» » » » » » Stocarea energiei electrice

Stocarea energiei electrice

postat în: Electromagnetism | 0

Centrala electrică Ffestiniog din Țara Galilor (Barajul Llyn Stwlan al Schemei de depozitare cu pompe Ffestiniog din Țara Galilor. Stația inferioară are patru turbine de apă care pot genera un total de 360 ​​MW de energie electrică timp de mai multe ore, un exemplu de stocare și conversie a energiei).

Stocarea energiei este captarea energiei produse la un moment dat pentru utilizare ulterior. Un dispozitiv care stochează energie este denumit uneori un acumulator sau o baterie. Energia vine în mai multe forme, inclusiv radiația, potențialul chimic, gravitațional, potențialul electric, electricitatea, temperatura ridicată, căldura latentă și cinetică. Stocarea energiei presupune transformarea energiei din formele care sunt greu de stocat în forme mai convenabile sau mai economice. Depozitarea energiei în vrac este în prezent dominată de baraje hidroelectrice, atât convenționale cât și pompate.

Unele tehnologii oferă stocare pe termen scurt a energiei, în timp ce altele pot dura mult mai mult.

Un ceas cu arc stochează energia potențială (în acest caz mecanic, în tensiunea de arc), o baterie reîncărcabilă stochează energie chimică ușor convertibilă pentru a opera un telefon mobil, iar un baraj hidroelectric stochează energia într-un rezervor ca energie potențială gravitațională. Combustibilii fosili, cum ar fi cărbunele și benzina, stochează energie derivată din lumina soarelui de către organisme care au murit cu mult timp în urmă, au fost îngropate și, în timp, au fost transformate în acești combustibili. Alimentele (care se fac prin același proces ca și combustibilii fosili) reprezintă o formă de energie stocată sub formă chimică.

Rezervoarele de stocare a gheții stochează gheață obținută prin energie mai ieftină pe timp de noapte pentru a satisface cererea în timpul zilei. Energia nu este stocată direct, dar lucrul mecanic (pomparea căldurii) este stocat, având efect echivalent asupra consumului în timpul zilei.

Depozitarea mecanică

Energia poate fi stocată în apă pompată la o altitudine mai mare folosind metode de stocare cu pompe și, de asemenea, prin deplasarea materiei solide în locații mai înalte (baterii gravitaționale). Alte metode comerciale mecanice includ comprimarea aerului și folosirea volanților care convertesc energia electrică în energie cinetică și apoi din nou în energie electrică când sunt vârfuri de cerere a energiei electrice.

Hidroelectricitatea

Baraje hidroelectrice cu rezervoare pot fi operate pentru a asigura o generare în momente de cerere de vârf. Apa este stocată în rezervor în perioadele de cerere redusă și eliberată când cererea este ridicată. Efectul net este similar cu cel al pompelor, dar fără pierderile de pompare.

În timp ce un baraj hidroelectric nu stochează în mod direct energie de la alte unități generatoare, se comportă echivalent prin scăderea producției în perioadele de exces de energie electrică din alte surse. În acest mod, barajele reprezintă una dintre formele cele mai eficiente de stocare a energiei, deoarece se schimbă doar momentul generării sale. Turbinele hidroelectrice au un timp de pornire de ordinul a câteva minute.

Depozitare prin pompare
Sir Adam Beck din Niagara Falls, Canada
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Adam_Beck_Complex.jpg 

(Complexul de generare Sir Adam Beck din Niagara Falls, Canada, care include un rezervor de hidroelectricitate de mare capacitate de stocare pompată pentru a furniza o suplimentare de 174 MW de energie electrică în perioadele de vârf. )

În întreaga lume, hidroelectricitatea cu stocare prin pompare (HSP) este cea mai mare capacitate de stocare disponibilă a energiei din rețea și, începând din martie 2012, aceasta reprezintă mai mult de 99% din stocările în întreaga lume, reprezentând aproximativ 127.000 MW. La HSP eficiența energetică variază în practică între 70% și 80%, cu cârfuri de până la 87%.

În momente de cerere redusă de electricitate, capacitatea de generare excesivă este utilizată pentru a pompa apa de la o sursă inferioară într-un rezervor mai mare. Atunci când cererea crește, apa este eliberată într-un rezervor inferior (sau pe căi navigabile sau în apă) printr-o turbină care generează electricitate. Ansamblurile reversibile turbină-generator acționează atât ca o pompă, cât și ca o turbină (de obicei un design al turbinelor Francis). Aproape toate facilitățile utilizează diferența de înălțime dintre două corpuri de apă. Centralele de depozitare pompate schimbă apa între rezervoare, în timp ce abordarea „pomparea înapoi” este o combinație între stocarea pompată și instalațiile hidroelectrice convenționale care utilizează fluxul natural de curgere.

