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能量存储

能量存储(Energy storage)是一次产生的能量捕获,以便以后使用。 存储能量的设备通常称为蓄电池或电池。 能量有多种形式,包括辐射,化学,重力势,电势,电力,高温,潜热和动能。 能量存储涉及将能量从难以存储的形式转换为更方便或经济可存储的形式。

一些技术提供短期能量储存,而其他技术可以持续更长时间。 散装能量储存目前由水电大坝主导,既有传统的也有抽水的。

能量存储的常见例子是可充电电池,其存储易于转换为电力的化学能量以操作移动电话,水力发电大坝(其将能量存储在储层中作为重力势能),以及冰储存罐,其储存冰以更便宜的方式冷冻晚上的能量,以满足白天的高峰需求。 诸如煤和汽油之类的化石燃料储存来自太阳光的古老能量,这些能量来自于后来死亡,被埋葬并随着时间的推移被转化为这些燃料的生物。 食物(通过与化石燃料相同的过程制成)是以化学形式储存的一种能量形式。

方法

大纲
以下列表包括各种类型的储能:

化石燃料储存
机械
压缩空气储能(CAES)
无火机车
飞轮储能
重力势能
液压蓄能器
抽水蓄能水电(抽水蓄能,小水电或抽水蓄能水电,PSH)

电气,电磁
电容器
超级电容器
超导磁能储存(SMES,也是超导储能线圈)

生物能
糖原
淀粉

电化学(电池储能系统,BESS)
流动电池
可充电电池
UltraBattery

热能
砖存储加热器
低温储能,液体空气储能(LAES)
液氮发动机
共晶系统
冰蓄冷空调
熔盐储存
相变材料
季节性热能储存
太阳能池塘
蒸汽蓄能器
热能储存(一般)

化学能
生物燃料
水合盐
氢储存
过氧化氢
燃气的动力
五氧化二钒

机械存储
能量可以存储在使用抽水蓄能方法泵送到更高海拔的水中,或者通过将固体物质移动到更高的位置(重力电池)。 其他商业机械方法包括压缩空气和飞轮,其将电能转换成动能,然后在电力需求达到峰值时再次返回。

水电
可以操作具有水库的水电大坝以在需求高峰时提供电力。 在需求低的时期,水储存在水库中,当需求高时,水被释放。 净效应类似于抽水蓄能,但没有泵送损失。

虽然水力发电大坝不能直接储存来自其他发电机组的能量,但它的作用相当于通过降低其他来源的过剩电力时期的输出。 在这种模式下,水坝是最有效的能量储存形式之一,因为只有它的发电时间才会发生变化。 水电涡轮机的启动时间约为几分钟。

抽水蓄能
在全球范围内,抽水蓄能水电(PSH)是现有最大容量的有源电网储能形式,截至2012年3月,电力研究院(EPRI)报告说,PSH占大容量存储容量的99%以上全球,约127,000兆瓦。 PSH能效在实践中在70%到80%之间变化,声称高达87%。

在电力需求低的时候,使用过量的发电容量将水从较低的水源泵送到较高的水库。 当需求增加时,水通过涡轮机释放回较低的水库(或水路或水体),从而发电。 可逆式涡轮发电机组件既用作泵又用作涡轮机(通常是混流式水轮机设计)。 几乎所有设施都使用两个水体之间的高度差。 纯抽水蓄能电站将水转移到水库之间,而“抽水”方式则是抽水蓄能和使用自然溪流的传统水电站的组合。

压缩的空气
压缩空气能量存储(CAES)使用剩余能量来压缩空气以用于随后的发电。 小型系统长期以来一直用于矿用机车的推进等应用。 压缩空气储存在地下水库中,作为盐丘。

压缩空气储能(CAES)工厂可以弥合生产波动和负荷之间的差距。 CAES存储通过有效地提供容易获得的能量来满足需求,从而满足消费者的能源需求。 风能和太阳能等可再生能源具有可变资源。 因此,在资源可用性减少期间,必须补充其他形式的能源以满足能源需求。 压缩空气能量存储设备能够在能量过量生产期间吸收可再生能源的剩余能量输出。 该储存的能量可以在以后当电力需求增加或能源可用性降低时使用。

