«Мы рассмотрели батареи и другие перспективные технологии для хранения солнечной и ветровой энергии в электрической сети», — сказал Чарльз Барнхарт, ведущий автор исследования и научный сотрудник Стэнфордского проекта «Глобальный климат и энергия» (GCEP).«Наша основная цель состояла в том, чтобы рассчитать их общую энергетическую стоимость, то есть общее количество топлива и электроэнергии, необходимое для создания и эксплуатации этих технологий хранения. Мы обнаружили, что с учетом затрат на энергию, сетевые батареи имеют смысл для хранение излишков солнечной энергии, но не для ветра ».Исследование, которое проводится при поддержке GCEP, опубликовано в онлайн-выпуске журнала Energy and Environmental Science.
Изменение климата и возобновляемые источники энергииБольшая часть электроэнергии в Соединенных Штатах вырабатывается на электростанциях, работающих на угле и природном газе — ископаемом топливе, который вносит значительный вклад в глобальное потепление, выделяя большое количество углекислого газа. Солнечная и ветровая энергия не содержат выбросов и являются возобновляемыми, но зависят от солнечного света или ветра.«Чтобы сеть функционировала эффективно, энергоснабжение должно постоянно соответствовать спросу на электроэнергию, но с возобновляемыми источниками энергии это не всегда так», — сказал Барнхарт. «Например, ветряные электростанции иногда производят слишком много электроэнергии ночью, когда спрос невелик.
Эту избыточную энергию необходимо хранить или использовать в другом месте. В противном случае она будет потеряна.
Однако энергосистема США имеет очень ограниченную емкость хранения».Разрабатывается широкий спектр технологий для решения проблемы нехватки хранилища в масштабе энергосистемы. Команда Стэнфорда рассмотрела несколько новых технологий, в том числе пять типов аккумуляторов — свинцово-кислотные, литий-ионные, натрий-серные, ванадий-окислительно-восстановительные и цинк-бромные.
В предыдущем исследовании Барнхарт рассчитал энергетические затраты на строительство и обслуживание каждой из пяти аккумуляторных систем для хранения в масштабе сети. Он обнаружил, что свинцово-кислотные батареи имеют самую высокую энергетическую стоимость, а литий-ионные — самую низкую.«Мы подсчитали, сколько энергии используется в течение полного жизненного цикла батареи — от добычи сырья до установки готового устройства», — сказал Барнхарт. «Батареи с высокими энергетическими затратами потребляют больше ископаемого топлива и, следовательно, выделяют больше углекислого газа в течение своего срока службы. Если энергетическая стоимость батареи слишком высока, ее общий вклад в глобальное потепление может свести на нет экологические преимущества ветровой или солнечной фермы, которую она должна была служба поддержки."
Для этого исследования он и его коллеги рассчитали энергетическую стоимость фотоэлектрических солнечных элементов и ветряных турбин в масштабе сети.«Как ветряные турбины, так и фотоэлектрические элементы вырабатывают больше энергии, чем требуется для их создания и обслуживания», — сказал соавтор исследования, постдокторант GCEP Майкл Дейл. «Однако наши расчеты показали, что общая энергетическая стоимость ветряных турбин намного ниже, чем у обычных солнечных панелей, которые требуют много энергии, в основном из ископаемого топлива, для обработки кремния и изготовления других компонентов».
Хранить или урезать?Затем ученые рассмотрели энергетические затраты на сокращение — практику отключения солнечных панелей и ветряных турбин, чтобы уменьшить производство избыточной электроэнергии в сети.
«Ограничение возобновляемых ресурсов кажется расточительным», — сказал Барнхарт. «Но сетевые операторы обычно сокращают количество ветряных турбин, чтобы избежать внезапного, неожиданного всплеска избыточного электричества, который может перегрузить линии электропередачи и вызвать отключение электроэнергии. Темпы сокращения выбросов в США, вероятно, увеличатся, поскольку возобновляемые источники энергии станут более распространенными».Отключение чистого источника электроэнергии кажется контрпродуктивным, но является ли хранение излишков энергии в батареях практической альтернативой?Чтобы выяснить это, исследователи сравнили энергетические затраты на сокращение солнечной и ветровой энергии с энергетическими затратами на хранение в масштабе сети.