Aer comprimat

Stocarea de energie prin aer comprimat (SEAC) utilizează surplus de energie pentru a comprima aer pentru generarea ulterioară a energiei electrice. Sistemele pe scară mică au fost folosite de mult timp în aplicații precum propulsarea locomotivelor. Aerul comprimat este depozitat într-un rezervor subteran.

Compresia aerului creează căldură; aerul este mai cald după comprimare. Extinderea necesită căldură. Dacă nu se adaugă căldură suplimentară, aerul va fi mult mai rece după expansiune. Dacă căldura generată în timpul comprimării poate fi stocată și utilizată în timpul extinderii, eficiența se îmbunătățește considerabil. Un sistem SEAC se poate ocupa de căldură în trei moduri. Depozitarea aerului poate fi adiabatică, diabatică sau izotermică. O altă abordare folosește aer comprimat pentru a alimenta vehicule.

Depozitarea energiei în volant
Volant
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Example_of_cylindrical_flywheel_rotor_assembly.png

(Componentele principale ale unui volant tipic. )

Funcția de stocare a energiei cu volant (SEV) funcționează prin accelerarea unui rotor (volant) la o viteză foarte mare, menținând energia ca energie rotativă. Când energia este extrasă, viteza de rotație a volantului scade ca o consecință a conservării energiei; adăugarea de energie duce în consecință la o creștere a vitezei volantului.

Cele mai multe sisteme SEV folosesc energia electrică pentru accelerarea și decelerarea volantului, dar sunt luate în considerare dispozitivele care utilizează în mod direct energie mecanică.

Sistemele SEV au rotoare realizate din compozite cu fibră de carbon de înaltă rezistență, suspendate de lagăre magnetice și centrifugate la viteze de la 20.000 la peste 50.000 rpm într-o incintă cu vid. Astfel de volanți pot atinge viteza maximă („încărcare”) în câteva minute. Sistemul volant este conectat la un sistem motor/generator combinat.

Sistemele SEV au o durată de viață relativ îndelungată (durate de zeci de ani cu întreținere redusă sau deloc, ciclurile de viață întregi pentru volant variază de la peste 105, până la 107 cicluri de utilizare), energie specifică ridicată (100-130 W.h/kg , sau 360-500 kJ/kg) și densitate de putere.

Depozitarea energiei potențiale gravitaționale cu mase solide

Schimbarea altitudinii maselor solide poate stoca sau elibera energie printr-un sistem de ridicare acționat de un motor/generator electric.

Unele companii utilizează șine pentru a deplasa greutățile din beton în sus și în jos, iar altele propun utilizarea troliilor sprijinite de platforme plutitoare la o altitudine de mai mulți kilometri, pentru a ridica și a reduce masele solide. Alte soluții propun folosirea vinciurilor susținute de o barcă pe ocean pentru a profita de o diferență de înălțime de ordinul kilometrilor între suprafață și fundul mării.

Depozitarea termică

Depozitarea termică este o depozitare temporară prin îndepărtarea căldurii. Depozitarea termică practic folosește căldura mare de fuziune a apei: topirea unei tone metrice de gheață (aproximativ un metru cub de dimensiune) poate capta 334 megajouli (MJ) (317 000 BTU) de energie termică.

Un exemplu este Alberta, Canadianul Drake Landing Solar Community, pentru care 97% din căldura pe tot parcursul anului este furnizată de colectori termoelectrici pe acoperișuri, cu tehnologia de stocare bazându-se pe energia termică a puțului de foraj. Proiectele acestea au deseori rambursări în intervalul de patru până la șase ani. În Braestrup, Danemarca, sistemul de încălzire centrală a comunității utilizează, de asemenea, depozitarea termică, la o temperatură de depozitare de 65 °C. O pompă de căldură, care funcționează numai atunci când există surplus de energie eoliană disponibilă pe rețeaua națională, este utilizată pentru a ridica temperatura la 80 °C pentru distribuție. Atunci când surplusul de energie eoliană nu este disponibil, se utilizează un cazan pe gaz. Douăzeci de procente din căldura de la Braestrup este de la soare.

Stocarea energiei termice a căldurii latente

Sistemele de depozitare a energiei termice cu căldură latentă funcționează cu materiale cu capacitate ridicată de căldură latentă (căldură de fuziune), cunoscute sub numele de materiale de schimbare a fazei. Principalul avantaj al acestor materiale este capacitatea lor de stocare a căldurii latente mult mai mare decât căldura sensibilă. Într-un anumit interval de temperatură, schimbările de fază de la solid la lichid absorb o cantitate mare de energie termică pentru o utilizare ulterioară.

