تخزين الطاقة هو التقاط الطاقة المنتجة في وقت واحد للاستخدام في وقت لاحق. يطلق على الجهاز الذي يخزن الطاقة بصفة عامة جهاز تراكم أو بطارية. تأتي الطاقة بأشكال متعددة بما في ذلك الإشعاع والكيميائية وإمكانات الجاذبية والإمكانات الكهربائية والكهرباء ودرجة الحرارة المرتفعة والحرارة الكامنة والحركية. ينطوي تخزين الطاقة على تحويل الطاقة من أشكال يصعب تخزينها إلى أشكال أكثر سهولة أو قابلة للتخزين اقتصاديًا.

توفر بعض التقنيات تخزينًا للطاقة على المدى القصير ، في حين يمكن أن يستمر الآخرون لفترة أطول. وتهيمن السدود الكهرومائية في الوقت الحالي على تخزين الطاقة بكميات كبيرة ، سواء التقليدية أو المضخّمة.

ومن الأمثلة الشائعة على تخزين الطاقة البطارية القابلة لإعادة الشحن ، التي تخزن الطاقة الكيميائية القابلة للتحويل بسهولة إلى الكهرباء لتشغيل الهاتف المحمول ، والسد الكهرومائي ، الذي يخزن الطاقة في خزان كطاقة جاذبية كامنة ، وخزانات تخزين الجليد ، التي تخزن الثلج المجمد بواسطة أرخص الطاقة ليلا لتلبية الطلب النهاري الذروة للتبريد. الوقود الأحفوري مثل الفحم والبنزين يقوم بتخزين الطاقة القديمة المشتقة من أشعة الشمس بواسطة كائنات حية ماتت فيما بعد ، ثم تم دفنها ومع مرور الوقت تم تحويلها إلى هذه الأنواع من الوقود. الغذاء (الذي يصنع بنفس عملية الوقود الأحفوري) هو شكل من أشكال الطاقة المخزنة في شكل كيميائي.

أساليب

الخطوط العريضة
تتضمن القائمة التالية مجموعة متنوعة من أنواع تخزين الطاقة:

تخزين الوقود الأحفوري
ميكانيكي
تخزين طاقة الهواء المضغوط (CAES)
قاطرة داعمة
حذافة تخزين الطاقة
طاقة جاذبية كامنة
تراكم هيدروليكي
الطاقة الكهرومائية التي يتم ضخها بالضخ (التخزين الكهرومائي الضخ ، PHS ، أو الطاقة الكهرمائية للتخزين الضخ ، PSH)

الكهربائية والكهرومغناطيسية
مكثف
Supercapacitor
وحدة تخزين طاقة مغناطيسية فائقة التوصيل (SMES ، أيضًا ملف تخزين فائق التوصيل)

بيولوجي
الجليكوجين
نشاء

الكهروكيميائية (نظام تخزين طاقة البطارية ، BESS)
بطارية التدفق
بطارية قابلة لإعادة الشحن
UltraBattery

حراري
سخان تخزين الطوب
تخزين الطاقة المبردة ، تخزين طاقة الهواء السائل (LAES)
محرك النيتروجين السائل
نظام سهل الانصهار
تكييف الهواء تخزين الجليد
تخزين الملح المصهور
مواد تغيير الطور
تخزين الطاقة الحرارية الموسمية
بركة شمسية
تراكم البخار
تخزين الطاقة الحرارية (عام)

المواد الكيميائية
الوقود الحيوي
أملاح مرطبة
تخزين الهيدروجين
بيروكسيد الهيدروجين
القدرة على الغاز
خامس أكسيد الفاناديوم

التخزين الميكانيكية
يمكن تخزين الطاقة في المياه التي يتم ضخها إلى ارتفاع أعلى باستخدام طرق التخزين التي يتم ضخها أو عن طريق نقل المواد الصلبة إلى مواقع أعلى (بطاريات الجاذبية). وتشمل الطرق الميكانيكية التجارية الأخرى ضغط الهواء والحذافات التي تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية ثم تعود مرة أخرى عند ذروة الطلب على الكهرباء.

الطاقة الكهرومائية
يمكن تشغيل السدود الكهرمائية مع الخزانات لتوفير الكهرباء في أوقات ذروة الطلب. يتم تخزين المياه في الخزان خلال فترات انخفاض الطلب ويتم تحريرها عند ارتفاع الطلب. يتشابه التأثير الصافي مع سعة التخزين ، ولكن بدون فقدان الضخ.

في حين أن السد الكهرمائي لا يخزن الطاقة مباشرة من وحدات التوليد الأخرى ، إلا أنه يتصرف بشكل مكافئ عن طريق خفض الإنتاج في فترات الطاقة الزائدة من مصادر أخرى. في هذا الوضع ، تعتبر السدود واحدة من أكثر أشكال تخزين الطاقة كفاءة ، وذلك لأن توقيت الجيل فقط هو الذي يتغير. تمتلك التوربينات الكهرومائية وقت بدء التشغيل في حدود بضع دقائق.

ضخ التخزين
في جميع أنحاء العالم ، تعتبر الطاقة الكهرومائية ذات التخزين الهيدروليكي (PSH) هي أكبر سعة تخزين طاقة الشبكة النشطة المتاحة ، وكما في مارس 2012 ، أفاد معهد أبحاث الطاقة الكهربائية (EPRI) أن PSH تمثل أكثر من 99٪ من سعة التخزين بالجملة. في جميع أنحاء العالم ، تمثل حوالي 127000 ميجاوات. تختلف كفاءة الطاقة PSH في الممارسة بين 70 ٪ و 80 ٪ ، مع مطالبات تصل إلى 87 ٪.