压缩空气会产生热量; 压缩后空气温暖。 膨胀需要加热。 如果不添加额外的热量,膨胀后空气会更冷。 如果在压缩期间产生的热量可以在膨胀期间存储和使用,则效率显着提高。 CAES系统可以通过三种方式处理热量。 空气存储可以是绝热的,非绝热的或等温的。 另一种方法使用压缩空气为车辆提供动力

飞轮储能
飞轮储能(FES)通过将转子(飞轮)加速到非常高的速度来工作,将能量保持为旋转能量。 当提取能量时,飞轮的转速由于能量守恒而下降; 相应地增加能量会导致飞轮速度的增加。

大多数FES系统使用电来加速和减速飞轮,但是正在考虑直接使用机械能的设备。

FES系统的转子由高强度碳纤维复合材料制成,由磁力轴承悬挂,并在真空外壳中以20,000转至50,000转以上的速度旋转。 这种飞轮可以在几分钟内达到最大速度(“充电”)。 飞轮系统连接到组合电动机/发电机。

FES系统具有相对较长的使用寿命(持续数十年,几乎没有维护;飞轮的全周期寿命从超过105,高达107,使用周期),高比能(100-130 W•h / kg) ,或360-500 kJ / kg)和功率密度。

具有固体质量的重力势能储存
改变固体质量的高度可以通过由电动机/发电机驱动的升降系统来存储或释放能量。 2013年,加州独立系统运营商正在积极开发潜在的储能或重力储能。 它检查了由电力机车驱动的填土的料斗轨道车从低海拔到高海拔的运动。

方法包括使用轨道和起重机上下移动混凝土配重,使用支撑绞车的高空太阳能浮力平台升高和降低固体质量,使用海洋驳船支撑的绞车利用4公里(13,000英尺)的优势表面和海床之间的高度差。 效率可高达85%的储存能量回收率。

蓄热
热能储存(TES)是临时储存或移除热量。

显热热能储存
显热储存利用材料中的显热来储存能量。

季节性热能储存(STES)允许在从废能或天然来源收集热量或冷量数月后使用。 该材料可以储存在含有的含水层,地质基质中的钻孔簇,如沙子或结晶基岩,填充有砾石和水的衬里坑中,或者充满水的地雷中。 季节性热能储存(STES)项目通常可在4至6年的范围内获得回报。 一个例子是加拿大的Drake Landing太阳能社区,其中97%的全年热量由车库屋顶上的太阳能集热器提供,其中钻孔热能存储(BTES)是支持技术。 在丹麦的Braestrup,社区的太阳能区域供暖系统也使用STES,储存温度为65°C(149°F)。 只有在国家电网有可用的风能时才运行的热泵用于将温度升高到80°C(176°F)进行分配。 当没有剩余的风力发电时,使用燃气锅炉。 百分之二十的Braestrup的热量是太阳能。

潜热储能(LHTES)
潜热热能储存系统与具有高潜热(熔化热)能力的材料一起工作,称为相变材料(PCM)。 这些材料的主要优点是它们的潜热储存能力远远超过显热。 在特定的温度范围内,从固体到液体的相变会吸收大量的热能供以后使用。

潜热热能储存包括一种过程,通过该过程,在相变材料(PCM)的相变期间,以热的形式的能量被吸收或释放。 PCM是具有高熔化热的材料。 相变是材料的熔化或凝固。 在相变期间,PCM由于其高熔化热而具有吸收大量能量的能力。

电化学

可充电电池
可充电电池包括一个或多个电化学电池。 它被称为“二次电池”,因为它的电化学反应是电可逆的。 可充电电池有许多不同的形状和尺寸,从纽扣电池到兆瓦电网系统。

与不可充电(一次性)电池相比,可充电电池具有更低的总使用成本和环境影响。 某些可充电电池类型的外形尺寸与一次性产品相同。 可充电电池具有较高的初始成本,但可以非常便宜地再充电并且多次使用。

常见的可充电电池化学品包括:

