Skladištenje energije iz električne mreže

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Spremanje električne energije

Skladištenje energije iz električne mreže odnosi se na postupke za spremanje električne energije unutar elektroenergetskog sustava. Energija se sprema za vrijeme kad proizvodnja nadmašuje potrošnju, a rezerve se koriste kad je potrošnja veća od proizvodnje. Na ovaj se način proizvodnja električne struje ne treba drastično povećavati i smanjivati prema zahtjevima potrošnje već se održava na ravnomjernijem nivou. Prednost je u tome što se energanama na goriva (npr. ugljen, zemni plin, naftu) može efikasnije i lakše upravljati na konstantnim razinama proizvodnje.

Skladištenje energije je korisno uz korištenje intermitentnih izvora energije poput fotovoltaika i vjetroturbina. Intermitentni izvori su po prirodi nepredvidivi - količina električne energije koju proizvode varira vremenski i veoma ovisi o nasumičnim faktorima kao što su vremenski uvjeti. U električnoj mreži bez pohrane energije, izvori koji ovise o energiji pohranjenoj u gorivu (ugljen, plin, nafta) moraju biti prilagođeni razmjerno povećanju ili smanjenju proizvedene energije iz intermitentnih izvora.

Prema tome, skladištenje energije je način kako operator električne mreže prilagoditi proizvodnju prema potrošnji električne energije, koje mogu varirati tijekom vremena. Tako se povećava efikasnost i smanjuju troškovi proizvodnje ili olakšava upotreba intermitentnih izvora energije.



Načini skladištenja[uredi VE | uredi]

Baterije[uredi VE | uredi]

Baterije su se za spremanje energije koristile u počecima istosmjernih mreža, a sad se ponovno pojavljuju. Baterije povezane s velikim ispravljačima koriste se za stabiliziranje mreže. Na primjer, u Portoriku se koristi sistem kapaciteta 20 megavata za 15 minuta da ustali frekvenciju električne energije na otoku. Nikal kadmijska baterija od 27 megavata za 15 minuta postavljena je 2003. godine u Fairbanksu u Aljasci da stabilizira voltažu na kraju dugog dalekovoda[1].

Baterije su relativno skupe, potrebno je mnogo održavanja i imaju ograničen vijek trajanja, najviše zbog kristala koji se stvaraju u ćelijama tijekom ciklusa punjenja i pražnjenja. Ti se kristali uglavnom ne mogu ponovno otopiti u elektrolit, a mogu postati toliko veliki da počnu stvarati značajan pritisak u unutašnjosti baterije i saviti je te uništiti pojedine ćelije.

Moguća tehnologija za spremanje energije su velike baterije s tekućim metalom.[2] Natrij-sumporne baterije također mogu biti jeftinije za korištenje, a u Japanu i SAD-u ih već upotrebljavaju[1]. Baterije s vanadijem i slične također se počinju koristiti za spremanje energije te za uprosječavanje proizvodnje energije kod vjetroelektrana. Skladištenje u baterijama ima relativno visoku korisnost, 90% i više. Najveća baterija na svijetu postavljena je u Fairbanksu u Aljasci, a sastoji se od Ni-Cd ćelija.[3]


Električna vozila[uredi VE | uredi]

Kompanije razmatraju mogućnost korištenja električnih vozila za pokrivanje vršnih opterećenja. Parkirano vozilo spojeno na mrežu moglo bi prodavati struju iz baterija za vrijeme velikog opterećenja mreže, a puniti se noću.[4]

Kada će se električna i hibridna vozila masovno proizvoditi[5][6][7], moći će biti korištena kao spremišta energije. Automobil sa svojim baterijama od 20 do 50 kW•h će se povezivanjem na mrežu pretvarati u uređaj za balansiranje opterećenja ili izvor struje za hitne situacije. Svako vozilo moglo bi osigurati 2 do 5 dana prosječne dnevne potrošnje energije jednog kućanstva od 10 kW•h (pretpostavljajući godišnju potrošnju od 3650 kW•h). Tolika energija odgovara između 60 i 480 prijeđenih kilometara s potrošnjom od 0,31 do 0,099 kW•h po kilometru.

Planira se i korištenje starih baterija iz električnih vozila za spremanje energije (rezultirajući ponekad u ogromnim baterijama).[8][9] Međutim, veliki nedostatak korištenja vozila za spremanje energije iz mreže je taj da svaki ciklus punjenja i pražnjenja opterećuje i troši bateriju.[5] Konvencionalne (bazirane na kobaltu) litij-ionske baterije otkazuju nakon određenog broja ciklusa dok se novije ne troše znatno tijekom svakog ciklusa pa stoga imaju mnogo dulji vijek trajanja.