في أوقات انخفاض الطلب على الطاقة الكهربائية ، يتم استخدام سعة التوليد الزائدة لضخ المياه من مصدر منخفض إلى خزان أعلى. عندما ينمو الطلب ، يتم إطلاق الماء مرة أخرى إلى خزان منخفض (أو مجرى مائي أو جسم مائي) من خلال التوربين ، مما يؤدي إلى توليد الكهرباء. تعمل مجموعات مولدات التوربينات عكسية كمضخة وتوربين (عادةً تصميم توربين فرانسيس). تستخدم جميع المرافق تقريبًا فرق الارتفاع بين جسمين مائيين. وتحول محطات التخزين ذات المضخات النقية الماء بين الخزانات ، في حين أن نهج “إعادة الضخ” هو مزيج من تخزين الضخ ومصانع الطاقة الكهرومائية التقليدية التي تستخدم التدفق الطبيعي للتيار.

هواء مضغوط
يستخدم تخزين الهواء المضغوط (CAES) فائض الطاقة لضغط الهواء لتوليد الكهرباء اللاحق. منذ فترة طويلة أنظمة صغيرة تستخدم في تطبيقات مثل دفع قاطرات الألغام. يتم تخزين الهواء المضغوط في خزان تحت الأرض ، كقبة ملح.

يمكن لمحطات تخزين طاقة الهواء المضغوط (CAES) أن تسد الفجوة بين تقلب الإنتاج والحمل. يتناول التخزين CAES احتياجات الطاقة من المستهلكين من خلال توفير الطاقة المتاحة على نحو فعال لتلبية الطلب. مصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية لديها موارد متغيرة. ونتيجة لذلك ، فإن تكملة أشكال الطاقة الأخرى ضرورية لتلبية الطلب على الطاقة خلال فترات انخفاض الموارد المتاحة. إن مصانع تخزين الطاقة المضغوطة قادرة على امتصاص الطاقة الفائضة من مصادر الطاقة المتجددة في أوقات الطاقة الزائدة عن الإنتاج. يمكن استخدام هذه الطاقة المخزنة في وقت لاحق عند زيادة الطلب على الكهرباء أو انخفاض توافر موارد الطاقة.

ضغط الهواء يخلق الحرارة. الهواء أكثر دفئًا بعد الضغط. التوسع يتطلب حرارة. إذا لم يتم إضافة حرارة إضافية ، فإن الهواء سيكون أكثر برودة بعد التوسع. إذا كان من الممكن تخزين الحرارة الناتجة أثناء الضغط واستخدامها أثناء التوسيع ، فإن الكفاءة تتحسن بشكل كبير. يمكن لنظام CAES التعامل مع الحرارة بثلاث طرق. يمكن أن يكون تخزين الهواء ثابتًا أو مكتئبًا أو متساوي الحرارة. نهج آخر يستخدم الهواء المضغوط لتشغيل المركبات.

حذافة تخزين الطاقة
تعمل تقنية تخزين دولاب الموازنة (FES) عن طريق تسريع دوران (دولاب الموازنة) إلى سرعة عالية جدًا ، مع الاحتفاظ بالطاقة كطاقة دورانية. عند استخراج الطاقة ، تنخفض سرعة دوران دولاب الموازنة نتيجة للحفاظ على الطاقة ؛ مضيفا الطاقة في المقابل النتائج في زيادة في سرعة دولاب الموازنة.

تستخدم معظم أنظمة FES الكهرباء لتسريع وتبطين الحدافة ، لكن الأجهزة التي تستخدم الطاقة الميكانيكية مباشرة هي قيد النظر.

أنظمة FES لها دوارات مصنوعة من مركبات ألياف الكربون عالية القوة ، معلقة بواسطة محامل مغناطيسية وتدور بسرعة تتراوح بين 20،000 إلى أكثر من 50،000 دورة في الدقيقة في غلاف خارجي. هذه الحذافات يمكن أن تصل إلى السرعة القصوى (“تهمة”) في غضون دقائق. يتم توصيل نظام دولاب الموازنة مع محرك كهربائي / مولد كهربائي.

تتمتع أنظمة FES بأعمار طويلة نسبياً (عقود دامت مع صيانة قليلة أو بدون صيانة على الإطلاق ؛ وتتراوح أمد فترة دوران دورة كاملة من الحذافات بين 105 ، إلى 107 دورة استخدام) ، والطاقة المحددة العالية (100-130 W • h / kg أو 360-500 كيلوجول / كجم) وكثافة القدرة.

قابلية تخزين الطاقة الكامنة مع كتل صلبة
يمكن أن يؤدي تغيير ارتفاع الكتل الصلبة إلى تخزين أو إطلاق الطاقة عبر نظام رفع مدفوع بمحرك / مولد كهربائي. كان التخزين المحتمل للطاقة أو تخزين طاقة الجاذبية قيد التطوير النشط في عام 2013 بالتعاون مع مشغل نظام كاليفورنيا المستقل. وقد فحصت حركة عربات السكك الحديدية المملوءة بالأرض والمدفوعة بقاطرات كهربائية) من الارتفاعات المنخفضة إلى المرتفعات.

تشمل الطرق استخدام القضبان والرافعات لنقل الأوزان الخرسانية إلى الأعلى والأسفل ، باستخدام منصات الطفو المرتفعة التي تعمل بالطاقة الشمسية والتي تدعم الروافع لرفع وخفض الكتل الصلبة ، باستخدام الروافع المدعومة من بارجة المحيط للاستفادة من مسافة 4 كيلومترات (13000 قدم) فرق الارتفاع بين السطح وقاع البحر. يمكن أن تصل الكفاءة إلى 85٪ من الطاقة المخزنة.

التخزين الحراري
تخزين الطاقة الحرارية (TES) هو التخزين المؤقت أو إزالة الحرارة.

تخزين الطاقة الحرارية الحرارية الحساسة
يستفيد التخزين الحراري المعقول من الحرارة المعقولة في مادة لتخزين الطاقة.

