Я разглядаўзахоўванне энергііна некаторы час цяпер, і шчыра? Усё гэта было блытаным, пакуль я не наткнуўся на гібрыдныя сістэмы. Вось такая здзелка - мы занадта доўга спрабавалі вырашыць праблему назапашвання энергіі з дапамогай адзіных рашэнняў, і гэта працуе не так, як нам трэба.
Праблема, пра якую ніхто не кажа
Акумулятар можа захоўваць энергію на працягу некалькіх дзён. Выдатна. Але калі вам патрабуецца раптоўны ўсплёск энергіі -, напрыклад, калі вашы сонечныя батарэі перастаюць выпрацоўваць і адначасова ўключаецца пераменны ток - тая самая батарэя не працуе. Ён не прызначаны для гэтага. Між тым, суперкандэнсатары могуць скідаць энергію за мілісекунды, але яны выцякаюць энергію хутчэй, чым сіта ўтрымлівае ваду.
Я памятаю, як чытаў пра ўстаноўку SMES (звышправодны магнітны назапашвальнік энергіі) у спалучэнні са звычайным банкам батарэй і думаў: "Пачакайце, чаму ніхто не рабіў гэтага раней?" Аказваецца, маюць. Проста мала людзей звяртаюць увагу.
Гібрыдны падыход у асноўным кажа: чаму б не выкарыстоўваць абодва? Дазвольце акумулятару рабіць тое, што лепш за ўсё акумулятары - захоўваюць энергію-надоўга. Няхай суперкандэнсатар справіцца з вар'яцкімі скокамі магутнасці. Гучыць відавочна, калі сказаць гэта ўслых, так?
Калі дзве тэхналогіі насамрэч маюць сэнс разам
Такім чынам, вось дзе становіцца цікава. Уся ідэя гібрыдных сістэм назапашвання энергіі заключаецца не толькі ў тым, каб злучыць два розныя тыпы назапашвальнікаў і спыніць справу. За гэтым стаіць сапраўдная інжынерная думка, хоць некаторыя рэалізацыі, безумоўна, лепш, чым іншыя.
Вазьміце камбінацыю SMES/акумулятар. Звышправодная частка мае вар'яцкую шчыльнасць магутнасці - мы гаворым пра час водгуку, які вымяраецца ў мілісекундах. Але гэта дорага і не змяшчае шмат энергіі для сваіх памераў. Батарэі? Поўная супрацьлеглая праблема. Спалучыце іх, і вы атрымаеце тое, што можа справіцца як з кароткімі ваганнямі напружання, так і з доўгатэрміновым-забеспячэннем энергіі. Я бачыў спецыфікацыі адной сістэмы, якія паказалі, што яны могуць знізіць інвестыцыйныя выдаткі амаль на 30% у параўнанні з павелічэннем памеру аднаго тыпу сховішча. Гэта рэальныя грошы.
Махавікі ў спалучэнні з батарэямі - яшчэ адна камбінацыя, якую я лічу захапляльнай, верагодна, таму, што механічны аспект мне падабаецца больш, чым чыстая электрахімія. Махавік апрацоўвае высокачашчынныя-ваганні магутнасці - думаць пад-другія рэчы - у той час як акумулятар кіруе больш доўгімі, павольнымі варыяцыямі. Рэгуляванне частоты сеткі любіць такую ўстаноўку.
Частка, якая сапраўды важная (для большасці людзей)
Вось што, на маю думку, губляецца ва ўсіх тэхнічных дакументах і дакументах: аднаўляльная энергія бескарысная, калі мы не можам належным чынам захоўваць яе. Сонечныя панэлі выпрацоўваюць энергію, калі свеціць сонца. Наватарскае назіранне, я ведаю. Але электрычнасць патрэбна і ноччу, а вецер не дзьме па раскладзе, які адпавядае вашым планам абеду.
Правільна спраектаваная гібрыдная сістэма можа аптымізаваць спосаб захопу і вызвалення гэтай энергіі. Калі генерацыя сонечнай энергіі раптоўна падае з-за воблака (або таму, што адбыўся закат), кампанент суперкандэнсатара імгненна ўключаецца, пакуль батарэя нарастае. Гэта прадухіляе падзенне напругі і падтрымлівае святло без раздражняльнага мігцення.
Назапашвальнік энергіі на сціснутым паветры (CAES) з суперкандэнсатарамі таксама дзікі, хаця я прызнаю, што не бачу яго разгортвання ў такой ступені. CAES захоўвае энергію, літаральна сціскаючы паветра ў падземныя пячоры або рэзервуары. Гэта механічна, гэта дзіўна, і калі вы спалучаеце яго з суперкапачкамі для хуткага рэагавання... на самай справе працуе даволі добра для стабілізацыі сеткі. Хаця знайсці прыдатную геалогію для буйнамаштабнай-CAES - уласны кашмар.
