Με βάση τις διάφορες μορφές αποθήκευσης ενέργειας,τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειαςμπορούν να χωριστούν σε πέντε κατηγορίες: τεχνολογία μηχανικής αποθήκευσης ενέργειας, τεχνολογία αποθήκευσης ηλεκτροχημικής ενέργειας, τεχνολογία αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, τεχνολογία αποθήκευσης χημικής ενέργειας και τεχνολογία αποθήκευσης θερμικής ενέργειας.
◇Τεχνολογία αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας
◇Τεχνολογία αποθήκευσης χημικής ενέργειας
◇Τεχνολογία θερμικής αποθήκευσης
Τεχνολογία μηχανικής αποθήκευσης ενέργειας
Όπως είναι γνωστό, υπάρχουν στη φύση διάφορες μορφές κινητικής και δυνητικής ενέργειας, όπως ρέον νερό, φυσικός άνεμος, παλίρροιες και κύματα. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες παράγουν επίσης μεγάλη κινητική και δυνητική ενέργεια, όπως η μετακίνηση ανθρώπων, οχημάτων, πλοίων και υγρών. Όλες αυτές οι ενέργειες, τόσο αυτές που παράγονται στη φύση όσο και εκείνες που παράγονται από ανθρώπινες δραστηριότητες, είναι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Η μηχανική ενέργεια είναι το άθροισμα της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας, ένα φυσικό μέγεθος που αντιπροσωπεύει την κατάσταση κίνησης και το ύψος ενός αντικειμένου. Η κινητική και η δυναμική ενέργεια ενός αντικειμένου μπορούν να μετατραπούν η μία στην άλλη. κατά τη διαδικασία αμοιβαίας μετατροπής μεταξύ κινητικής και δυναμικής ενέργειας, η συνολική ποσότητα της μηχανικής ενέργειας παραμένει σταθερή, δηλαδή διατηρείται η μηχανική ενέργεια.
Η μηχανική αποθήκευση ενέργειας είναι μια τεχνολογία που μετατρέπει την ενέργεια σε μηχανική ενέργεια για αποθήκευση και στη συνέχεια τη μετατρέπει ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια όταν χρειάζεται. Οι συνήθεις μέθοδοι αποθήκευσης μηχανικής ενέργειας περιλαμβάνουν την αποθήκευση αντλούμενης υδροηλεκτρικής ενέργειας, την αποθήκευση πεπιεσμένου αέρα και την αποθήκευση ενέργειας σφονδύλου. Οι τεχνολογίες μηχανικής αποθήκευσης ενέργειας έχουν συνήθως υψηλή πυκνότητα ισχύος, δυνατότητες γρήγορης απόκρισης και μεγάλη διάρκεια ζωής, γεγονός που τις καθιστά κατάλληλες για ρύθμιση του δικτύου και παροχή ρεύματος έκτακτης ανάγκης. Ο χρόνος και η κλίμακα αποθήκευσής τους ποικίλλουν ανάλογα με τη συγκεκριμένη τεχνολογία, κυμαίνονται από λεπτά έως ημέρες και μπορούν να καλύψουν διάφορες ανάγκες αποθήκευσης ενέργειας.
Αντλούμενη υδραυλική αποθήκευση:
Η αντλούμενη υδροηλεκτρική αποθήκευση είναι αυτή τη στιγμή η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας-μεγάλης κλίμακας. Χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για την άντληση νερού από μια δεξαμενή χαμηλού-επιπέδου σε μια δεξαμενή υψηλού-επιπέδου, αποθηκεύοντας τη δυνητική ενέργειά της. Κατά τις περιόδους αιχμής ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, το νερό απελευθερώνεται για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια μέσω στροβίλων. Αυτή η μέθοδος έχει σχετικά υψηλή απόδοση μετατροπής (συνήθως 70%–85%), είναι κατάλληλη για τη ρύθμιση διαφορών αιχμής-κοιλάδας στο ηλεκτρικό δίκτυο και προσφέρει μεγάλη χωρητικότητα αποθήκευσης και σταθερή λειτουργία.