يسمح تخزين الطاقة الحرارية الموسمية (STES) باستخدام الحرارة أو البرودة أشهر بعد جمعها من الطاقة المهدرة أو المصادر الطبيعية. يمكن تخزين المواد في طبقات المياه الجوفية المتضمنة ، أو مجموعات من الآبار في الركائز الجيولوجية مثل الرمل أو الصخور المتبلرة ، في حفر مبطنة مليئة بالحصى والماء ، أو الألغام المملوءة بالماء. غالبًا ما يكون لمشروعات تخزين الطاقة الحرارية الموسمية (STES) مردودات في نطاق من أربع إلى ست سنوات. ومن الأمثلة على ذلك دريك لاندينج سولار كوميونيتي في كندا ، حيث يتم توفير 97٪ من درجات الحرارة على مدار السنة بواسطة المجمعات الحرارية الشمسية على أسقف المرآب ، مع وجود مخزن للطاقة الحرارية (BTES) هو تقنية التمكين. في Braestrup ، الدنمارك ، يستخدم نظام التدفئة في المنطقة الشمسية أيضًا STES ، عند درجة حرارة تخزين تبلغ 65 درجة مئوية (149 درجة فهرنهايت). يتم استخدام المضخة الحرارية ، التي يتم تشغيلها فقط عند وجود فائض طاقة رياح متاحة على الشبكة الوطنية ، لرفع درجة الحرارة إلى 80 درجة مئوية (176 درجة فهرنهايت) للتوزيع. عندما لا تتوفر فائض الكهرباء المولدة من الرياح ، يتم استخدام غلاية تعمل بالغاز. عشرون في المئة من حرارة Braestrup هو الطاقة الشمسية.

تخزين الطاقة الحرارية الحرارية الكامنة (LHTES)
تعمل أنظمة تخزين الطاقة الحرارية الحرارية الكامنة مع المواد ذات السعة العالية للحرارة الكامنة (حرارة الانصهار) ، والمعروفة باسم مواد تغيير الطور (PCMs). الميزة الرئيسية لهذه المواد هي أن سعة تخزين الحرارة الكامنة هي أكثر بكثير من الحرارة المعقولة. في نطاق درجة حرارة محددة ، تمتص تغيرات الطور من الصلبة إلى السائلة كمية كبيرة من الطاقة الحرارية للاستخدام في وقت لاحق.

يتكون تخزين الطاقة الحرارية الحرارية الكامنة من عملية يتم بواسطتها إما امتصاص الطاقة في شكل حرارة أو إطلاقها أثناء تغيير طور مادة تغيير الطور (PCM). يعتبر PCM مادة ذات حرارة انصهار عالية. تغيير الطور هو ذوبان أو ترسيخ مادة ما. أثناء تغيير الطور ، يكون للـ PCM القدرة على امتصاص كميات كبيرة من الطاقة بسبب الحرارة العالية للانصهار.

الكهروكيميائية

بطارية قابلة لإعادة الشحن
بطارية قابلة لإعادة الشحن ، تضم واحدة أو أكثر من الخلايا الكهروكيميائية. وهي تعرف باسم “خلية ثانوية” لأن تفاعلاتها الكهروكيميائية قابلة للعكس كهربائياً. تأتي البطاريات القابلة لإعادة الشحن بأشكال وأحجام مختلفة ، تتراوح من خلايا زر إلى أنظمة شبكة ميغاواط.

البطاريات القابلة لإعادة الشحن لها تكلفة إجمالية أقل للاستخدام والأثر البيئي من البطاريات غير القابلة لإعادة الشحن (التي يمكن التخلص منها). تتوفر بعض أنواع البطاريات القابلة لإعادة الشحن في نفس أشكال الشكل مثل المستهلكات. تحمل البطاريات القابلة للشحن تكلفة أولية أعلى ولكن يمكن إعادة شحنها بأسعار زهيدة جدًا واستخدامها عدة مرات.

تشمل كيميائيات البطارية القابلة لإعادة الشحن الشائعة:

بطارية الرصاص الحمضية: تمتلك بطاريات الرصاص الحمضية أكبر حصة سوقية من منتجات التخزين الكهربائية. تنتج خلية واحدة حوالي 2 فولت عند الشحن. في الحالة المشحونة يتم غمر القطب السالب الفلزي المعدني وكهربائي القطب الموجب بالرصاص في محلول الكبريت الحامضي المخفف (H2SO4). في عملية التفريغ يتم دفع الإلكترونات خارج الخلية حيث يتم تشكيل كبريتات الرصاص في القطب السالب بينما يتم تقليل الإلكتروليت إلى الماء.
وقد تم تطوير تكنولوجيا بطارية الرصاص الحمضية على نطاق واسع. يتطلب الصيانة الحد الأدنى من العمالة وتكلفتها منخفضة. تخضع سعة طاقة البطارية المتوفرة لتفريغ سريع مما يؤدي إلى انخفاض العمر الافتراضي وانخفاض كثافة الطاقة.
بطارية النيكل والكادميوم (NiCd): يستخدم هيدروكسيد أكسيد النيكل والكادميوم المعدني كأقطاب كهربائية. الكادميوم هو عنصر سام ، وقد تم حظره لمعظم الاستخدامات من قبل الاتحاد الأوروبي في عام 2004. وقد تم استبدال بطاريات النيكل والكادميوم بالكامل تقريباً ببطاريات هيدريد النيكل والمعدن (NiMH).
بطارية هيدريد النيكل – المعدن (NiMH): كانت أول أنواع تجارية متاحة في عام 1989. هذه الأنواع أصبحت الآن نوعًا مستهلكًا وصناعيًا شائعًا. تحتوي البطارية على سبيكة تمتص الهيدروجين للقطب السالب بدلاً من الكادميوم.
بطارية ليثيوم أيون: الخيار في العديد من الإلكترونيات الاستهلاكية ولديها واحدة من أفضل نسب الطاقة إلى كتلة وبطء التفريغ الذاتي عند عدم استخدامها.
بطارية ليثيوم أيون بوليمر: هذه البطاريات خفيفة الوزن ويمكن صنعها بأي شكل مرغوب.