Komprimirani zrak[uredi VE | uredi]

Još jedna metoda za skladištenje energije je da se višak struje koristi za komprimiranje zraka, obično u starom rudniku ili nekoj drugoj geološkoj formi. Kada je potreba za energijom visoka, komprimirani zrak se zagrije s malom količinom plina i prolazi kroz turbinu te proizvodi struju..[10]


Zamašnjak[uredi VE | uredi]

Ova metoda temelji se na inerciji - teški rotirajući disk ubrza se elektromotorom, koji može raditi i kao generator usporavajući disk i proizvodeći struju. Energija je pohranjena kao kinetička energija diska. Trenje mora biti čim manje da se produži vrijeme čuvanja energije. To se postiže tako da se zamašnjak stavlja u vakuum i korištenjem magnetskih ležajeva, što ovu metodu čini skupom. Veliki zamašnjaci omogućuju spremanje veće količine energije, ali za njih su potrebni čvrsti materijali poput čelika ili kompozita da izdrže centrifugalne sile. Međutim, zbog tehnički moguće količine spremljene energije zamašnjaci nisu prikladni za opću primjenu u sustavu. Najbolje ih je koristiti za ujednačavanje opterećenja na željezničkim elektrosustavima i za poboljšavanje kvalitete energije u sustavima s obnovljivom energijom. Zamašnjak koriste sustavi kojima treba veoma veliku količinu energije na kratke vremenske periode kao na primjer pokusi s tokamakom i laserima. Ova metoda pohrane se također koristi za neprekinutu opskrbu električnom energijom za velike računske centre gdje za kratko vrijeme služi kao opskrba energijom u slučaju nestanka struje[11] do paljenja alternativnih izvora, poput diesel generatora.

Ovakav sistem ugradila je tvrtka EDA[12] na azorskim otocima Graciosa i Flores i koristi zamašnjak od 18 MW•s da poboljša korištenje obnovljive energije. Sustav se upotrebljava da izgladi trenutna kolebanja u opskrbi i ne može biti korišten za pokrivanje dužih nestanaka struje. Najveći zamašnjak za spremanje energije na tržištu može pohraniti 133 kW•h energije.

Nosač aviona klase Gerald R. Ford će koristiti zamašnjak za akumuliranje energije iz brodskog sustava za brzo otpuštanje za potrebe polijetanja aviona.

Vodik[uredi VE | uredi]

Vodik se također počinje razvijati kao sredstvo spremanja energije.[5] Proizvodi se (koristeći električnu energiju i/ili toplinu), komprimira ili ukapljuje te po potrebi pretvara natrag u električnu energiju ili toplinu, a može biti iskorišen i kao gorivo. Prednost u odnosu na baterije i vodu korištenu u reverzibilnim hidroelektranama je njegova mogućnost komprimiranja i velika gustoća energije.

Vodik se može proizvesti reformacijom zemnog plina ili elektrolizom vode na vodik i kisik. Reformacijom zemnog plina stvara se ugljikov dioksid kao nusprodukt. Elektroliza pod visokim tlakom i elektroliza na visokoj temperaturi dva su postupka kojima se može povećati efikasnost dobivanja vodika. Vodik se u motoru s unutarnjim izgaranjem ili gorivoj ćeliji pretvara ponovo u električnu energiju.

Efikasnost pohrane istosmjerne struje pomoću vodika kreće se oko 20-25%,[13] što čini vodik neprikladim osim za specijalne primjene. Najveći problem je veliki broj pretvorbi u odnosu na druge tehnike. Da bi ova metoda bila isplativa, spremljenu energiju bi s trebalo prodavati po cijeni četiri puta većoj od nabavne.

Probni program koji koristi vjetroturbine i generatore vodika započet je 2007. u mjestu Ramei u Kanadi.[14] Sličan projekt traje od 2004. u maloj norveškoj općini Utsira.

Podzemno spremanje vodika je spremanje u kavernama, špiljama i iscrpljenim naftnim poljima. Velike količine plinovitog vodika spremala je tvrtka ICI dugi niz godina bez ikakvih teškoća.[5] Large quantities of gaseous hydrogen have been stored in underground caverns by ICI for many years without any difficulties.[15]


Reverzibilne hidroelektrane[uredi VE | uredi]

Glavni članak: Reverzibilne hidroelektrane

U 2008. svjetski kapacitet pohrane reverzibilnim hidroelektranama je bio 104 GW,[16] što obuhvaća veliku većinu spremanja energije - svi ostali načini zajedno su par stotina MW.[17]

Reverzibilne hidroelektrane se koriste za ublažavanje opterećenja mreže tako da pumpa vodu u rezervoar za vrijeme male potrošnje energije i vikendima, koristeći višak energije iz nuklearnih ili termoelektrana. Kada je potrebno, ta se voda može koristiti za proizvodnju struje kao i u običnim hidroelektranama. Reverzibilne hidroelektrane vraćaju oko 75% potrošene energije te su trenutno najjeftiniji način spremanja energije. Glavni problem je što su potrebna dva spremnika na različitim visinama i zahtijevaju veliki početni trošak.[18]

Reverzibilne elektrane su fleksibilne i mogu se uključiti veoma brzo, obično oko 15 sekundi[19] što ih čini jako korisnima u pokrivanju promjenjljivosti potražnje električne energije. Postoji preko 90 GW spremljene energije u reverzibilnim hidroelektranama, što je oko 3% trenutnog globalnog proizvodnog kapaciteta. Sistemi poput reverzibilne hidroelektrane Dinorwig[19] sposobni su za pet do šest sati proizvodnje energije a koriste se za uglađivanje varijacija u potražnji.