Η αντλούμενη υδροηλεκτρική αποθήκευση χρησιμοποιείται συχνά για την υποστήριξη της ολοκλήρωσης του δικτύου ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, την εξισορρόπηση των διακυμάνσεων της προσφοράς και της ζήτησης και διαθέτει μεγάλη διάρκεια αποθήκευσης και ισχυρή εφεδρική ικανότητα. Η αρχή του φαίνεται στο Σχήμα 1-1.
Αποθήκευση ενέργειας πεπιεσμένου αέρα:
Η αποθήκευση ενέργειας πεπιεσμένου αέρα περιλαμβάνει τη συμπίεση του αέρα χρησιμοποιώντας έναν ηλεκτρικά κινούμενο συμπιεστή και την αποθήκευση του σε υπόγεια σπήλαια, δεξαμενές ή δοχεία πίεσης. Όταν η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνεται, ο αποθηκευμένος πεπιεσμένος αέρας απελευθερώνεται, θερμαίνεται και χρησιμοποιείται για την κίνηση ενός στροβίλου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η αποθήκευση ενέργειας πεπιεσμένου αέρα προσφέρει συνήθως μεγάλης-κλίμακας, μακροπρόθεσμης-δυνατότητες αποθήκευσης ενέργειας, με αποδόσεις που κυμαίνονται γενικά από 50% έως 70%. Αυτές οι αποδόσεις μπορούν να βελτιωθούν περαιτέρω όταν συνδυάζονται με τεχνολογίες ανάκτησης θερμότητας. Είναι κατάλληλο για ενοποίηση με-σταθμούς παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μεγάλης κλίμακας για τη βελτίωση της ευελιξίας και της σταθερότητας του δικτύου.
Αποθήκευση ενέργειας βολάν:
Η αποθήκευση ενέργειας στο σφόνδυλο χρησιμοποιεί έναν κινητήρα για να κινεί έναν σφόνδυλο με υψηλή ταχύτητα, μετατρέποντας την ηλεκτρική ενέργεια σε κινητική ενέργεια για αποθήκευση. Όταν χρειάζεται, ο σφόνδυλος χρησιμοποιεί μια γεννήτρια για να μετατρέψει την κινητική ενέργεια πίσω σε ηλεκτρική ενέργεια. Η τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας Flywheel είναι γνωστή για την εξαιρετικά γρήγορη ταχύτητα απόκρισης (συνήθως στο εύρος χιλιοστών του δευτερολέπτου) και την υψηλή διάρκεια ζωής (έως και εκατοντάδες χιλιάδες κύκλους), καθιστώντας την κατάλληλη για βραχυπρόθεσμα σενάρια αποθήκευσης ενέργειας υψηλής{{3}, όπως ρύθμιση συχνότητας δικτύου και αδιάλειπτα τροφοδοτικά (UPS). Η αποθήκευση ενέργειας του σφονδύλου έχει συνήθως υψηλή απόδοση μετατροπής, που φτάνει το 85%–95%, αλλά ο χρόνος αποθήκευσης είναι σχετικά σύντομος, συνήθως χρησιμοποιείται για την εξισορρόπηση βραχυπρόθεσμων-διακυμάνσεων ισχύος. Το σχήμα 1-2 δείχνει το σχηματικό διάγραμμα ενός συστήματος ισχύος αποθήκευσης ενέργειας σφονδύλου.