بطارية التدفق
تعمل بطارية التدفق عن طريق تمرير محلول فوق الغشاء حيث يتم تبادل الأيونات لشحن / تفريغ الخلية. يتم تحديد فلطية الخلية كيميائياً بواسطة معادلة نرنست ونطاقاتها ، في التطبيقات العملية ، من 1.0 إلى 2.2 فولت. وسعتها التخزينية هي دالة لحجم الخزانات التي تحمل المحلول.

إن بطارية التدفق تشبه تقنيًا خلية الوقود والخلية الكهروكيميائية. التطبيقات التجارية هي لتخزين نصف دورة طويل مثل طاقة الشبكة الاحتياطية.

Supercapacitor
المكثفات الفائقة ، والمعروفة أيضًا بالمكثفات الكهربائية المزدوجة الطبقة (EDLC) أو المكثفات الفائقة ، هي مصطلحات عامة لعائلة من المكثفات الكهروكيميائية التي لا تحتوي على عازلات صلبة تقليدية. يتم تحديد السعة من قبل اثنين من مبادئ التخزين ، السعة طبقة مزدوجة و pseudocapacitance.

تقوم المكثفات الفائقة بسد الفجوة بين المكثفات التقليدية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن. تخزن معظم الطاقة لكل وحدة حجم أو كتلة (كثافة الطاقة) بين المكثفات. وهي تدعم ما يصل إلى 10000 farad / 1.2 volt ، أي ما يصل إلى 10000 مرة من المكثفات الإلكتروليتية ، ولكنها توفر أو تقبل أقل من نصف الطاقة لكل وحدة زمنية (كثافة الطاقة).

في حين أن المكثفات الفائقة لها كثافة طاقة وطاقة محددة تبلغ حوالي 10٪ من البطاريات ، فإن كثافة قوتها تكون أكبر من 10 إلى 100 مرة بشكل عام. وهذا يؤدي إلى دورات شحن / تفريغ أقصر بكثير. بالإضافة إلى ذلك ، سوف يتحملون الكثير من دورات الشحن والتفريغ أكثر من البطاريات.

تدعم المكثفات الفائقة نطاقًا واسعًا من التطبيقات ، بما في ذلك:

انخفاض العرض الحالي للنسخ الاحتياطي للذاكرة في ذاكرة الوصول العشوائي الساكنة (SRAM)
الطاقة للسيارات والحافلات والقطارات والرافعات والمصاعد ، بما في ذلك استعادة الطاقة من الكبح وتخزين الطاقة على المدى القصير وتسليم الطاقة في وضع الاندفاع

مادة كيميائية أخرى

القدرة على الغاز
الطاقة إلى الغاز هي التكنولوجيا التي تحول الكهرباء إلى وقود غازي مثل الهيدروجين أو الميثان. تستخدم الطرق التجارية الثلاثة الكهرباء لتقليل المياه إلى هيدروجين وأكسجين عن طريق التحليل الكهربائي.

في الطريقة الأولى ، يتم حقن الهيدروجين في شبكة الغاز الطبيعي أو يستخدم في النقل أو الصناعة. الطريقة الثانية هي الجمع بين الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون لإنتاج الميثان باستخدام تفاعل ميثان مثل تفاعل السباتيير ، أو الميثان البيولوجي ، مما يؤدي إلى فقدان إضافي لتحويل الطاقة بنسبة 8٪. قد يتم تغذية الميثان في شبكة الغاز الطبيعي. تستخدم الطريقة الثالثة الغاز الناتج لمولّد غاز خشبي أو مصنع غاز حيوي ، بعد أن يخلط جهاز مراقبة الغاز الحيوي مع الهيدروجين من إلكتروليزر ، لترقية نوعية الغاز الحيوي.

هيدروجين
يمكن أن يكون عنصر الهيدروجين شكلاً من الطاقة المخزنة. يمكن للهيدروجين أن ينتج الكهرباء عبر خلية وقود الهيدروجين.

عند الاختراق تحت 20٪ من الطلب على الشبكة ، فإن مصادر الطاقة المتجددة لا تغير الاقتصاد بشكل كبير. ولكن ما يزيد عن 20٪ من إجمالي الطلب ، يصبح التخزين الخارجي مهمًا. إذا تم استخدام هذه المصادر لصنع الهيدروجين الأيوني ، يمكن توسيعها بحرية. بدأ برنامج تجريبي مدته 5 سنوات يستخدم المجتمع المحلي باستخدام توربينات الرياح ومولدات الهيدروجين في عام 2007 في المجتمع النائي في راميا ونيوفاوندلاند ولابرادور. بدأ مشروع مماثل في عام 2004 في أوتسيرا ، وهي جزيرة نرويجية صغيرة.

تأتي خسائر الطاقة التي تدخل في دورة تخزين الهيدروجين من التحليل الكهربي للمياه أو التسييل أو ضغط الهيدروجين والتحول إلى الكهرباء.

مطلوب حوالي 50 كيلووات • h (180 MJ) من الطاقة الشمسية لإنتاج كيلوغرام من الهيدروجين ، وبالتالي فإن تكلفة الكهرباء أمر بالغ الأهمية. عند 0.03 دولار / كيلوواط ساعي ، يكون معدل خط الجهد العالي خارج الذروة في الولايات المتحدة ، يكلف الهيدروجين 1.50 دولار للكيلوغرام الواحد من الكهرباء ، أي ما يعادل 1.50 دولار للغالون. وتشمل التكاليف الأخرى مصنع التحليل الكهربائي أو ضواغط الهيدروجين أو التسييل والتخزين والنقل.