Još jedan primjer je reverzibilna hidroelektrana Tianhuangping u Kini,[20] koja ima kapacitet od osam milijuna kubičnih metara (volumen vode koji prijeđe preko Niagarinih slapova u 25 minuta) s visinskom razlikom od 600 m. Akumulirana voda može osigurati 13 GW•h gravitacijske potencijalne energije (s korisnošću pretvorbe u električnu od 80%), ili oko 2% kineske dnevne eletrične potrošnje.[21]

Novi koncept u pohrani energije reverzibilnim hidroelektranama je korištenje energije vjetra i Sunca za pumpanje vode. Vjetroturbine ili solarne ćelije direktno pogone pumpe i mogu povećati korisnost, ali takvi su sistemi ograničeni jer funkcioniraju samo za uz dovoljnu količinu vjetra i dnevne svjetlosti.

Supravodljiva magnetska energija[uredi VE | uredi]

Ovi sistemi za skladištenje spremaju energiju u magnetskom polju izazvanom tokom istosmjerne struje u supravodljivoj zavojnici koja je bila krionički ohlađena na temperaturu ispod svoje supravodljive kritične temperature. Ovakav tipičan sistem obično sadrži tri dijela: supravodljivu zavojnicu, sustav za pretvorbu i kriogenički ohlađen hladnjak. Jednom kada zavojnicom počne teći struja, tok neće nestati a magnetska energija može biti pohranjena beskonačno dugo. Ispravljač pretvara električnu energiju iz izmjenične u istosmjernu i suprotno, a svaka pretvorba ima gubitke od oko 2 do 3%. Od svih metoda spremanja energije, ova ima najmanje gubitke, korisnost doseže i više od 95%. Visoka cijena supravodiča je najveća prepreka komercijalnoj upoterbi ove metode spremanja energije.

Zbog količine energije potrebne za hlađenje i granica u količini energije koja može biti spremljena, ovaj se način koristi za kratkotrajno skladištenje energije. Stoga se magnetsko polje upotrebljava za poboljšavanje energetske kvalitete. Da bi ova metoda postala praktična tehnički nedostaci moraju biti riješeni.

Reference[uredi VE | uredi]

  1. Gyuk I, Kulkarni P, Sayer JH, 'et al.' (2005). "The United States of storage". IEEE Power and Energy Magazine 3 (2): 31–9.
  2. Sadoway proposing all-liquid metal battery for grid energy storage
  3. Conway, E. (2 September 2008) "World's biggest battery switched on in Alaska" Telegraph.co.uk
  4. New electric car scheme for California
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 Sustainable transportation based on electric vehicle concepts: a brief overview. Royal Society of Chemistry (2010-05-14). pristupljeno 2010-06-08
  6. http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn7081
  7. http://www.toshiba.co.jp/about/press/2005_03/pr2901.htm
  8. Woody, Todd. "PG&E's Battery Power Plans Could Jump Start Electric Car Market." (Blog). Green Wombat, 2007-06-12. Retrieved on 2007-08-19
  9. Planet Ark : E.ON UK Plans Giant Battery to Store Wind Power
  10. Storing energy from the wind in compressed-air reservoirs Daniel Pendicka, The New Scientist Volume 195, Issue 2623, 29 September 2007, Pages 44-47 . Accessed December 2007
  11. http://www.thewhir.com/web-hosting-news/010810_Terremark_Installs_Space_Saving_Flywheel_UPS_in_New_Data_Center
  12. EDA - Electricidade dos Açores
  13. - Does a hydrogen economy make sense? Proceedings of IEEE 2006, Ulf Bossel.
  14. Introduction of Hydrogen Technologies to Ramea Island
  15. 1994 - ECN abstract
  16. International Energy Statistics
  17. Rastler et al. Electric Energy Storage Technology Options: A White Paper Primer on Applications, Costs, and Benefits. (Free download) EPRI, Palo Alto, CA, 2010. Accessed: 30 September 2011. ISBN 1020676
  18. http://www.doc.ic.ac.uk/~matti/ise2grp/energystorage_report/node6.html
  19. 19,0 19,1 First Hydro Dinorwig Power Station.
  20. Power Technology - Tianhuangping China Pumped-Storage Hydro Plant
  21. CIA - The World Factbook - China