100%可再生能源:储存大规模的可再生能源是否有可能?

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更新于: 2020年12月14日13:26:52 格林尼治标准时

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可再生能源可能很受欢迎

现在,你可能已经厌倦读到“太阳不总是闪耀,风也不总是吹拂”。 我们也如此。但不幸的是,这个问题真实存在。

存储能量是一项艰巨的任务,非常困难,以至于电网被设计成,一生产出来就被消耗掉。可以这样想:每当开灯时,某处发电厂的输出会稍微增加

能源储存――为什么储存和如何储存?

想要获得粗略的想法,我们可以将能源储存分类为三个时间尺度

  1. 第一级:秒-分:当云暂时笼罩太阳能电厂,或当电力需求意外达到高峰时,都会有所帮助。在论文中,使用术语(如“负载平衡”)用来描述该点。
  2. 第二级:小时-天: 这种能量存储形式使得在阳光明媚或是有风天气时生成电力。无论何时,只要想使用便可以使用,例如在夜间使用。这种级别的能源储存通常被称为“批量储存”。
  3. 第三级:周-月: 这个级别的能量存储是跟着季节载运作,所以能在夏季最大限度地产生电力,冬天便可以存储。这一点很重要,因为在冬季,太阳照射并不多(除非位于赤道附近)。

每个类型的存储系统应该具有的属性有一个明确的模式

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存储需要

一级存储(简单)

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加利福尼亚2020年5月7日电力需求量

圆圈显示了一级存储必须处理的(通常是意料之外的)起伏类型。各种类型的电池已经可以实现一级存储

现今的电池是出色的短跑运动员,但我们需要马拉松运动员用于二级和三级存储。我们特别要求:

  1. 高度可扩展性(材料和空间的可用度)
  2. 规模成本低
  3. 维持电量够长的能力

二级存储(困难)

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为什么我们需要跨小时的存储

太阳能电池板在白天发电量最多,但家用需求在晚上达到高峰。 二级储存将有助于储存午间(出太阳时)产生的电力供晚上使用。

有了一些来自核能的基载零碳电力,就无需太多存储,因为曲线的最低点会向上微移.

此外,在用电高峰期使用可控电源,如水电和天然气(一种化石燃料);可能得到90%的清洁电力以及10%的天然气,但储存量相对较小

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为什么基线负载和可调度电力有所帮助

三级存储(更困难)

季节性储存的适当数量取决于在地球上的位置。一般来说,离赤道越远,夏季月份和冬季月份的日照差异就越大,这会影响能收获多少太阳能。

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季节性存储需求取决于所在位置

解决二级和三级?

请看电池和氢气的替代品。(请牢记,充电即为吸入能量,放电即为能量放出。)

  1. 抽水蓄能: 通过把水抽到山上来充电,将水存储在水库中。通过水的向下流动来转动涡轮机放电。
  2. 液流电池: 与普通电池相同,但阴极和阳极是液态的
  3. 热能存储: 大冰箱。通过用电加热一种物质和冷却另一种物质来充电;使用温差旋转涡轮机来放电
  4. 液态空气:冷却和压缩空气,直至其变成液体,通过该方法进行充电。把压缩空气储存在容器中。让压缩空气转回气体,然后旋转涡轮机来放电。
  5. 压缩空气:通过压缩空气来充电。将压缩空气存储在地下、进行解压并使其旋转涡轮机来放电
  6. 飞轮:通过极快速转动大转子充电。把旋转能量转换为热或电来放电

在结论前,我们会简短地讨论每一个方案的运作情况。

1:抽水储能

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抽水储能

如今97%的电力储存是通过抽水储能的。在非常合适的地点,抽水储能相对便宜,能够促进长期储存

抽水储能不同于水力发电,水力发电需要河流注入水库才能运作——而这里只是储存能源,不需要河流。

但像水力发电一样,抽水储能也有自身的问题。许多国家山脉不足以建造抽水储能(记住,抽水储能需要把水抽到山上)。在可以建造的地方,大片土地需被水淹没,而有证据表明这会排放大量甲烷(CH₄ )