Сапраўдны-сусветны беспарадак
Я павінен згадаць тое, што не трапляе ў большасць тэхнічных дыскусій: гэтыя сістэмы складаныя ў кіраванні. Сапраўды складана. Вам патрэбныя складаныя сістэмы кіравання, каб вырашыць, які кампанент захоўвання апрацоўвае якую нагрузку ў які момант. Памыліцеся, і вы проста марнуеце грошы і эфектыўнасць.
Сістэма кіравання энергіяй -, назавем яе EMS, таму што яна карацейшая -, павінна адсочваць спажыванне энергіі ў рэжыме рэальнага-часу і адпаведным чынам размяркоўваць нагрузку. Высокая магутнасць, кароткая працягласць? Правядзіце яго да суперкандэнсатара або махавіка. Устойлівая нагрузка? Акумулятар спраўляецца. Гучыць проста. Гэта не так.
Таксама ёсць такая рэч, калі розныя тэхналогіі захоўвання маюць розныя схемы дэградацыі. Літый-іённыя акумулятары ненавідзяць, калі іх цалкам разраджаюць. Суперкандэнсатары вытрымліваюць мільёны цыклаў, але павольна губляюць ёмістасць. Ваша сістэма кіравання павінна ўлічваць гэта, ураўнаважваючы прадукцыйнасць сёння і працягласць жыцця заўтра. Гэта як... вы можаце бегчы ўсюды і зношваць калені, або рухацца самастойна. Служба хуткай медыцынскай дапамогі павінна прымаць такое рашэнне тысячы разоў на дзень.
Навошта сыход за электрамабілямі (магчыма, больш, чым вы думаеце)
Электромабілі маюць справу з той жа праблемай, якую мы бачым у сеткавых сховішчах, толькі ў паменшаным маштабе і мабільных. Вам патрэбен дыяпазон -, які патрабуе батарэй высокай шчыльнасці энергіі. Але вы таксама хочаце паскарэнне і рэгенератыўнае тармажэнне, якія могуць хутка паглынаць вялікую колькасць энергіі. Адзін тып акумулятара не можа аптымальна працаваць з абодвума.
Некаторыя вытворцы электрамабіляў эксперыментуюць з гібрыдным назапашвальнікам - вялікім літый-іённым блокам для далёкасці, дапоўненым суперкандэнсатарамі для рэзкіх выбухаў энергіі. Суперкаўпачкі ўлоўліваюць энергію рэгенератыўнага тармажэння, якая ў адваротным выпадку была б страчана (таму што акумулятары не могуць зараджацца так хутка), і яны забяспечваюць дадатковы ўдар для паскарэння без нагрузкі на асноўную батарэю.
Ці робіць гэта электрамабілі таннейшымі? Не. На самай справе яны даражэюць загадзя. Але дэградацыя батарэі значна запавольваецца, што на працягу 10 гадоў жыцця... напэўна, таго варта? Пра матэматыку дагэтуль спрачаюцца.
Кошт Праверка рэальнасці
Давайце пагаворым пра грошы, таму што рабіць выгляд, што кошт не мае значэння, глупства. Першапачаткова гібрыдныя сістэмы каштуюць даражэй. Вы купляеце дзве або больш тэхналогій захоўвання дадзеных замест адной, а таксама сістэмы кіравання імі. У Аўстраліі яны ўсталёўваюць, відаць, самую вялікую гібрыдную акумулятарную сістэму з-пастаянным токам на Нацыянальным рынку электраэнергіі. Маштаб велізарны -, каб забяспечыць электраэнергіяй 120 000 дамоў.
Такі праект мае эканамічны сэнс з-за маштабу і каштоўнасці паслуг стабільнасці сеткі. Для жылля? Значна цяжэй апраўдаць, калі вы сапраўды не адданыя сваёй справе або не маеце асаблівых патрэбаў у надзейнасці. Хаця я падазраю, што гэта зменіцца па меры зніжэння кошту кампанентаў і росту тарыфаў на электрычнасць.
Эксплуатацыйная эканомія адбываецца за кошт павелічэння тэрміну службы абсталявання і лепшай эфектыўнасці. Калі ваша батарэя не пакутуе ад хуткай зарадкі-цыклаў разрадкі, яна праслужыць даўжэй. Калі ваш суперкандэнсатар спраўляецца са скокамі магутнасці, для якіх ён быў распрацаваны, а не спрабуе забяспечыць доўгатэрміновае-захоўванне (што было б глупствам), уся сістэма працуе лепш. Але вам трэба эксплуатаваць яго дастаткова доўга, каб акупіць гэтую першапачатковую прэмію.