铅酸电池:铅酸电池占据最大的电存储产品市场份额。 单个电池在充电时产生约2V的电压。 在充电状态下,将金属铅负电极和硫酸铅正电极浸入稀硫酸(H 2 SO 4)电解质中。 在放电过程中,当在负电极处形成硫酸铅同时将电解质还原成水时,电子被推出电池。
铅酸蓄电池技术得到了广泛的发展。 保养需要最少的劳动力并且其成本低。 电池的可用能量容易快速放电,从而导致低寿命和低能量密度。
镍镉电池(NiCd):使用氢氧化镍和金属镉作为电极。 镉是一种有毒元素,2004年被欧盟禁止使用。镍镉电池几乎完全被镍氢(NiMH)电池取代。
镍氢电池(NiMH):1989年首次推出商用型电池。现在这些电池是普通的消费类和工业类。 电池具有用于负电极的吸氢合金而不是镉。
锂离子电池:许多消费电子产品的选择,具有最佳的能量质量比和不使用时非常慢的自放电。
锂离子聚合物电池:这些电池重量轻,可以制成任何所需的形状。

流动电池
液流电池通过使溶液通过膜来进行操作,其中交换离子以对电池充电/放电。 电池电压通过能斯特方程化学确定,并且在实际应用中范围为1.0至2.2V。其存储容量是容纳溶液的容器体积的函数。

液流电池在技术上类似于燃料电池和电化学蓄电池。 商业应用是用于长半周期存储,例如备用电网电源。

超级电容器
超级电容器,也称为电双层电容器(EDLC)或超级电容器,是一系列没有传统固体电介质的电化学电容器的通用术语。 电容由两种存储原理决定,即双层电容和伪电容。

超级电容器弥补了传统电容器和可充电电池之间的差距。 它们在电容器中存储每单位体积或质量(能量密度)的最大能量。 它们支持高达10,000法拉/ 1.2伏,高达电解电容的10,000倍,但每单位时间(功率密度)提供或接受的功率不到一半。

虽然超级电容器的比能量和能量密度约为电池的10%,但它们的功率密度通常要高10到100倍。 这导致更短的充电/放电循环。 此外,它们比电池容许更多的充电和放电循环。

超级电容器支持广泛的应用,包括:

静态随机存取存储器(SRAM)中存储器备份的低电源电流
用于汽车,公共汽车,火车,起重机和电梯的动力,包括制动,短期储能和爆发式电力输送的能量回收

其他化学品

燃气的动力
对天然气的供电是一种将电能转换为气态燃料(如氢气或甲烷)的技术。 这三种商业方法使用电力通过电解将水减少为氢和氧。

在第一种方法中,将氢气注入天然气网格或用于运输或工业。 第二种方法是使用甲烷化反应(例如Sabatier反应或生物甲烷化)将氢气与二氧化碳结合以产生甲烷,导致额外的能量转化损失为8%。 然后可以将甲烷进料到天然气网格中。 在沼气升级器与来自电解槽的氢气混合后,第三种方法使用木材气体发生器或沼气厂的输出气体,以提高沼气的质量。


元素氢可以是储存能量的一种形式。 氢可以通过氢燃料电池发电。

在渗透率低于电网需求的20%时,可再生能源不会严重改变经济状况; 但是超过总需求的20%,外部存储变得很重要。 如果这些来源用于制造离子氢,它们可以自由膨胀。 2007年,在Ramea,Newfoundland和Labrador的偏远社区开始了一项使用风力涡轮机和氢气发生器的为期5年的社区试点计划。 2004年,一个类似的项目开始于挪威的一个小岛屿Utsira。

氢储存循环中涉及的能量损失来自水的电解,液化或氢的压缩以及转化为电。

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生产一公斤氢气需要大约50 kW•h(180 MJ)的太阳能,因此电力成本至关重要。 美国常见的非高峰高压线路费用为0.03美元/千瓦时,氢气每公斤电费1.50美元,相当于汽油1.5美元/加仑。 其他成本包括电解槽设备,氢气压缩机或液化,储存和运输。