Depozitarea electrochimică

Baterie reîncărcabilă
Banc de baterii reîncărcabile
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Datacenter_Backup_Batteries.jpg

(Un banc de baterii reîncărcabile utilizate ca sursă de alimentare neîntreruptibilă într-un centru de date. )

O baterie reîncărcabilă, cuprinde una sau mai multe celule electrochimice. Este cunoscută ca o „celulă secundară” deoarece reacțiile sale electrochimice sunt reversibile din punct de vedere electric. Bateriile reîncărcabile se găsesc în diferite forme și dimensiuni, variind de la celulele de tip buton la cele de rețea de ordinul megawaților.

Bateriile reîncărcabile au un cost total de utilizare și un impact asupra mediului mai mic decât bateriile nereîncărcabile (de unică folosință). Unele tipuri de baterii reîncărcabile sunt disponibile în aceiași forme ca și dispozitivele de unică folosință. Bateriile reîncărcabile au costuri inițiale mai mari, dar pot fi reîncărcate foarte ieftin și utilizate de mai multe ori.

Acumulatorii chimici reîncărcabili obișnuiți includ:

  • Acumulator cu plumb-acid: bateriile cu plumb au cea mai mare cotă de piață a produselor de stocare electrice. O singură celulă produce aproximativ 2V când este încărcată. În starea de încărcare, electrodul negativ de plumb metalic și electrodul pozitiv cu sulfat de plumb sunt scufundate într-un electrolit diluat cu acid sulfuric (H2SO4). În procesul de descărcare, electronii sunt împinși afară din celulă, deoarece sulfatul de plumb este format la electrodul negativ, în timp ce electrolitul este redus la apă.
  • Baterie nichel-cadmiu (NiCd): folosește hidroxid de oxid e nichel și cadmiu metalic ca electrozi. Cadmiul este un element toxic și a fost interzis pentru majoritatea utilizărilor de către Uniunea Europeană în 2004. Bateriile cu nichel-cadmiu au fost înlocuite aproape complet cu baterii cu nichel-hidrură metalică (NiMH).
  • Baterie hibridă nichel-metal (NiMH): Primele tipuri comerciale au fost disponibile în 1989. Acestea sunt acum un tip comun de consum și de tip industrial. Bateria are un aliaj de absorbție a hidrogenului pentru electrodul negativ în locul cadmiului.
  • Baterie litiu-ion: Folosite în multe aparate electronice de consum și care au una dintre cele mai bune raporturi energie-masă și o auto-descărcare foarte lentă atunci când nu sunt utilizate.
  • Baterie litiu-polimer ion: Aceste baterii sunt ușoare în greutate și pot fi făcute în orice formă dorit.
Baterie cu curgere

O baterie cu curgere funcționează prin trecerea unei soluții peste o membrană unde ionii sunt schimbați pentru a încărca/descărca celulele. Tensiunea celulelor este determinată chimic de ecuația Nernst și variază, în aplicații practice, de la 1,0 la 2,2 V. Capacitatea sa de stocare este funcție de volumul rezervoarelor care dețin soluția.

O baterie cu curgere este tehnic apropiată de o celulă de combustie și de o celulă de acumulatoare electrochimică. Aplicațiile comerciale sunt pentru o perioadă lungă de stocare pe jumătate de ciclu, cum ar fi puterea de rezervă a rețelei.

Supercapacitoare

Supercapacitoarele, denumite și condensatoare cu strat dublu electric sau ultracapacitoare, sunt termeni generici pentru o familie de condensatoare electrochimice care nu au dielectrice solide convenționale. Capacitatea este determinată de două principii de stocare, capacitate de strat dublu și pseudocapacitanță.

Supercapacitoarele sunt puntea de legătură dintre condensatoarele convenționale și bateriile reîncărcabile. Ele stochează cea mai mare energie pe unitatea de volum sau masă (densitatea de energie) dintre condensatoare. Acestea suportă până la 10.000 farazi/1,2 volți, de până la 10.000 de ori mai mari decât cele ale condensatoarelor electrolitice, dar oferă sau acceptă mai puțin de jumătate din putere pe unitate de timp (densitatea de putere).

În timp ce supercapacitoarele au densități energetice și de energie specifică de aproximativ 10% din baterii, densitatea lor de putere este în general de 10 până la 100 de ori mai mare. Acest lucru duce la cicluri de încărcare/descărcare mult mai scurte. În plus, vor tolera mai multe cicluri de încărcare și descărcare decât bateriile.

Supercapacitoarele susțin un spectru larg de aplicații, printre care:

  • Curent scăzut de alimentare pentru memoria de rezervă în memoria statică cu acces aleator (SRAM)
  • Alimentare pentru autoturisme, autobuze, trenuri, macarale și ascensoare, inclusiv recuperarea energiei de la frânare, stocare pe termen scurt a energiei și livrare de energie în modul de aprindere

Alte produse chimice

Conversia electricității în gaz

Conversia electricității în gaz este o tehnologie care convertește energia electrică într-un combustibil gazos, cum ar fi hidrogenul sau metanul. Cele trei metode comerciale folosesc energia electrică pentru a reduce apa la hidrogen și oxigen prin electroliză.

