Системи за съхранение на електрическа енергия

снимка: AES

Системите за съхранение на електроенергия са бързо развиващ се клас на високотехнологично оборудване, което открива фундаментално нови възможности за развитие на електроенергийната индустрия. Те правят електрическата енергия "съхраняема" и преносима, което премахва необходимостта от стриктна едновременност на процесите на производство и потребление на електроенергия. Позволяват непрекъснато електрозахранване в случай на критичен спад, намаляване или пълно отсъствие на напрежение в електрическата мрежа.
В статията ще разкажем за физическите, електрохимичните и електрическите системи за съхранение на електрическа енергия, за приложението на електрохимичните системи за съхранение на електрическа енергия във възобновяемите енергийни източници.

Глобалната електроенергийна индустрия следва основния технологичен принцип – съответствие на нивото на производство и потребление в един и същ момент от време. Иновативна технология, която позволява отделянето на производството от потреблението, е системата за съхранение на електрическа енергия. Тази технология променя напълно цялата диспечерска система, съотношението на традиционната и алтернативната електроенергийна индустрия. Увеличаването на количеството електроенергия, произведена от възобновяеми енергийни източници (ВЕИ), поставя нови предизвикателства пред електрическите мрежи, които вече работят при условия на повишено натоварване. Съвременните системи за електрозахранване трябва да са в състояние да балансират търсенето и предлагането по всяко време, да имат по-гъвкаво управление и да осигуряват оптимизирана енергийна ефективност. Все по-широкото използване на ВЕИ създава нов сериозен източник на нестабилност. Вятърната и слънчевата възобновяема енергетика, се съпровожда на значителни пикове и спадове в производството на електрическа енергия. Системите за съхранение на електрическа енергия, изглаждат неравномерното генериране на електрически ток и намаляват скоростта на промяна в мощността на средни и големи инсталации, използващи енергията на слънцето и вятъра. По този начин те осигуряват стабилно ниво на изходната мощност и правят възобновяемия енергиен източник предсказуем компонент в електрическата мрежа. Използването на определен тип система за съхранение на електрическа енергия (ССЕЕ) зависи от редица технически и икономически фактори. От техническа гледна точка ССЕЕ е сложна многокомпонентна система с няколко възможни начина на преобразуване на енергията. Всеки етап се осъществява посредством добре стандартизирани компоненти като трансформатори, системи за преобразуване на енергия или иновативни компоненти, например нови видове електрохимични акумулатори. В днешно време има няколко типа технологии за съхранение на електрическа енергия. Примери за такива технологии са хидроакумулиращите електроцентрали, химическите източници на електрически ток, системите за съхранение, базирани на маховици, водород, синтетичен природен газ. ССЕЕ позволяват преобразуването на електрическата енергия в други форми на енергия, подходящи за съхранение в определен интервал от време, с допълнителна възможност за превръщането им обратно в електрическа енергия.

Физически системи за съхранение на електрическа енергия
Най-широко приложение са намерили хидроакумулиращите електроцентрали, които имат най-висок енергиен капацитет, като 99% от съхранената електрическа енергия в света идва от тях – обща инсталирана мощност до 3000МW. Хидроакумулиращите електроцентрали представляват комплекс от генератори и помпи или обратими хидрогенератори. Те се явяват гравитационни системи за съхранение на електрическа енергия. В часовете на нощния минимум на потребление на електрическа енергия, помпи използват евтина електрическа енергия, за да прехвърлят водата в горния воден резервоар. В периоди на сутрешна и вечерна максимална консумация на електрическа енергия, водата под действието на гравитацията се спуска към турбина и електроцентралата генерира скъпа електрическа енергия. Такъв маневрен източник за генериране на енергия е необходим за регулиране на честотата в електроенергийната система. Ефективността на тези електроцентрали е около 70-85%, а експлоатационният срок е до 40 години. Характеризират се с висока инсталирана мощност и инерционен характер. Въпреки това широкото въвеждане на технологията на хидроакумулиращите централи е възпрепятствано от два основни проблема. Първият е необходимостта да се избере естествен релеф с голяма разлика във височините. Вторият проблем е необходимостта от наводняване на огромна площ подобно на езеро, което води до намаляване на ефективността, дължаща се на изпаряването на водата и на последици за местната околна среда.