Тэхнічныя характарыстыкі, якія маюць значэнне
Шчыльнасць магутнасці ў параўнанні са шчыльнасцю энергіі - гэта фундаментальны кампраміс, дзякуючы якому гібрыдныя сістэмы працуюць. Думайце пра шчыльнасць магутнасці як хуткасць доступу да назапашанай энергіі -, вымеранай у ватах на кілаграм. Шчыльнасць энергіі - гэта колькасць агульнай энергіі, якую вы можаце назапасіць - у ват-гадзінах на кілаграм.
Суперкандэнсатары: высокая шчыльнасць энергіі (10,000+ Вт/кг), нізкая шчыльнасць энергіі (~5 Вт·гадз/кг). Яны спрынтэры.
Літый-іённыя батарэі: сярэдняя-высокая шчыльнасць магутнасці (~300-500 Вт/кг), высокая шчыльнасць энергіі (~250 Вт·гадз/кг). Яны марафонцы.
Вам патрэбны абодва тыпу спартсменаў у вашай камандзе, у залежнасці ад расы.
Хуткасць сама-разраду таксама мае значэнне. Акумулятары трымаюць зарад на працягу некалькіх тыдняў ці месяцаў. Суперкандэнсатары хутка выцякаюць з энергіі - вы будзеце губляць значны адсотак у дзень, калі не будзеце падлучаныя да нагрузкі. Вось чаму вы не будзеце выкарыстоўваць суперкандэнсатары для доўгатэрміновага-рэзервовага харчавання, нават калі некаторыя людзі ў інтэрнэце, здаецца, бянтэжацца.
Стратэгіі кантролю
Добра, гэты раздзел можа быць тэхнічным, але ён вельмі важны. Стратэгія кіравання вызначае, як электраэнергія перацякае паміж рознымі кампанентамі захоўвання, нагрузкай і крыніцай энергіі (сетка, аднаўляльныя крыніцы ці што заўгодна).
Зніжэнне пікавых нагрузак - гэта адзін з падыходаў - гібрыдная сістэма згладжвае скокі спажывання энергіі, таму асноўная крыніца энергіі атрымлівае больш пастаянную нагрузку. Кампанент з высокай-энергіяй захоўвання паглынае пікі, кампанент з высокай{3}}энергіяй спраўляецца з базавай лініяй. Гэта вельмі важна для інтэграцыі аднаўляльных крыніц энергіі, таму што гэта робіць ветравую і сонечную энергетыку больш падобнымі на звычайныя дыспетчарскія электрастанцыі ў сетцы.
Іншы метад-фільтрацыя нізкіх частот. Высокачашчынныя-змены магутнасці (хуткія змены) накіроўваюцца ў-назапашвальнік з высокім утрыманнем энергіі. Змены-нізкай частаты (павольныя змены) ідуць у-назапашвальнік энергіі. Гэта матэматычна элегантна, хоць рэалізацыя можа быць складанай.
Некаторыя сістэмы выкарыстоўваюць прагназуючыя алгарытмы, заснаваныя на гістарычных мадэлях нагрузкі. Калі сістэма ведае, што на вашым прадпрыемстве звычайна адбываецца ўсплёск электраэнергіі кожны дзень у 14:00, яна можа папярэдне-размясціць энергію ў адпаведным кампаненце захоўвання. Выдатна працуе, пакуль ваш шаблон выкарыстання не зменіцца і алгарытм раптам аптымізуецца для няправільнага сцэнарыя.
Дзе мы знаходзімся цяпер
Тэхналогія дастаткова развітая, каб вялікія ўстаноўкі мелі сэнс у пэўных праграмах. Грыд-сэрвісы, прамысловыя аб'екты з высокімі патрабаваннямі да электраэнергіі, буйнамаштабная-інтэграцыя аднаўляльных крыніц энергіі - гэта правераныя выпадкі выкарыстання. Праграмнае забеспячэнне GEMS ад Wärtsilä і падобныя платформы кіравання энергіяй сталі даволі складанымі ў жангляванні некалькімі тэхналогіямі захоўвання.
Меншыя-маштабныя дадаткі ўсё яшчэ знаходзяць сваю аснову. Эканоміка яшчэ не зусім працуе для большасці людзей, хоць першыя карыстальнікі і людзі з ненадзейным падключэннем да сеткі ўсталёўваюць іх. Цэны на батарэі працягваюць падаць, што дапамагае, але сістэмы кіравання і складанасць мантажу трымаюць агульны кошт высокім.