يمكن أيضًا إنتاج الهيدروجين من الألمنيوم والماء عن طريق تجريد حاجز أكسيد الألمينيوم الموجود بشكل طبيعي من الألمنيوم وإدخاله إلى الماء. هذه الطريقة مفيدة لأن علب الألمنيوم المعاد تدويرها يمكن أن تستخدم كوقود لتوليد الهيدروجين ، ومع ذلك فإن الأنظمة لتسخير هذا الخيار لم يتم تطويرها تجاريا وأكثر تعقيدا بكثير من أنظمة التحليل الكهربائي. وتشمل الطرق الشائعة لتجريد طبقة الأكاسيد المحفزات الكاوية مثل هيدروكسيد الصوديوم والسبائك المحتوية على الغاليوم والزئبق والمعادن الأخرى.

تخزين الهيدروجين تحت الأرض هو ممارسة تخزين الهيدروجين في الكهوف تحت الأرض والقباب الملحية وحقول النفط والغاز المستنفدة. تم تخزين كميات كبيرة من الهيدروجين الغازي في كهوف تحت الأرض بواسطة شركة Imperial Chemical Industries لسنوات عديدة دون أي صعوبات. أشار المشروع الأوروبي في عام 2013 إلى أن تخزين طاقة الرياح والطاقة الشمسية باستخدام الهيدروجين تحت الأرض يتطلب 85 كهفًا.

الميثان
الميثان هو أبسط هيدروكربون مع الصيغة الجزيئية CH4. يتم تخزين ونقل الميثان بسهولة أكبر من الهيدروجين. البنية التحتية للتخزين والاحتراق (خطوط الأنابيب ، مقاييس الغاز ، محطات توليد الطاقة) ناضجة.

يمكن إنشاء الغاز الطبيعي الاصطناعي (الغاز التخليقي أو الغاز التخليقي) في عملية متعددة الخطوات ، بدءاً من الهيدروجين والأكسجين. ثم يتفاعل الهيدروجين مع ثاني أكسيد الكربون في عملية سباتييه ، مما ينتج الميثان والمياه. يمكن تخزين الميثان واستخدامه فيما بعد لإنتاج الكهرباء. يتم إعادة تدوير المياه الناتجة ، مما يقلل من الحاجة إلى الماء. في مرحلة التحليل الكهربائي يتم تخزين الأكسجين لاحتراق الميثان في بيئة أكسجين نقية في محطة طاقة مجاورة ، مما يؤدي إلى القضاء على أكاسيد النيتروجين.

ينتج احتراق الميثان ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء. يمكن إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون لتعزيز عملية Sabatier ويمكن إعادة تدوير المياه لمزيد من التحليل الكهربائي. يقوم إنتاج الميثان وتخزينه واحتراقه بإعادة تدوير منتجات التفاعل.

لثاني أكسيد الكربون قيمة اقتصادية كمكون في ناقلات تخزين الطاقة ، وليس تكلفة كما هو الحال في التقاط الكربون وتخزينه.

القدرة على السائل
وتتشابه الطاقة مع السوائل مع طاقة الغاز ، غير أن الهيدروجين الناتج عن التحليل الكهربائي من الرياح والطاقة الشمسية لا يتم تحويله إلى غازات مثل الميثان ولكن إلى سوائل مثل الميثانول. يعتبر الميثانول أسهل في التعامل معه من الغازات ، ويتطلب احتياطات أقل للسلامة من الهيدروجين. يمكن استخدامه للنقل ، بما في ذلك الطائرات ، ولكن أيضًا للأغراض الصناعية أو في قطاع الطاقة.

الوقود الحيوي
يمكن أن يحل الوقود الحيوي المختلف مثل وقود الديزل الحيوي أو الزيت النباتي أو الوقود الكحولي أو الكتلة الحيوية محل الوقود الأحفوري. يمكن لعمليات كيميائية مختلفة تحويل الكربون والهيدروجين في الفحم والغاز الطبيعي والكتلة الحيوية النباتية والحيوانية والنفايات العضوية إلى هيدروكربونات قصيرة مناسبة كبديل للوقود الهيدروكربوني الموجود. ومن الأمثلة على ذلك فيشر-تروبش ديزل وميثانول وثنائي ميثيل إيثر وغاز التخليق. تم استخدام هذا المصدر ديزل على نطاق واسع في الحرب العالمية الثانية في ألمانيا ، والتي واجهت محدودية الوصول إلى إمدادات النفط الخام. تنتج جنوب إفريقيا معظم وقود الديزل من الفحم لأسباب مماثلة. قد يؤدي سعر النفط على المدى الطويل فوق 35 دولارًا أمريكيًا / برميل إلى جعل هذا الوقود السائل الصناعي على نطاق واسع اقتصاديًا.

الألومنيوم
تم اقتراح الألومنيوم كأسلوب لتخزين الطاقة من قبل عدد من الباحثين. يعادل الحجم الكهروكيميائي المكافئ للألمنيوم (8.04 ه / سم 3) تقريبا أربعة أضعاف عامل الليثيوم (2.06 ه / سم 3). يمكن استخراج الطاقة من الألومنيوم عن طريق تفاعلها مع الماء لتوليد الهيدروجين. ومع ذلك ، للتفاعل مع الماء ، يجب تجريد الألومنيوم من طبقة أكسيدها الطبيعي ، وهي عملية تتطلب السحق ، أو التفاعلات الكيميائية مع المواد الكاوية ، أو السبائك. الناتج الثانوي من التفاعل لإنشاء الهيدروجين هو أكسيد الألومنيوم ، والذي يمكن إعادة تدويره مرة أخرى إلى الألومنيوم مع عملية Hall-Héroult ، مما يجعل التفاعل متجددًا نظريًا. إذا تم تشغيل عملية Hall-Heroult باستخدام الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح ، يمكن استخدام الألومنيوم لتخزين الطاقة المنتجة بكفاءة أعلى من التحليل الكهربائي المباشر للشمس.