Съхраняването на електрическа енергия под формата на сгъстен въздух (compressed air energy storage – CAES) се извършва с помощта на електрически компресор, който с високо налягане нагнетява въздух в подземни кухини от естествен произход или в специални резервоари. Нагнетяването се извършва през нощта, в часовете с минимално ниво на консумация на електрическа енергия. В часовете на максимална консумация на електрическа енергия, натрупаният сгъстен въздух се използва за работа на турбогенератор. Технологиите CAES могат да се използват за съхранение на големи количества електрическа енергия, подобно на хидроакумулиращите електроцентрали, като въздухът се нагнетява в естествени съоръжения за съхраняване. За местна употреба въздухът се нагнетява в изкуствени резервоари. Основната пречка за използването на технологията CAES е намирането на подходящо географско местоположение на хранилището и по-ниска ефективност в сравнение с хидроакумулиращите електроцентрали. По-нова разработка на CAES технологията е AA-CAES, в която е интегрирано термично съхранение на електрическата енергия.

Съхранението на електрическа енергия под формата на кинетична енергия се извършва с маховик. Съвременната конструкция на супер маховик (flywheel energy storage – FES) обикновено включва компонентите маховик, лагери, електродвигател/генератор, вакуумна клетка. Съхраняването и освобождаването на електрическа енергия се дължи на ускорението или забавянето на маховика. Количеството на съхраняваната електрическа енергия в супер маховик зависи от скоростта на въртене на последния. Съвременните маховици издържат на 105-107 цикъла на ускорение и забавяне. Значително внимание се обръща на използването на композитни материали за увеличаване на якостта и оптимизиране на характеристиките на теглото и размерите, както и на проблеми с безопасността. Маховиците се използват широко за възстановяване на спирачната енергия на метровлаковете, като устройството е разположено в подстанцията, а не във влака. Използва се в аварийните енергийни системи на големи отговорни потребители, например за захранване при стартиране на дизелов двигател. Основното им предимство е почти моменталното поемане на натоварването, докато енергопоглъщаемостта е доста малка. Всички супер маховици могат да бъдат разделени в две категории, ниско скоростни (6000min-1) и високо скоростни (до 100000min-1). Супер маховиците имат висока ефективност и относително висока енергийна плътност. По нова разработка е пуснатата в експлоатация ССЕЕ на базата на супер маховици с обща инсталирана мощност от 20MW. Целта на тази инсталация е бързото регулиране на честотата на мрежовото напрежение.

Електрохимични системи за съхранение на електрическа енергия
Световната електроенергетика е намерила други решения за съхранение на електрическата енергия, които са по-прости от инженерна гледна точка и по-малко мощни от хидроакумулиращите електроцентрали. В света сега най-големи усилия са съсредоточени в областта на електрохимичните технологии за съхранение на електрическа енергия, при които тя се превръща в химическа енергия на веществата. Тези технологии се основават на взаимодействието на два електрода и специална течност – електролит. В последно време все повече се увеличават разработките не само с течен, но и с твърд електролит. Съгласно този принцип функционират вече известните електрохимични акумулаторни батерии. Те са едни от най-широко използваните технологии за съхранение на електрическа енергия, както в индустрията, така и в бита. Принципът на работа на акумулаторните батерии се основава на обратимостта на протичащите химически реакции и поради те могат да се използват многократно. Разреденият акумулатор се подлага на зареждане (поларизация от външен източник на постоянен ток), при което на положителния електрод се извършва анодна окислителна реакция, а на отрицателния – катодна редукция. В резултат на това активните вещества достигат до първоначалното си състояние. При прехода от разреждане към зареждане положителния електрод, катод, става анод, а отрицателния електрод, анод, става катод. Такова редуване показва същността на електрохимичните реакции.

Интересно решение представляват потоковите акумулаторни батериите с течност (flow battery), които имат увеличен капацитет поради използването на два контейнера с електролити (заредени и разтоварени), разделени от мембрана. Енергията се произвежда чрез взаимодействието на двата течни компонента, които се изпомпват през горивна клетка. В резултат на химическото взаимодействие се генерира електричество.