În prima metodă, hidrogenul este injectat în rețeaua de gaze naturale sau este utilizat în transport sau în industrie. A doua metodă este combinarea hidrogenului cu dioxid de carbon pentru a produce metan utilizând o reacție de metanare, cum ar fi reacția Sabatier sau metanarea biologică, rezultând o pierdere de conversie suplimentară de energie de 8%. Metanul poate fi apoi introdus în rețeaua de gaze naturale. Cea de-a treia metodă utilizează gazul de ieșire al unui generator de gaze din lemn sau al unei instalații de biogaz, după ce agregatul de biogaz este amestecat cu hidrogenul din electrolizor, pentru a îmbunătăți calitatea biogazului.

Conversia electricității în lichid

Conversia electricității în lichid este similară cu cea pentru gaze, totuși hidrogenul produs prin electroliză din energia eoliană și solară nu este transformat în gaze cum ar fi metanul, ci în lichide precum metanolul. Metanolul este mai ușor de manevrat decât gazele și necesită mai puține măsuri de siguranță decât hidrogenul. Poate fi utilizat pentru transport, inclusiv aeronave, dar și pentru scopuri industriale sau în sectorul energetic.

Metode electrice

Condensatoare

Un capacitor (inițial cunoscut sub denumirea de „condensator”) este o componentă electrică pasivă cu două terminale, utilizată pentru stocarea energiei electrostatice. Conductoarele practice variază foarte mult, dar toate conțin cel puțin două conductoare electrice (plăci) separate printr-un dielectric (adică izolator). Un condensator poate stoca energie electrică când este deconectat de la circuitul său de încărcare, astfel încât poate fi folosit ca o baterie temporară sau ca și alte tipuri de sisteme de stocare a energiei reîncărcabile. Condensatoarele sunt utilizate în mod obișnuit în dispozitive electronice pentru a menține alimentarea cu energie în timp ce bateriile se schimbă. (Acest lucru previne pierderea informației în memoria volatilă.) Condensatoarele convenționale furnizează mai puțin de 360 ​​jouli pe kilogram, în timp ce o baterie alcalină convențională are o densitate de 590 kJ / kg.

Capacitorii stochează energia într-un câmp electrostatic între plăcile lor. Având în vedere o diferență de potențial între conductori (de exemplu, atunci când un condensator este atașat de-a lungul unei baterii), un câmp electric se dezvoltă peste dielectric, provocând o încărcare pozitivă (+ Q) pentru a se colecta pe o singură placă, și încărcarea negativă (-Q) pe cealaltă placă. Dacă o baterie este atașată la un condensator pentru o perioadă suficientă de timp, nu poate trece curent prin condensator. Cu toate acestea, dacă se aplică o tensiune de accelerare sau alternativă pe conductele condensatorului, poate curge un curent de deplasare. Pe lângă plăcile condensatoarelor, încărcarea poate fi stocată și într-un strat dielectric.

Capacitatea este mai mare când există o separare mai restrânsă între conductori și când conductorii au o suprafață mai mare. În practică, dielectricul dintre plăci emite o cantitate mică de curent de scurgere și are o limită a intensității câmpului electric, cunoscută sub numele de tensiune de străoungere. Cu toate acestea, efectul de recuperare a unui dielectric, după o străpungere de înaltă tensiune, promite o nouă generație de condensatoare cu auto-refacere. Conductoarele introduc inductanța nedorită și rezistență.

În cercetare se evaluează efectele cuantice ale condensatoarelor la scară nanometrică pentru bateriile cuantice digitale.

Materiale magnetice superconductoare

Sistemele superconductoare de stocare a energiei magnetice stochează energia într-un câmp magnetic creat de fluxul de curent continuu într-o bobină superconductoare care a fost răcită la o temperatură sub temperatura critică superconductoare. Un sistem tipic include o bobină superconductoare, un sistem de climatizare și un refrigerator. Odată ce bobina supraconductoare este încărcată, curentul nu scade și energia magnetică poate fi stocată pe o perioadă nedeterminată.

Energia stocată poate fi eliberată în rețea prin descărcarea bobinei. Convertizorul/redresorul asociat are aproximativ 2-3% pierderi de energie în fiecare direcție. Sistemele superconductoare de stocare a energiei magnetice pierd cea mai mică cantitate de energie electrică în procesul de stocare a energiei în comparație cu alte metode de stocare a energiei.

Datorită cerințelor energetice de refrigerare și a costului sârmei superconductoare, sistemele superconductoare de stocare a energiei magnetice sunt utilizate pentru stocarea pe termen scurt, cum ar fi îmbunătățirea calității energiei. De asemenea, au aplicații în echilibrarea rețelei.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *