in der neuen Batterie gibt es im Inneren überhaupt keine festen Teile, außer dem Außengehäuse. alles ist flüssig – sowohl der Elektrolyt als auch die Elektroden. Alle Elemente des neuen ungewöhnlichen Systems vermischen sich aufgrund unterschiedlicher Dichten nicht miteinander, ebenso wie sich Öl und Wasser in einem ruhenden Gefäß nicht vermischen. Und da die neue Batterie als stationärer Energiespeicher konzipiert ist, scheint es keinen Grund für eine Vermischung der Flüssigkeiten zu geben.
Die entwickelte Batterie ähnelt einem feuerfesten „Glas“ (der Körper dient als erster Außenkontakt), der mit einem Deckel (dem zweiten Außenkontakt) abgedeckt ist. Zwischen ihnen befindet sich ein Dielektrikum und rundherum eine wärmeisolierende Hülle. Die Autoren platzierten Antimon am Boden des Behälters (dies ist die erste Innenelektrode), gefolgt von Natriumsulfid (Elektrolyt) und Magnesium oben (die zweite Innenelektrode). Alle Komponenten liegen in geschmolzener Form vor.
Beim Laden wird die Elektrolytschicht in einer solchen Batterie dünner und die geschmolzenen Elektroden werden dicker. Bei einer Entladung geschieht alles in umgekehrter Reihenfolge: Das Material der Elektroden (Ionen) wandelt sich teilweise in den Elektrolyten um, so dass die mittlere Flüssigkeitsschicht wächst und die seitlichen Elektroden sich zusammenziehen.
Ein solches System, das, wie sich herausstellte, ein eher ungewöhnliches Funktionsprinzip und Design für chemische Batterien verwendet, ist in der Lage, einer riesigen Anzahl von Lade- und Entladezyklen standzuhalten, die um ein Vielfaches größer ist als alles, was frühere Batterien vorweisen konnten, und darüber hinaus kann gigantische Ströme senden und empfangen, ohne Schaden zu nehmen (es gibt einfach nichts im System, das ausfällt). Schließlich erwiesen sich alle Komponenten einer solchen Batterie als überraschend kostengünstig, sodass solche Systeme überall installiert werden können.
Die Autoren bauten einen Prototyp einer geschmolzenen Batterie. Seine spezifische Kapazität ist noch nicht sehr beeindruckend. Dies ist jedoch nicht so kritisch – für einen stationären Energiespeicher ist die Masse des Systems nicht sehr wichtig. Darüber hinaus glauben Wissenschaftler, dass alle Eigenschaften der neuen Batterie erheblich verbessert werden können, indem das Funktionsprinzip beibehalten, aber andere Komponenten ausgewählt werden.
Die Entwickler versprechen, den erstellten Prototyp in fünf Jahren in eine kommerzielle Version zu bringen. Und das geht ziemlich schnell, wenn man bedenkt, dass heiße Batterien der bisherigen Typen, obwohl sie schon vor sehr langer Zeit erfunden wurden, trotz aller Verbesserungsversuche immer noch als Exoten gelten.
Basierend auf Materialien von sciencedaily.com, physorg.com,membran.ru und anderen Quellen