Най-често срещаните видове акумулаторни батерии в търговската мрежа са оловно-киселинните, литиево-йонните, никел-кадмиевите. В оловно-киселинните акумулаторни батерии оловния диоксид и оловото служат като реагенти, а разтворът на сярна киселина се използва като електролит. При изпразването и зареждането на батериите веществата, присъстващи в акумулатора, са оловния диоксид, оловото и сулфатните аниони. В процеса на зареждане и разтоварване на акумулатора протичат електрохимични окислително-редукционни реакции при електродите, а електролитът е средата за транспортиране на йони между тях. Те намаляват в количество или се генерират нови, и обратно. При този процес се съхранява електрическа енергия (зареждане) или подаване на електрическа енергия (разтоварване). При работа на отрицателния електрод се извършват предимно течнофазни процеси, протичащи по механизма “разтваряне-утаяване“. Първоначалният етап в разреждането на оловния електрод в сярнокиселия електролит е йонизирането на оловото, като заедно с оловните йони се образуват и разтворими комплекси на двувалентно олово. Вторият етап на разреждане е кристализирането по електрода на оловен сулфат. Той започва след достигане на значително пресищане на близкия електроден слой. Този процес, както и разтварянето на оловния сулфат, се извършва със скорост 6.10-3сm/s. При зареждането на отрицателния електрод се извършва разтваряне на оловния сулфат със същата скорост. Следващият етап е електроредуцирането на двувалентните оловни йони. Хетерогенните неелектрохимически реакции на кристализация и разтваряне заедно с дифузията определят скоростта на процесите на разтоварване и зареждане. Те рязко се забавят при понижаване на температурата.

Оловно-киселинните акумулаторни батерии са широко известни и често срещани, но заедно с предимствата, те имат значителни недостатъци – ниска енергийна поглъщаемост (на ниво 10-30Wh/kg) и това че в тях се използва токсично олово. Също така те се характеризират с малък брой цикли на зареждане/разтоварване и ниска допустима дълбочина на разтоварване в повечето от техните разновидности. Съгласно приложението си, оловно-киселинните акумулаторни батерии се разделят на няколко групи – стартерни (за стартиране на двигатели с вътрешно горене), стационарни (като резервен захранващ източник, включително от ВЕИ), тягови (за електрически транспорт),преносими (за захранване на инструменти и прибори).

В литиево-йонните акумулаторни батерии, като отрицателен електрод се използва въглероден материал, в който обратимо са включени литиеви йони. За положителен електрод се използва обикновено кобалтов оксид, в който литиевите йони са също обратимо вградени. Тук принципът на действие на тази електрохимична система се основава на интеркалацията – обратимо включване на молекула или група между други молекули или групи. Литиевите йони се включват в различни съединения при различни електрохимични потенциали. Транспортът на литиеви йони между електродите се осъществява посредством органичен електролит, който включва смес от органични разтворители и литиева сол. Използването на органични електролити увеличава напрежението на една клетка до 3-4,5V в сравнение с 1-1,5 за киселинни и алкални системи. Когато батерията се зарежда, литиевите йони се вмъкват в анодния материал. При разтоварване литиевите йони се отделят и се прехвърлят към катода, а освободените електрони образуват електрически ток във външната верига. Този тип батерии се характеризира с висока енергопоглъщаемост, дълбок цикъл на зареждане – 70-80%. В същото време ресурсите и цената на тези батерии зависят от вида на електрохимичните системи, използвани в катода и анода, както и от температурата и условията на работа. Недостатъците включват висока цена, наклонена разрядна крива и сравнително голямо саморазреждане. Поради високата специфична енергия, тяхното производство се е увеличило драстично през последните години.

Най новата разработка или третото поколение на никел-йонни акумулаторни батерии, е използването на литиев ферофосфат като катоден материал. Той се явява много добър материал за употреба в батериите и е в състояние да даде почти целия натрупан литий, като същевременно остава стабилен. В същото време се запазва основното свойство на литиево-йонните батерии – голяма специфична поглъщаемост. По този начин третото поколение литиево-йонни батерии е станало безопасно, високоефективно и екологично чисто.

