百分之百可再生:大規模的可再生能源儲備有可能嗎?

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向Wed Mar 03 2021 提供最新信息

可再生能源很有可能變得非常受歡迎

到現在,你可能已經厭倦了閱讀“太陽並不總是在照耀,風並不總是在吹”這句話。 我們也是如此。 但是,難過的是,這是一個真正的問題。

儲存能量是一項艱巨的任務。 它很困難,以至於電網的設計是這樣的:電能在產生的瞬間就被消耗掉。 可以這樣想:當有人打開燈時,某處的發電廠會稍微增加其輸出

能源儲存—為什麼和如何?

為了有一個大致的了解,我們可以將能量存儲分為三個時間尺度

  • 級別1-秒到分鐘:在一朵雲暫時遮蓋太陽能發電場或電力需求意外達到峰值時提供幫助。 在論文中,用“負載平衡”之類的術語來描述這一點。
  • 級別2:小時—天:這種儲能方式使我們可以在晴天或大風時發電,並在我們想要使用的時候使用,例如晚上。 此級別的能量存儲通常稱為“大容量存儲”。
  • 級別3:—週—月:此級別的能量存儲根據季節運行,以便在夏季產生最大的電能,並在冬季存儲。 這一點很重要,因為在冬天,太陽沒有那麼多光照(除非你在靠近赤道的地方)。

每種存儲系統應該具有哪些屬性, 有一個明確的模式:

儲存需要

第一級儲存(簡單)

加利福利亞州在2002年5月7日的電力需求

圓圈顯示了1級存儲必須處理的(通常是意外的)起伏類型。 一級存儲已經可以使用各種類型的電池[MITSolarF,StorageAU]。

今天的電池是出色的短跑運動員,但我們需要一個馬拉松運動員來進行2級和3級存儲[MITStorage,MITSolarF]。 特別是,我們需要:

  • 高可擴展性(材料和空間的可用性)
  • 大規模低成本
  • 保持足夠長的充電時間的能力

第二級儲存(這很困難)

為什麼我們需要跨小時的存儲

太陽能電池板在白天發電量最多,但家庭用電需求高峰出現在晚上。 第二級儲存能幫助我們把中午生產的電源(太陽出現時) 存儲起來,以便留到晚上使用。

有了來自核能的一些基本負荷零碳電力,我們就不需要那麼多的存儲,因為曲線的最低點會被推高

此外,通過在電力需求高峰期使用水電和天然氣(一種化石燃料)等可控電源,我們可能獲得 90% 的清潔電力和 10% 的天然氣,而存儲需求相對較少

為什麼基荷和可調度電源會有所幫助

第三級儲存(更困難)

適當的季節性存儲量取決於你在地球上的位置。 一般來說,離赤道越遠,夏季和冬季月份的日照之間差異就越大。 這影響了我們可以收穫多少太陽能。

季節性存儲的需要取決於你所在的地方

解決2級和3級?

讓我們來看看電池和氫氣的一些替代品。 (請記住,充電意味著把能量放進去,放電意味著把能量拿出來。)

  • 抽水蓄能: 通過抽水到山上來充電,並將其存儲在水庫中。 通過水的向下流動而轉動渦輪機來放電。
  • 流動電池:與普通電池一樣,但正極和負極均為液體
  • 熱能儲存: 大冰箱。通過用電加熱一種物質並冷卻另一種物質來充電。通過利用温度差異去轉動渦輪機來放電
  • 液體空氣:通過冷卻和壓縮空氣來充電,直至它變成液體。將其儲存在容器裡。 通過將壓縮了的空氣變回氣體來旋轉渦輪機進行放電。
  • 壓縮空氣:通過壓縮空氣進行充電,將壓縮了的空氣存放在地下。 通過解壓縮使渦輪旋轉來放電
  • 飛輪:通過快速旋轉一個大型轉子來充電。 通過將旋轉能量轉換為熱或電來放電

在得到結論之前,我們將簡潔地討論每一個是如何運作的。

1:抽水蓄能

抽水蓄能

現在97%的電力存儲是通過抽水蓄能發電。 在合適的地點,抽水蓄能的價格相對便宜,可以促進長期儲存[MITSolarF,PumpedHydroPotential]。

抽水蓄能與水力發電不同,因為水力發電的工作原理是讓河流填滿水庫,這裡我們只存儲能量而無需一條河流。

但是像水力發電一樣,抽水蓄能發電也存在問題。 許多國家沒有足夠多的高山[IRENA3,HydroPotential]來建造抽水蓄能庫(請記住,抽水蓄能需要將水抽到山上)。 在我們可以建造的地方,需要淹沒大片土地,並且有證據表明,這會導致大量的甲烷(CH4)排放

儘管如此,在環境可接受的地方,還是應該使用抽水蓄能[HydroPotential,MITSolarF]。 最後,我們必須權衡這些缺點與替代方案:燃燒煤炭和天然氣。