Верагодна, наступную хвалю інавацый чакаюць электрамабілі. Абмежаванні вагі і прасторы прымушаюць ствараць эфектыўныя канструкцыі, а патэнцыял масавай вытворчасці спрыяе зніжэнню выдаткаў. Тое, што працуе ў электрамабілях, з часам патрапіць у стацыянарныя праграмы.
Пытанне эфектыўнасці
Такім чынам, вернемся да зыходнага пытання: ці могуць гібрыдныя сістэмы захоўвання энергіі аптымізаваць эфектыўнасць?
так. Але не паўсюдна, не аўтаматычна і не заўсёды эканомна.
Добра-прадуманая гібрыдная сістэма з належным кіраваннем можа дасягнуць-каэфіцыента эфектыўнасці абароту 85-90% або лепш -, што параўнальна з рашэннямі з адной тэхналогіяй або перавышае іх. Што яшчэ больш важна, ён можа эфектыўна спраўляцца з больш шырокім дыяпазонам умоў працы. Гэтая гнуткасць часта больш каштоўная, чым максімальная эфектыўнасць.
Павышэнне эфектыўнасці адбываецца ад выкарыстання кожнай тэхналогіі захоўвання ў яе аптымальным працоўным дыяпазоне. Батарэі не псуюцца пры хуткім цыкле. Суперкандэнсатары не прастойваюць, за выключэннем скокаў магутнасці. Уся сістэма працуе больш гладка, што азначае меншую страту цяпла, меншую дэградацыю і лепшую доўгатэрміновую-прадукцыйнасць.
Але - і гэта важна - дрэнна спраектаваная гібрыдная сістэма можа быць менш эфектыўнай, чым адна-добра выбраная тэхналогія захоўвання. Калі вашы алгарытмы кіравання змагаюцца адзін з адным, калі вы неадпаведныя памеры кампанентаў, калі сілавая электроніка ўносіць празмерныя страты пераўтварэння... вы проста патрацілі больш грошай, каб атрымаць горшую прадукцыйнасць.
Што на самой справе павінна адбыцца
Прамысловасць патрабуе стандартызацыі. Зараз кожная гібрыдная сістэма ў нейкай ступені - спецыяльна-распрацавана для канкрэтнага прымянення. Гэта добра для сеткавых-установак з групамі інжынераў, але гэта перашкаджае больш шырокаму прыняццю. Нам патрэбныя модульныя, маштабуемыя канструкцыі, якія можна разгортваць, не вынаходзячы ровар кожны раз.
Зніжэнне выдаткаў, відавочна. Суперкандэнсатары па-ранейшаму дарагія за ват-гадзіну захоўвання, нават калі яны патрэбныя толькі з-за іх шчыльнасці магутнасці. Тут дапаможа маштаб вытворчасці. Таксама і альтэрнатыўныя тэхналогіі суперкандэнсатараў (канструкцыі на аснове-графена выглядаюць шматспадзеўна, але ўсё яшчэ ў асноўным знаходзяцца ў лабараторыях).
Лепшыя алгарытмы кіравання, якія могуць адаптавацца да зменлівых умоў без умяшання чалавека. Машыннае навучанне тут сапраўды можа быць карысным, у адрозненне ад большасці прыкладанняў, дзе гэта проста шуміха. Сістэма, якая вывучае вашы канкрэтныя схемы выкарыстання і адпаведна аптымізуе, можа значна палепшыць прадукцыйнасць у параўнанні са статычным праграмаваннем.
А калі шчыра? Лепшая адукацыя. Большасць электрападрадчыкаў і мантажнікаў не вельмі разумеюць гібрыдныя сістэмы захоўвання. Большасць спажыўцоў дакладна не. Пакуль гібрыдныя сістэмы не стануць такімі ж звыклымі, як "рэзервовае харчаванне ад батарэі" ў агульнай свядомасці, прыняцце іх будзе абмежавана спецыялістамі і энтузіястамі.
Выпадковыя назіранні
Я ўвесь час думаю пра тое, як мы дайшлі да гэтага - дзесяцігоддзямі спрабавалі развязаць назапашванне энергіі з дапамогай адзіных рашэнняў і толькі нядаўна ўвялі маштабныя гібрыдныя падыходы. Гэта падобна на тое, як мы перайшлі ад-аднаядравых да шмат'ядравых-працэсараў, калі дасягнулі лімітаў маштабавання частоты. Часам адказ заключаецца не ў паляпшэнні адной рэчы, а ў разумным выкарыстанні некалькіх рэчаў разам.