氢气也可以通过剥离铝的天然氧化铝屏障并将其引入水中而由铝和水生产。 该方法是有益的,因为再循环的铝罐可以用作燃料以产生氢气,但是利用该选择的系统尚未在商业上开发并且比电解系统复杂得多。 剥离氧化物层的常用方法包括苛性催化剂,例如氢氧化钠和与镓,汞和其他金属的合金。

地下储氢是地下洞穴,盐丘和枯竭的油气田中储氢的实践。 帝国化学工业公司已经在地下洞穴中储存了大量的气态氢,没有任何困难。 欧洲Hyunder项目在2013年表明,使用地下氢气储存风能和太阳能将需要85个洞穴。

甲烷
甲烷是最简单的烃,分子式为CH4。 甲烷比氢气更容易储存和运输。 储存和燃烧基础设施(管道,煤气表,发电厂)已经成熟。

合成天然气(合成气或SNG)可以在多步骤过程中产生,从氢气和氧气开始。 然后氢气在Sabatier过程中与二氧化碳反应,产生甲烷和水。 甲烷可以储存,然后用于发电。 产生的水被回收,减少了对水的需求。 在电解阶段,储存氧气以在相邻发电厂的纯氧环境中进行甲烷燃烧,从而消除氮氧化物。

甲烷燃烧产生二氧化碳(CO2)和水。 二氧化碳可以循环使用以促进Sabatier工艺,并且可以将水再循环用于进一步电解。 甲烷的生产,储存和燃烧可以回收反应产物。

二氧化碳作为能量储存载体的组成部分具有经济价值,而不是碳捕获和储存的成本。

液体动力
液体的能量类似于对气体的供电,但是来自风能和太阳能电力的电解产生的氢气不会转化为甲烷等气体,而是转化为甲醇等液体。 甲醇比气体更容易处理,并且比氢气需要更少的安全预防措施。 它可用于运输,包括飞机,也可用于工业或电力部门。

生物燃料
生物柴油,植物油,酒精燃料或生物质等各种生物燃料可以替代化石燃料。 各种化学过程可以将煤,天然气,植物和动物生物质和有机废物中的碳和氢转化为适合作为现有烃燃料替代物的短烃。 实例是费 – 托柴油,甲醇,二甲醚和合成气。 这种柴油来源在德国的第二次世界大战中得到广泛使用,后者在获得原油供应方面受到限制。 出于类似的原因,南非用煤炭生产该国大部分柴油。 长期油价高于35美元/桶可能使这种大规模合成液体燃料经济。


许多研究人员已经提出将铝作为储能方法。 铝(8.04Ah / cm3)的体积电化学当量比锂(2.06Ah / cm3)大近四倍。 通过使其与水反应产生氢气,可以从铝中提取能量。 然而,为了与水反应,必须除去铝的天然氧化物层,该过程需要粉碎,与腐蚀性物质或合金的化学反应。 产生氢的反应的副产物是氧化铝,其可以通过Hall-Héroult工艺再循环回到铝中,使得反应在理论上是可再生的。 如果Hall-Heroult工艺使用太阳能或风能运行,则铝可用于存储比直接太阳能电解更高效率产生的能量。

硼,硅和锌
已经提出硼,硅和锌作为储能解决方案。

其他化学品
有机化合物降冰片二烯在暴露于光线时转化为四环素,将太阳能储存为化学键的能量。 瑞典已经开发出一种工作系统作为分子太阳能热系统。

电气方法

电容器
电容器(最初称为“电容器”)是用于静电储存能量的无源双端电气元件。 实用电容器变化很大,但都包含至少两个由电介质(即绝缘体)隔开的电导体(板)。 电容器在与充电电路断开时可以存储电能,因此可以像临时电池一样使用,或者像其他类型的可充电能量存储系统一样使用。 电容器通常用于电子设备中以在电池改变时维持电源供应。 (这可以防止易失性存储器中的信息丢失。)传统的电容器每千克提供少于360焦耳,而传统的碱性电池密度为590千焦/千克。