Их расчеты основывались на формуле, известной как «возврат энергии на инвестиции» — количество энергии, произведенной технологией, деленное на количество энергии, необходимое для ее создания и поддержания.Используя эту формулу, исследователи обнаружили, что количество энергии, необходимое для создания солнечной фермы, сопоставимо с энергией, используемой для создания каждой из пяти аккумуляторных технологий. «Следовательно, использование батарей для хранения солнечной энергии в периоды низкого спроса было бы энергетически выгодным», — сказал Дейл.Для ветряных электростанций результаты были совершенно другими. Ученые обнаружили, что сокращение использования энергии ветра снижает окупаемость инвестиций на 10 процентов.
Но хранение излишков электроэнергии, вырабатываемой ветром, в батареях приводит к еще большему сокращению — примерно с 20 процентов для литий-ионных аккумуляторов до более чем 50 процентов для свинцово-кислотных.«В идеале энергетические затраты на сокращение ресурса должны по крайней мере равняться количеству энергии, затрачиваемой на его хранение», — сказал Дейл. «Так обстоит дело с фотоэлектрическими элементами, но для ветряных электростанций энергетические затраты на сокращение намного ниже, чем для батарей. Поэтому на самом деле было бы энергетически более эффективно отключить ветряную турбину, чем хранить излишки электроэнергии, которую она генерирует. "Он сравнил это с покупкой сейфа. «Вы не потратите 100 долларов на сейф для хранения часов за 10 долларов», — сказал он. «Точно так же неразумно строить энергозатратные батареи для энергозатратного ресурса, такого как ветер, но это имеет смысл для фотоэлектрических систем, для производства которых требуется много энергии».По словам Барнхарта, увеличение срока службы батареи будет наиболее эффективным способом улучшить ее энергетические характеристики.
Обычные литий-ионные батареи служат около четырех лет или 6000 циклов заряда-разряда. Свинцово-кислотные батареи служат всего около 700 циклов. По его словам, для эффективного хранения энергии в сети батареи должны выдерживать от 10 000 до 18 000 циклов.
«Хранение энергии потребляет энергию, а сокращение количества энергии тратит ее впустую», — сказал Барнхарт. «В любом случае результатом является снижение общей окупаемости инвестиций в энергию».Другие вариантыПомимо батарей, исследователи рассмотрели и другие технологии для хранения возобновляемой энергии, такие как гидроаккумуляторы, использующие излишки электроэнергии для перекачки воды в резервуар за плотиной.
Позже, когда потребность в энергии высока, накопленная вода сбрасывается через турбины в плотине для выработки электроэнергии.«Сегодня гидроаккумулирующая вода используется в 99 процентах хранилищ энергосистемы», — сказал Барнхарт. «Он фантастически работает с точки зрения энергетики как для ветра, так и для солнечной энергии.
Его окупаемость энергии в 10 раз выше, чем у обычных батарей. Но существуют геологические и экологические ограничения в отношении того, где можно развернуть гидроаккумулятор».
Хранение — не единственный способ повысить надежность сети. «Энергия, которая в противном случае была бы потеряна в периоды избытка, может быть использована, например, для перекачки воды для орошения или для зарядки парка электромобилей», — сказал Дейл.По словам Барнхарта, для общества важно проявлять рациональность при внедрении новых технологий. «Политики и инвесторы должны учитывать энергетические, а также финансовые затраты на новые технологии», — сказал он. «Если экономика является единственным фокусом, то менее дорогие технологии, требующие значительного количества энергии для их производства, обслуживания и замены, могут выиграть, даже если они в конечном итоге увеличивают выбросы парниковых газов и сводят на нет долгосрочные выгоды от внедрения ветровой и солнечной энергии. власть."«Наша цель — понять, что необходимо для создания масштабируемой низкоуглеродной энергетической системы», — сказала соавтор Салли Бенсон, директор GCEP и профессор инженерии энергоресурсов. «Возврат инвестиций в энергию — один из тех показателей, которые проливают свет на возможные препятствия. Надеюсь, это исследование предоставит целевые показатели производительности, которые будут определять будущие исследования по хранению энергии в масштабе сети».
Адам Брандт, доцент кафедры энергетических ресурсов Стэнфордской школы наук о Земле, также является соавтором исследования.