البورون والسيليكون والزنك
وقد اقترح البورون والسيليكون والزنك كحلول تخزين الطاقة.

مادة كيميائية أخرى
يحول المركب العضوي norbornadiene إلى كوادكسترين عند التعرض للضوء ، وتخزين الطاقة الشمسية كطاقة الروابط الكيميائية. تم تطوير نظام عمل في السويد كنظام حراري شمسي جزيئي.

الطرق الكهربائية

مكثف
مكثف (يعرف في الأصل باسم “المكثف”) هو مكون كهربائي ثنائي الطور يستخدم لتخزين الطاقة الكهروستاتيكية. تختلف المكثفات العملية على نطاق واسع ، ولكن تحتوي جميعها على اثنين من الموصلات الكهربائية على الأقل (لوحات) مفصولة بواسطة عازل كهربائي (أي عازل). يمكن للمكثف تخزين الطاقة الكهربائية عند فصله عن دائرة الشحن الخاصة به ، بحيث يمكن استخدامه مثل بطارية مؤقتة ، أو مثل الأنواع الأخرى من نظام تخزين الطاقة القابلة لإعادة الشحن. تُستخدم المكثفات بشكل شائع في الأجهزة الإلكترونية للحفاظ على إمدادات الطاقة أثناء تغيير البطاريات. (وهذا يمنع فقدان المعلومات في الذاكرة المتطايرة.) توفر المكثفات التقليدية أقل من 360 جول لكل كيلوغرام ، في حين أن البطارية القلوية التقليدية لها كثافة 590 كيلوجول / كجم.

المكثفات تخزن الطاقة في حقل كهربائي بين لوحاتها. بالنظر إلى فرق الجهد عبر الموصلات (على سبيل المثال ، عندما يتم توصيل مكثف عبر بطارية) ، يتطور حقل كهربائي عبر العازل الكهربائي ، مما يتسبب في شحنة موجبة (+ Q) على لوحة واحدة وشحنة سالبة (-Q) لجمعها اللوحة الأخرى. إذا كانت البطارية متصلة بمكثف لفترة كافية من الوقت ، فلا يمكن لأي تيار أن يتدفق عبر المكثف. ومع ذلك ، إذا تم تطبيق الجهد المتسارع أو المتناوب عبر مقدمات المكثف ، فيمكن أن يتدفق تيار إزاحة. بالإضافة إلى ألواح المكثف ، يمكن أيضًا تخزين الشحنة في طبقة عازلة.

السعة أكبر نظرا للفصل الأضيق بين الموصلات وعندما يكون لدى الموصلات مساحة أكبر. من الناحية العملية ، فإن العازل الكهربائي بين الصفائح ينبعث منه كمية صغيرة من تيار التسرب وله حد لشدة المجال الكهربائي ، والمعروف باسم جهد الانهيار. ومع ذلك ، فإن تأثير استعادة عازل كهربائي بعد انهيار الجهد العالي يبشر بالخير لجيل جديد من المكثفات ذاتية الالتئام. الموصلات ويؤدي تقديم الحث غير المرغوب فيه والمقاومة.

البحث هو تقييم التأثيرات الكمية للمكثفات النانومترية للبطاريات الرقمية الكمية.

مغناطيسات فائقة التوصيل
تقوم أنظمة تخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل (SMES) بتخزين الطاقة في مجال مغناطيسي ناتج عن تدفق التيار المباشر في ملف فائق التوصيل تم تبريده إلى درجة حرارة أقل من درجة الحرارة الحرجة فائقة التوصيل. يتضمن نظام SMES نموذجي ملفًا فائق التوصيل ، ونظام تكييف للطاقة وثلاجة. مرة واحدة يتم شحن لفائف فائقة التوصيل ، التيار لا تسوس ويمكن تخزين الطاقة المغناطيسية إلى أجل غير مسمى.

يمكن تحرير الطاقة المخزنة إلى الشبكة عن طريق تفريغ اللولب. حسابات العاكس / مقوم المرتبطة لحوالي 2-3 ٪ من فقدان الطاقة في كل اتجاه. تفقد SMES أقل كمية من الكهرباء في عملية تخزين الطاقة مقارنة بالطرق الأخرى لتخزين الطاقة. تقدم أنظمة SMES كفاءة ذهاب وعودة أكبر من 95٪.

بسبب متطلبات الطاقة في التبريد وتكلفة سلك التوصيل الفائق ، يتم استخدام SMES للتخزين على المدى القصير مثل تحسين جودة الطاقة. كما أن لديها تطبيقات في موازنة الشبكة.

تطبيقات

المطاحن
كان التطبيق الكلاسيكي قبل الثورة الصناعية هو السيطرة على الممرات المائية لدفع مضخات المياه لتجهيز الحبوب أو تشغيل الآلات. تم إنشاء أنظمة معقدة من الخزانات والسدود لتخزين وإطلاق المياه (والطاقة المحتملة التي تحتوي عليها) عند الاقتضاء.

تخزين الطاقة المنزلية
ومن المتوقع أن يصبح تخزين الطاقة المنزلية أمرًا شائعًا على نحو متزايد نظرًا للأهمية المتزايدة للتوليد الموزع للطاقة المتجددة (خاصة الخلايا الكهروضوئية) والنسبة المهمة من استهلاك الطاقة في المباني. لتجاوز الاكتفاء الذاتي بنسبة 40٪ في الأسرة المجهزة بالخلايا الكهروضوئية ، يلزم تخزين الطاقة. تنتج الشركات المصنعة المتعددة أنظمة بطارية قابلة لإعادة الشحن لتخزين الطاقة ، ولديها طاقة فائضة بشكل عام من توليد الطاقة الشمسية / الرياح المنزلية. اليوم ، بالنسبة لتخزين الطاقة المنزلية ، تكون بطاريات Li-ion أفضل من بطاريات الرصاص الحمضية نظراً لتكلفتها المتشابهة ولكن أداء أفضل بكثير.