电容器将能量存储在它们的板之间的静电场中。 给定导体之间的电位差(例如,当电容器连接在电池上时),电介质上产生电场,导致正电荷(+ Q)聚集在一个电路板上,负电荷(-Q)聚集在一个电路板上另一个盘子。 如果电池连接到电容器足够长的时间,则没有电流可以流过电容器。 然而,如果在电容器的引线上施加加速或交流电压,则位移电流可以流动。 除电容器板外,电荷也可以存储在介电层中。

由于导体之间的间隔较窄以及导体具有较大的表面积,因此电容更大。 实际上,板之间的电介质发射少量漏电流并具有电场强度极限,称为击穿电压。 然而,在高压击穿后恢复电介质的效果为新一代自愈电容器带来了希望。 导体和引线引入了不希望的电感和电阻。

研究正在评估纳米级电容器对数字量子电池的量子效应。

超导磁性
超导磁能存储(SMES)系统将能量存储在由超导线圈中的直流电流产生的磁场中,该超导线圈已经被冷却到低于其超导临界温度的温度。 典型的SMES系统包括超导线圈,功率调节系统和冰箱。 一旦超导线圈充电,电流就不会衰减,并且磁能可以无限期地存储。

通过使线圈放电,可以将存储的能量释放到网络。 相关的逆变器/整流器在每个方向上占约2-3%的能量损失。 与其他储存能量的方法相比,SMES在能量储存过程中损失的电量最少。 SMES系统的往返效率高于95%。

由于制冷的能量需求和超导线的成本,SMES用于短时间存储,例如改善电能质量。 它还具有网格平衡的应用。

应用

米尔斯
工业革命之前的经典应用是控制水道以驱动水磨机加工谷物或为机械提供动力。 建造了水库和水坝的复杂系统,以在需要时储存和释放水(及其所含的潜在能量)。

家庭储能
鉴于分布式发电可再生能源(尤其是光伏发电)的重要性日益增加以及建筑物能耗的重要份额,预计家庭储能将变得越来越普遍。 为了在配备光伏发电的家庭中超过40%的自给自足,需要储能。 多个制造商生产用于存储能量的可充电电池系统,通常用于保持家庭太阳能/风力发电的剩余能量。 今天,对于家庭储能,锂离子电池优于铅酸电池,因为它们具有相似的成本但性能要好得多。

特斯拉汽车公司生产两种型号的特斯拉Powerwall。 一个是用于备份应用的10千瓦时每周周期版本,另一个是用于日常周期应用的7千瓦时版本。 2016年,Telsa Powerpack 2的限量版售价为398美元/千瓦时,用于存储价值12.5美分/千瓦时(美国平均电网价格)的电力,除非电价高于30美分/千瓦时,否则投资回报率可疑。

Enphase Energy宣布推出一个集成系统,允许家庭用户存储,监控和管理电力。 该系统可存储1.2 kWh小时的能量和275W / 500W的功率输出。

使用热能储存来存储风能或太阳能虽然灵活性较差,但比电池便宜得多。 一个简单的52加仑电热水器可以储存大约12千瓦时的能量,用于补充热水或空间供暖。

对于可用于净计量的区域中的纯金融目的,可以通过并网逆变器将家庭产生的电力出售给电网,而不使用电池进行存储。

电网和发电站

可再生能源存储
水电大坝提供最大的可再生能源和最大的可再生能源。 大坝后面的大型水库可以存储足够的水,以平均干燥和潮湿季节之间的河流年平均流量。 一个非常大的水库可以储存足够的水,以平衡干旱和潮湿年份之间的河流。 虽然水力发电大坝不直接储存来自间歇性能源的能量,但它确实通过降低其输出并在太阳能或风力发电时保持水来平衡电网。 如果风力或太阳能发电超过该地区的水力发电能力,那么将需要一些额外的能源。

许多可再生能源(特别是太阳能和风能)产生可变功率。 存储系统可以平衡这导致的供需不平衡。 必须使用电力,因为它产生或立即转换成可存储的形式。

电网存储的主要方法是抽水蓄能水电。 世界上的地区,如挪威,威尔士,日本和美国,使用高架地理特征进行水库,使用电动泵填充它们。 当需要时,水通过发电机并将下落的水的重力转化为电能。 挪威的抽水蓄能电站几乎所有电力都来自水电,目前容量为1.4吉瓦,但由于总装机容量接近32吉瓦,其中75%是可调节的,因此可以大幅扩展。