Никел-кадмиевите акумулаторни батерии са известни от дълго време. Принципът на действие се основава на образуването на кадмиев хидроксид в анода и на никелов хидроксид при катода. За електролит се използва разтвор на калиев хидроксид. Поради това те се наричат още алкални акумулаторни батерии. Тяхната енергопоглъщаемост е почти два пъти по-висока от тази на оловно-киселинните акумулатори. Те са работоспособни при ниски температури, като допустимите токове на зареждане и разтоварване са също значително по-високи. Тези предимства дават възможност на никел-кадмиевите акумулаторни батерии да намерят широко приложение в транспортните, авиационните и стационарните системи. В същото време на никел-кадмиевите батерии е присъщ такъв недостатък, наречен ефект на „паметта“. Тяхната енергопоглъщаемост пада рязко, когато не е напълно извършено разтоварване или зареждане. За възстановяването й са необходими специални алгоритми за зареждане. Те са и най-критичните от всички видове електрохимични акумулаторни батерии за точно съответствие с изискванията за правилна експлоатация. Независимо от тези недостатъци, никел-кадмиевите батерии са се считали за алтернатива на оловно-киселинните батерии в приложението им в електрическия транспорт до появата на по-модерни и по-малко взискателни по отношение на експлоатацията системи. Въпреки това, те не са успели напълно да изместят оловно-киселинните акумулатори, главно поради по-високата цена, дължаща се на трудоемката технология и на дефицита на кадмий и никел.

Електрически системи за съхранение на електрическа енергия
Суперкондензаторът е импулсно устройство, предназначено да компенсира бързите преходни процеси в различни електрически вериги. Той се отличава от различните типове акумулаторни батерии със значително по-ниската енергопоглъщаемост (в единици Wh/kg) и повишена специфична мощност (2-10kW/kg). Процесът на съхранение на енергия в суперкондензаторите се извършва поради разделяне на заряда на два електрода с достатъчно голяма потенциална разлика между тях. Тъй като химически превръщания на вещества не се появяват по време на работа на суперкондензатора (ако не се допуска повишаване напрежението на заряда), експлоатационният срок на системата е дълъг и може да надвишава 100000 цикли на зареждане/разтоварване. По основните си параметри суперкондензаторите заемат междинна позиция между химическите източници на електрическа енергия и конвенционалните кондензатори. Като се имат предвид гореспоменатите характеристики на суперкондензаторите, препоръчително е да се използват в хибридни схеми с акумулаторни батерии. В този случай суперкондензаторът реагира на кратки пикове на генериране или потребление на електроенергия, увеличава експлоатационния срок на акумулаторната батерия и намалява времето за реакция на цялата система към външни влияния.

Приложение на електрохимични системи за съхранение на електрическа енергия във ВЕИ
Поради нестабилността на производството на електроенергия от вятърни генератори или слънчеви фотоволтаични панели, системите за съхранение на електрическа енергия се превърнаха във важен атрибут на системите за електроснабдяване. Натрупаната през деня електрическа енергия се подава чрез акумулаторните батерии през нощта в електрическата мрежата или в пиковите моменти, когато електроенергията е недостатъчна за нуждите на потребителите. Трябва да е , че системата за съхранение на енергия не е само акумулаторната батерия. Водещите световни компании влагат тази концепция различен смисъл. Те предлагат на потребителя цялостно решение, което включва акумулаторни батерии и софтуерни решения, които осигуряват контрол на състоянието на батериите и оптимално разпределение на натоварването.

Според US Energy Storage Monitor, 94,2% от батериите, използвани за съхранение на енергия в САЩ, са литиево-йонни, 5% са ванадиеви поточни редукционни батерии (vanadium redox flow batteries), 0,5% са оловно-киселинни батерии. Сега целевото съхранение на електрическата енергия е доминирано литиево-йонните батерии, инсталирани в домовете със слънчеви панели (behind-the-meter storage). С поточните технологии е възможно да се създаде голяма електрическа мрежа, от която всеки абонат ще ползва електроенергия според нуждите си (in-front-of-the-meter). Това позволява да се намалят разходите за съхранение от сегашните 891-985 долара за 1МWh до 184-338 долара според изчисления от “Lazard and Enovation Partners”.