تنتج Tesla Motors طرازين من Tesla Powerwall. أحدهما هو نسخة دورة أسبوعية تبلغ 10 كيلوات في الساعة لتطبيقات النسخ الاحتياطي والآخر إصدار 7 كيلووات في الساعة لتطبيقات الدورة اليومية. في عام 2016 ، بلغت تكلفة الإصدار المحدود من Telsa Powerpack 2 398 دولارًا أمريكيًا / كيلووات في الساعة لتخزين الكهرباء التي تبلغ 12.5 سنت / كيلووات في الساعة (متوسط ​​سعر الشبكة في الولايات المتحدة) مما يجعل عائد الاستثمار إيجابيًا ما لم تكن أسعار الكهرباء أعلى من 30 سنتًا / كيلووات في الساعة.

أعلنت Enphase Energy عن نظام متكامل يتيح للمستخدمين المنزليين تخزين الكهرباء ومراقبتها وإدارتها. يخزن النظام 1.2 كيلو واط ساعة من الطاقة و 275 واط / 500 واط من الطاقة.

إن تخزين طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية باستخدام تخزين الطاقة الحرارية على الرغم من كونها أقل مرونة ، أقل تكلفة بكثير من البطاريات. يمكن لسخان ماء كهربائي بسعة 52 غالون أن يخزن ما يقرب من 12 كيلو وات ساعة من الطاقة لتكميل الماء الساخن أو تسخين المساحات.

ولأغراض مالية بحتة في المناطق التي تتوفر فيها أجهزة القياس الشبكية ، يمكن بيع الكهرباء المولدة في المنزل إلى الشبكة من خلال عاكس الشبكة بدون استخدام البطاريات للتخزين.

شبكة الكهرباء ومحطات الطاقة

تخزين الطاقة المتجددة
يتم توفير أكبر مصدر وأكبر مخزن للطاقة المتجددة بواسطة السدود الكهرومائية. يمكن لخزان كبير خلف سد تخزين كميات كافية من المياه لمعدل التدفق السنوي للنهر بين الفصول الجافة والرطبة. يمكن لخزان كبير جداً أن يخزن كمية كافية من الماء لمعدل تدفق النهر بين السنوات الجافة والرطبة. في حين أن السد الكهرومائي لا يخزن الطاقة مباشرة من مصادر متقطعة ، فإنه يقوم بموازنة الشبكة عن طريق خفض إنتاجها والاحتفاظ بالمياه عند توليد الطاقة بواسطة الطاقة الشمسية أو الرياح. إذا تجاوزت طاقة الرياح أو توليد الطاقة الشمسية قدرة المنطقة على توليد الطاقة الكهرومائية ، فستكون هناك حاجة إلى بعض المصادر الإضافية للطاقة.

العديد من مصادر الطاقة المتجددة (خاصة الطاقة الشمسية وطاقة الرياح) تنتج طاقة متغيرة. يمكن لأنظمة التخزين تسوية الخلل بين العرض والطلب الذي يسببه ذلك. يجب استخدام الكهرباء أثناء توليدها أو تحويلها فورًا إلى أشكال قابلة للتخزين.

إن الطريقة الرئيسية لتخزين الشبكة الكهربائية هي الطاقة الكهرمائية للتخزين بالضخ. وقد استخدمت مناطق من العالم مثل النرويج وويلز واليابان والولايات المتحدة ميزات جغرافية مرتفعة للخزانات ، باستخدام مضخات تعمل بالطاقة الكهربائية لملئها. عند الحاجة ، تمر المياه من خلال المولدات وتحول طاقة الجاذبية الكامنة في الماء الساقط إلى كهرباء. تبلغ سعة التخزين المضخوخ في النرويج ، والتي تحصل على كل ما تحتاجه من الطاقة الكهرومائية ، 1.4 جيجاواط فقط ، ولكن بما أن إجمالي القدرة المركبة تبلغ 32 جيجاوات تقريبًا ، و 75٪ منها قابلة للتنظيم ، يمكن توسيعها بشكل كبير.

وتشمل بعض أشكال التخزين التي تنتج الكهرباء السدود الكهرومائية لتخزين الضخ ، والبطاريات القابلة لإعادة الشحن ، والتخزين الحراري بما في ذلك الأملاح المنصهرة التي يمكنها تخزين وإطلاق كميات كبيرة للغاية من الطاقة الحرارية ، وتخزين طاقة الهواء المضغوط ، والحذافات ، والأنظمة المبردة ، والملفات المغناطيسية فائقة التوصيل.

كما يمكن تحويل الطاقة الفائضة إلى ميثان (عملية سباتيه) مع تخزين في شبكة الغاز الطبيعي.

في عام 2011 ، أنشأت إدارة الطاقة في بونفيل في شمال غرب الولايات المتحدة برنامجًا تجريبيًا لاستيعاب الرياح الزائدة والطاقة الكهرومائية المتولدة ليلاً أو خلال فترات العاصفة المصحوبة برياح عاتية. تحت التحكم المركزي ، تمتص الأجهزة المنزلية فائض الطاقة عن طريق تسخين الطوب الخزفي في مدافئ فضائية خاصة إلى مئات الدرجات وعن طريق تعزيز درجة حرارة خزانات المياه الساخنة المعدلة. بعد الشحن ، توفر الأجهزة التدفئة المنزلية والماء الساخن حسب الحاجة. تم إنشاء النظام التجريبي نتيجة لعاصفة شديدة عام 2010 ، مما أدى إلى زيادة الطاقة المتجددة إلى الحد الذي أغلقت فيه جميع مصادر الطاقة التقليدية ، أو في حالة محطة الطاقة النووية ، إلى أدنى مستوى تشغيل ممكن ، تاركًا حجمًا كبيرًا المنطقة تعمل بشكل كامل تقريبا على الطاقة المتجددة.