不过,环境可以接受的地方仍应使用抽水储能。最终,必须对这些不利因素与替代方案(即燃烧煤和天然气)展开权衡。

2:液流电池——液体电池舱

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液流电池

液流电池使用液体阳极和阴极,虽然这种电池是用与锂离子电池(普通电池)不同的材料制造的,原则却是类似的

  1. 通过把电子从阴极推到阳极来充电。
  2. 让电子通过电路回流,从而放电。

液流电池与一般电池相比所具备的优点:

  • 存储容量(舱体大小)和功率(电极表面积)相互独立。 需要更多存储?把舱体变大。需要更多功率?增加阳极和阴极的相接面积。
  • 生命周期可能更长

3:热能存储

我们能以几乎100%的效率用电来为物品加热,这种热可以存储几个小时 然后用涡轮机转换回到电能

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用熔融盐和冷却液储热的热泵

一个也许更有效的热量存储方法是你冰箱的运作方式。冰箱使用电力来冷却一件物品,同时加热另一件。 在冰箱和所提议的存储技术中,这样的设备被称为热泵

冷储藏在液体中,而热储藏在熔盐中。你也许还记得核能章节中的“熔盐”!

与热泵’相反’对是热机。热机可以将温差转化成电力。这个“温差”仅仅是熔盐的温度减去冷却液的温度。

4:压缩空气— 低廉而且环境友善?

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压缩空气储能

这种形式的能源储存中,空气以高压储存在地下,随后可以释放出来转动涡轮机

此方法需要不漏水的大型地下水库。。不是地面上每个洞都能这样做。理论上,有许多合适的区域,但不清楚这项技术能否达到2级或3级需要

尽管自1940年以来人类便持续钻研于此,到目前为止也只建造了两座厂

5:液体空气

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液态空气存储

想要液化空气,需要对其进行压缩和冷却。液态空气保存在储罐中。为从系统中重获能量,一些液态空气会被蒸发。

气态空气比液态空气填充更多的空间。当液体蒸发时,可以利用不断膨胀的空气流动来旋转涡轮机,由此产生电力

6: 飞轮 - 旋转, 旋转, 旋转

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飞轮能量储存

我们可以通过在真空中高速转动转子(称为“飞轮”)来存储能源

转子转速增加或降低以存储或传递电能。转子的速度可以在几乎不延迟的情况下进行调整,这使其对一级存储十分有用。然而,飞轮的成本远远高于其他存储技术

这完全是关于成本

来看看像美国这样的发达国家的数字。美国一年使用3.95皮瓦时 的电力,即每人每年12兆瓦时,再除以365天,每人每天为32千瓦时,美国电费为每千瓦时0.18美元

我们会使用的方程式是:

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电力成本与存储的关系式

储存能源损失的总成本系数。 能源从一种形式转为另一种形式通常涉及能源流失于环境的问题,因此我们需要生产(和支付)更多的电力来启动。

价格因地区和供应商而异。我们以前使用的$150/kWh成本是原始生产成本。公司利润、现场安装、组装、运送和研发费用在内,生产150美元电池的同一家公司(Tesla),最近以$511/kWh的价格向风电场经营商出售了一个巨大的电池包

平均预期价格会比较低一点,为$350/kWh。通过该种方式我们可以获得

Image of 电池平准化成本(每年)

电池平准化成本(每年)

让我们为所有讨论过的技术都这样做 (我们将比较两种锂离子电池类型:NCA和LTO。同样,也将研究两种液流电池类型。)

Image of 评估所有能源储存技术

评估所有能源储存技术

所以,这其中有够便宜的吗?

专家认为,对于可扩展并与地点无关、留存率很高的存储来说,$20/kWh的成本很低,足以使其能够被广泛部署

这就是为什么需要创新和政府支持。预计到2030年,液流电池成本会减少66%,同时获得更长对寿命和更高的能量保持率

我们正在努力解决一个尚未解决的问题。如今只挑选一种技术是不明智的,这也解释了为什么研究资金会同时提供给许多公司

不管怎样,我们很有可能会结合多重解方,在不同地理、气候和经济区域提供储存

有一点是明确的:对于近100%可再生能源,我们需要廉价、大规模的储存解决方案

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