产生电力的某些形式的存储包括抽水蓄能水电大坝,可充电电池,包括能够有效存储和释放大量热能的熔盐的热存储器,以及压缩空气能量存储器,飞轮,低温系统和超导磁线圈。

剩余电力也可以转化为甲烷(sabatier过程)与天然气网络中的库存。

2011年,美国西北部的邦纳维尔电力管理局制定了一项试验计划,以吸收夜间或伴随大风的暴风雨期间产生的多余风能和水力发电。 在中央控制下,家用电器通过将特殊空间加热器中的陶瓷砖加热到几百度并通过提高改进的热水器水箱的温度来吸收多余的能量。 充电后,电器根据需要提供家庭供暖和热水。 该实验系统是由于2010年严重风暴造成的,该风暴使得可再生能源过剩到所有常规电源关闭的程度,或者在核电站的情况下,降低到其最低可能的运行水平,留下了大量该地区几乎完全依靠可再生能源运行

在美国的前Solar Two项目和西班牙的Solar Tres Power Tower中使用的另一种先进方法是使用熔盐来储存从太阳捕获的热能,然后将其转换并将其作为电力输送。 该系统将熔盐通过塔或其他特殊管道泵送,以便被太阳加热。 绝缘罐存储解决方案。 通过将水转化为供给涡轮机的蒸汽来产生电力。

自21世纪初以来,电池已应用于公用事业规模的负载均衡和频率调节功能。

在车辆到电网存储中,插入能量电网的电动车辆可在需要时将存储的电能从其电池输送到电网中。

空调
热能储存(TES)可用于空调。 它最广泛地用于冷却单个大型建筑物和/或较小型建筑物群。 商用空调系统是峰值电气负载的最大贡献者。 2009年,超过35个国家的3,300多座建筑使用了蓄热。 它的工作原理是在夜间制冰,并在较炎热的白天使用冰冷却。

最流行的技术是冰蓄冷,它比水需要更少的空间,并且比燃料电池或飞轮更便宜。 在这个应用中,标准冷水机组在夜间运行以产生冰堆。 然后水在白天循环通过堆积来冷却水,这通常是冷却器的白天输出。

部分存储系统通过每天近24小时运行冷却器来最小化资本投资。 晚上,他们生产冰块进行储存,白天则将水冷却。 循环通过融化的冰的水增加了冷冻水的产生。 这样的系统每天制冰16到18个小时,每天融冰6小时。 资本支出减少,因为冷却器可能只是传统的无存储设计所需尺寸的40-50%。 储存足以储存半天的可用热量通常是足够的。

完整的存储系统在高峰负荷时间内关闭冷水机组。 资本成本较高,因为这样的系统需要更大的冷却器和更大的冰蓄冷系统。

当电力使用率较低时产生这种冰。 非高峰冷却系统可以降低能源成本。 美国绿色建筑委员会已经制定了能源与环境设计领导力(LEED)计划,以鼓励设计减少环境影响的建筑物。 非高峰冷却可能有助于获得LEED认证。

用于加热的热存储不如冷却。 热存储的一个例子是存储太阳能以用于夜间加热。

潜热也可以存储在技术相变材料(PCM)中。 这些可以封装在墙壁和天花板中,以适应室温。

运输
液态烃燃料是用于运输的最常用的储能形式,其次是电池电动车和混合动力电动车的使用。 其他能量载体如氢可用于避免产生温室气体。

有轨电车和无轨电车等公共交通系统需要电力,但由于其运动的可变性,通过可再生能源稳定供电是一项挑战。 安装在建筑物屋顶上的光伏系统可用于在电力需求增加期间为公共交通系统供电,并且不容易获得其他形式的能源。

电子产品
电容器广泛用于电子电路中,用于阻止直流电流,同时允许交流电流通过。在模拟滤波器网络中,它们可以平滑电源输出。在谐振电路中,它们将无线电调谐到特定频率。在电力传输系统中,它们稳定电压和功率流。

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