2:液流電池-液體電池箱

液流電池

液流電池使用液態陽極和陰極。 儘管它們是由不同於鋰離子電池(普通電池)的材料製成,但原理是相似的[MITSolarF,Flow2]:

  • 通過將電子從陰極推向陽極進行充電。
  • 通過使電子流回電路進行放電。

液流電池有一些普通電池所不及的優勢:

  • 存儲容量(容器大小)和功率(電極表面積)彼此獨立[MITSolarF,IRENAStor]。 需要更多存儲空間嗎? 使容器更大。 需要更多動力? 增加陽極和陰極相接觸區域的面積。
  • 可能有更長的使用壽命

3:蓄熱器

我們可以用電來加熱東西,效率幾乎是100%的。 這種熱量可以存儲幾個小時,然後使用渦輪機轉換回電能[HotStore,MITSolarF,MALTA]。

用熔鹽和冷卻液進行熱存儲的熱泵

一種潛在的更有效的儲熱方式是你的冰箱所用的方法。 它使用電力來冷卻一個東西和加熱另一件東西。 在冰箱和建議的存儲技術中執行此操作的設備稱為熱泵[MALTA,HeatPump]。

在此,寒冷被儲存在液體中,溫暖被儲存在熔融鹽中。 你可能還記得核能一章中的“熔融鹽”!

熱泵的“反面”是熱機。 熱機可以將溫差轉化為電能。 這個“溫差”就是我們的熔鹽溫度減去冷液溫度。

4:壓縮空氣--便宜和對環境友好?

壓縮空氣能量儲存

在這種形式的能量存儲中,空氣在高壓條件存儲在地下,隨後可以釋放以旋轉渦輪機

此方法需要大型地下水庫不漏水。[CAES2,MITStorageSpec,MITSolarF]。 並非地面上的每個孔都能做到這一點[CAES2,CAES3,CAES5]。 從理論上講,有很多合適的區域,但是目前尚不清楚該技術是否可以擴展到2或3級需要的程度[MITStorageSpec,IRENA3]。

儘管人們自1940年以來就一直在研究這個問題,但到目前為止,只建造了兩個工廠。[CAES3,CAES5]。

5:液態空氣

液態空氣儲存

為了使空氣液化,需要對其進行壓縮和冷卻。 液態空氣被保存在一個儲氣罐中。 為了將能量從系統中回收,一些液態空氣被蒸發。

氣態空氣比液態空氣填充了更多的空間。 當我們讓液體蒸發時,我們可以利用膨脹的空氣運動旋轉渦輪從而產生電能

6:飛輪—轉,轉,轉

飛輪能量儲存

我們可以通過在真空條件下以非常高的速度旋轉轉子(稱為“飛輪”)來存儲能量

這是什麼形態的能量


增大或減小轉子速度來存儲或輸送電能。 轉子的速度幾乎可以無延遲地進行調整,這使其在1級存儲中非常有用。 然而,飛輪的成本遠遠高於其他存儲技術[Fly1,IRENA3,MITSolarF]。

一切都與成本有關

讓我們看一下像美國這樣的發達國家的數據。 美國每年使用3.95 PWh 的電力。 每人每年達到 12兆瓦時。 除以365,我們得到每人每天使用32 kWh。 在美國,電力成本為$ 0.18 / kWh

我們將使用的方程式是:

含有存儲的電費公式

總成本是存儲能量損失的因素。 能量從一種形式轉換為另一種形式,通常會導致能量損失到環境中,因此我們需要從一開始就生產(並支付)更多的電力。

價格根據地區和提供商而異[MITStorageSpec,IRENAStor,PowerPackPrice]。 我們之前使用的$ 150 / kWh成本是原始生產成本。 考慮到該公司的利潤,現場安裝,組裝,運輸和研發成本,同一家生產$150電池的公司(Tesla)最近以$511/千瓦時的價格向一家風電場運營商出售了一個巨大的電池組

平均預期價格略低,為$350/kWh。 以此為例,我們得到

電池平均成本(每年)[EPrice3,IRENAStor]

讓我們對已討論的所有技術進行此操作。 (我們將比較兩種鋰離子電池類型:NCA和LTO。同樣,我們將研究兩種液流電池類型。)

測評所有能量儲存的技術

所以,這些東西中是否有足夠便宜的?

專家認為,對於具有高保留率的可擴展且對位置無要求的存儲,$20每千瓦時的價格足夠便宜可以廣泛部署[EStoragetarget,20kWh]。

這就是為什麼我們需要創新和政府的支持[MITSolarF,IRENAStor]。 預計到2030年,液流電池的成本預計將降低66%,同時具有更長的使用壽命和更高的能量保持率

我們正在努力解決一個尚未解決的問題。 今天只選擇一種技術是不明智的—這就是為什麼研究經費將平行地流向許多公司

無論哪種方式,我們都可能會結合使用多種解決方案,以便在具有不同地質,氣候和經濟狀況的區域中提供存儲空間

有一件事是明確的:對於接近100%可再生能源的任何事物,我們都需要廉價的大規模存儲解決方案[MITSolarF,IRENAStor]

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