تستخدم طريقة أخرى متقدمة في مشروع Solar Two السابق في الولايات المتحدة وبرج الطاقة الشمسية Tres Power في إسبانيا الملح المصهور لتخزين الطاقة الحرارية التي يتم التقاطها من الشمس ثم تحويلها وإرسالها كطاقة كهربائية. يضخ النظام الملح المصهور من خلال برج أو قنوات خاصة أخرى يتم تسخينها بواسطة الشمس. الدبابات المعزولة تخزن الحل. يتم إنتاج الكهرباء بتحويل المياه إلى بخار يتم تغذيته للتوربينات.

منذ بداية القرن الحادي والعشرين ، تم تطبيق البطاريات على قدرات التسوية والتحميل على نطاق المرافق.

في التخزين من مركبة إلى أخرى ، يمكن للمركبات الكهربائية التي يتم توصيلها بشبكة الطاقة توصيل الطاقة الكهربائية المخزنة من بطارياتها إلى الشبكة عند الحاجة.

تكييف
يمكن استخدام تخزين الطاقة الحرارية (TES) لتكييف الهواء. يستخدم على نطاق واسع لتبريد المباني الكبيرة و / أو مجموعات المباني الصغيرة. أنظمة تكييف الهواء التجارية هي أكبر المساهمين في رفع الأحمال الكهربائية. في عام 2009 ، تم استخدام التخزين الحراري في أكثر من 3300 مبنى في أكثر من 35 دولة. إنه يعمل عن طريق صنع الثلج ليلاً واستخدام الثلج للتبريد أثناء فترات النهار الأكثر حرارة.

الأسلوب الأكثر شعبية هو تخزين الثلج ، والذي يتطلب مساحة أقل من الماء وأقل تكلفة من خلايا الوقود أو الحذافات. في هذا التطبيق ، يعمل المبرد القياسي ليلاً لإنتاج كومة الثلج. ثم تنتشر المياه عبر الكومة خلال النهار لتبريد الماء الذي يكون عادة ناتجًا للنبيذ في النهار.

يعمل نظام التخزين الجزئي على تقليل استثمار رأس المال عن طريق تشغيل المبردات حوالي 24 ساعة في اليوم. في الليل ، ينتجون الثلج للتخزين وخلال اليوم يبردون الماء. المياه المتداولة من خلال ذوبان الجليد تزيد من إنتاج الماء المبرد. مثل هذا النظام يجعل الثلج لمدة 16 إلى 18 ساعة في اليوم ويذوب الجليد لمدة ست ساعات في اليوم. يتم تخفيض النفقات الرأسمالية لأن المبردات يمكن أن تكون فقط 40 – 50 ٪ من الحجم اللازم لتصميم تقليدي ، بلا تخزين. التخزين الكافي لتخزين نصف يوم متاح من الحرارة عادة ما يكون كافيا.

يعمل نظام التخزين الكامل على إيقاف تشغيل المبردات أثناء ساعات ذروة التحميل. تكاليف رأس المال أعلى ، حيث أن هذا النظام يتطلب مبردات أكبر ونظام تخزين أكبر للجليد.

يتم إنتاج هذا الثلج عندما تكون معدلات الفائدة الكهربائية أقل. أنظمة التبريد خارج الذروة يمكن أن تخفض تكاليف الطاقة. قام مجلس المباني الخضراء في الولايات المتحدة بتطوير برنامج الريادة في الطاقة والتصميم البيئي (LEED) لتشجيع تصميم المباني ذات التأثير البيئي المنخفض. قد يساعد التبريد خارج الذروة على منح شهادة LEED.

التخزين الحراري للتدفئة أقل شيوعًا من التبريد. مثال على التخزين الحراري هو تخزين الحرارة الشمسية لاستخدامها للتدفئة ليلاً.

يمكن أيضًا تخزين الحرارة الكامنة في مواد تغيير الطور التقنية (PCMs). ويمكن تغليفها في ألواح الجدران والسقف ، إلى درجات حرارة الغرفة المعتدلة.

المواصلات
الوقود الهيدروكربوني السائل هو أكثر أشكال تخزين الطاقة شيوعًا للاستخدام في النقل ، يليه الاستخدام المتزايد لمركبات البطارية الكهربائية والمركبات الكهربائية الهجينة. يمكن استخدام ناقلات الطاقة الأخرى مثل الهيدروجين لتجنب إنتاج غازات الدفيئة.

تتطلب أنظمة النقل العام مثل الترام وحافلات الترولي الكهرباء ، ولكن بسبب تباينها في الحركة ، فإن الإمداد الثابت للكهرباء عبر الطاقة المتجددة يشكل تحديًا. يمكن استخدام الأنظمة الكهروضوئية المركبة على أسطح المباني لتشغيل أنظمة النقل العام خلال الفترات التي يزداد فيها الطلب على الكهرباء ، كما أن الوصول إلى أشكال أخرى من الطاقة غير متوفر بسهولة.

إلكترونيات
المكثفات تستخدم على نطاق واسع في الدوائر الإلكترونية لعرقلة التيار المباشر مع السماح بالتناوب بالمرور. في شبكات التصفية التناظرية ، فإنها تسهل إخراج إمداد الطاقة. في الدوائر الرنانة يضبطون أجهزة الراديو إلى ترددات معينة. في أنظمة نقل الطاقة الكهربائية ، فإنها تعمل على استقرار الجهد وتدفق الطاقة.