Уся тэндэнцыя-сувязі пастаяннага току для сонечнай-плюс-захоўвання звязана з гэтым. Замест пераўтварэння сонечнага пастаяннага току ў пераменны ток, а затым назад у пастаянны ток для захоўвання батарэі (што марнуе энергію пры абодвух пераўтварэннях),-сувязь пастаяннага току захоўвае ўсё ў пастаянным току, пакуль не спатрэбіцца перайсці ў сетку пераменнага току. Зніжае страты на некалькі працэнтаў. Менавіта такія віды-аптымізацыі сістэмнага ўзроўню робяць гібрыдныя падыходы карыснымі.
Таксама варта адзначыць: праблемы з кіраваннем тэмпературай у гібрыдных сістэмах не-трывіяльныя. Падчас працы батарэі вылучаюць цяпло. Суперкандэнсатары вылучаюць цяпло. Махавікі вылучаюць цяпло ад трэння падшыпнікаў. Збярыце ўсё разам, і вам трэба сур'ёзнае астуджэнне. Я бачыў устаноўкі, дзе сістэма астуджэння спажывае дастаткова энергіі, каб прыкметна знізіць агульную эфектыўнасць. Нешта варта разгледзець.
Частка будучага (абавязкова, але спекулятыўна)
Цвёрдацельныя-батарэі могуць цалкам змяніць гульню. Калі мы атрымаем акумулятары як з высокай шчыльнасцю энергіі, так і з высокай шчыльнасцю магутнасці з доўгім жыццёвым цыклам... магчыма, гібрыдныя сістэмы стануць непатрэбнымі. Ці, магчыма, яны становяцца яшчэ больш дасканалымі, спалучаючы цвёрдацельныя-батарэі з іншымі тэхналогіямі для яшчэ лепшай прадукцыйнасці. Цяжка сказаць.
Захоўванне вадароду таксама хаваецца на заднім плане. Некаторыя гібрыдныя сістэмы вывучаюць пераўтварэнне-энергіі ў-газ для працяглага-захоўвання (тыдні ці месяцы), у спалучэнні з батарэямі і суперкандэнсатарамі для кароткатэрміновых-патрэб. Гэта складана і мае страты эфектыўнасці, але для сапраўды сезоннага захоўвання гэта можа быць адзіным жыццяздольным варыянтам у маштабе.
Сама сетка становіцца гібрыднай энергетычнай сістэмай - не толькі для захоўвання, але і для вытворчасці, перадачы, размеркавання, і ўсё гэта працуе разам з усё большай дасканаласцю. Інтэграцыя аўтамабіляў-у-сетку дадае яшчэ адзін ўзровень. У рэшце рэшт, магчыма, мы перастанем думаць пра дыскрэтныя «сістэмы» і пачнем думаць пра цалкам інтэграваную энергетычную экасістэму.
Але я, напэўна, апярэджваю сябе. Зараз мы ўсё яшчэ высвятляем, як надзейна спалучыць батарэі з суперкандэнсатарамі, каб сістэмы кіравання не выйшлі з ладу.
Заключэнне
Працуюць гібрыдныя сістэмы захоўвання энергіі. Яны аптымізуюць эфектыўнасць спосабамі, з якімі адзін-тэхналагічныя рашэнні не могуць параўнацца. Тэхналогія правераная, перавагі рэальныя, а колькасць прыкладанняў расце.
Ці будуць яны мець сэнс для любой канкрэтнай сітуацыі, залежыць ад тэхнічных патрабаванняў, эканамічных фактараў і, шчыра кажучы, ад таго, наколькі складана вы гатовыя мець справу. Для інтэграцыі з аднаўляльнымі крыніцамі энергіі-ў сетцы і прамысловых прыкладанняў яны ўсё часцей становяцца выбарам па змаўчанні. Што тычыцца жылых памяшканняў і невялікіх камерцыйных памяшканняў, мы яшчэ не зусім там.
Фундаментальнае разуменне - таго, што спалучэнне дадатковых тэхналогій дае лепшыя вынікі, чым спроба ўдасканаліць адзінае рашэнне -, здаецца відавочным у рэтраспектыве. Большасць добрых ідэй. Зараз задача складаецца ў тым, каб зрабіць гібрыдныя сістэмы больш таннымі, простымі і даступнымі, каб яны маглі больш шырока выкарыстоўваць свае перавагі.
І калі вы думаеце аб яго ўсталёўцы, пагаворыце з чалавекам, які сапраўды разбіраецца ў сілавой электроніцы і сістэмах кіравання энергіяй. Не проста прадавец. Гэты матэрыял складаны, і памыліцца каштуе дорага.