Τεχνολογία ηλεκτροχημικής αποθήκευσης ενέργειας
Η ηλεκτροχημική αποθήκευση ενέργειας είναι μια τεχνολογία που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική ενέργεια μέσω ηλεκτροχημικών αντιδράσεων, την αποθηκεύει και στη συνέχεια τη μετατρέπει ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια όταν χρειάζεται. Ο πυρήνας του είναι η αποθήκευση και η απελευθέρωση ενέργειας μέσω της διαδικασίας φόρτισης και εκφόρτισης των μπαταριών. Η τεχνολογία αποθήκευσης ηλεκτροχημικής ενέργειας έχει πλεονεκτήματα όπως γρήγορη ταχύτητα απόκρισης, υψηλή απόδοση, ευέλικτη εγκατάσταση και αρθρωτό σχεδιασμό, καθιστώντας την κατάλληλη για σενάρια όπως το δίκτυο ανανεώσιμων πηγών ενέργειας-ρύθμιση συνδεδεμένης συχνότητας, η ρύθμιση αιχμής-κοιλάδας και η παροχή ρεύματος έκτακτης ανάγκης. Επί του παρόντος, οι κύριες τεχνολογίες αποθήκευσης ηλεκτροχημικής ενέργειας περιλαμβάνουν μπαταρίες μολύβδου-οξέος, μπαταρίες νικελίου-υδριδίου μετάλλου, μπαταρίες ιόντων λιθίου-, μπαταρίες ιόντων νατρίου{{8} και μπαταρίες ροής, καθεμία με τη μοναδική της απόδοση, τα σενάρια εφαρμογής και τις δυνατότητες ανάπτυξης. Με την αυξανόμενη αναλογία ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, η αποθήκευση ηλεκτροχημικής ενέργειας διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στον μετασχηματισμό της παγκόσμιας ενεργειακής δομής και αποτελεί σημαντική εγγύηση για την επίτευξη ενός συστήματος καθαρού,{10}χαμηλών εκπομπών άνθρακα και ασφαλούς ενέργειας.
Μπαταρίες μολύβδου-οξέος:
Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος είναι μια μακροχρόνια-καθιερωμένη και ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνολογία αποθήκευσης ηλεκτροχημικής ενέργειας. Η αρχή τους περιλαμβάνει τη χρήση του μολύβδου και των οξειδίων του ως θετικών και αρνητικών υλικών ηλεκτροδίων, και του υδατικού διαλύματος θειικού οξέος ως ηλεκτρολύτη, για φόρτιση και εκφόρτιση μέσω μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος έχουν πλεονεκτήματα όπως χαμηλό κόστος παραγωγής, ώριμη τεχνολογία, υψηλή αξιοπιστία και ισχυρή αντίσταση σε υπερφόρτιση και υπερ-εκφόρτιση, και χρησιμοποιούνται ευρέως σε μπαταρίες εκκίνησης αυτοκινήτων, εφεδρικά τροφοδοτικά και συστήματα αποθήκευσης ενέργειας. Ωστόσο, οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος έχουν χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα, περιορισμένη διάρκεια ζωής και περιέχουν τοξικό μόλυβδο, ο οποίος μπορεί να μολύνει το περιβάλλον εάν απορριφθεί ακατάλληλα. Παρόλα αυτά, οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος εξακολουθούν να καταλαμβάνουν σημαντική θέση σε ορισμένα πεδία, ειδικά σε εφαρμογές που είναι ευαίσθητες στο κόστος. Στο μέλλον, η φιλική προς το περιβάλλον ανακύκλωση και η βελτίωση της απόδοσης των μπαταριών μολύβδου{12}οξέος θα είναι βασικές κατευθύνσεις για την ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας.
Μπαταρίες νικελίου-Υδριδίου μετάλλου (NiMH):
Οι μπαταρίες NiMH είναι μια ηλεκτροχημική τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιεί υδροξείδιο νικελίου ως θετικό ηλεκτρόδιο και υδρίδιο νικελίου ως αρνητικό ηλεκτρόδιο. Προσφέρουν πλεονεκτήματα όπως υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, φιλικότητα προς το περιβάλλον και μεγάλη διάρκεια ζωής. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μπαταρίες, οι μπαταρίες NiMH δεν έχουν τους χημικούς κινδύνους που σχετίζονται με το κάδμιο και το μολυβδαίνιο, γεγονός που τις καθιστά πιο φιλικές προς το περιβάλλον. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται ευρέως σε ηλεκτρικά εργαλεία, υβριδικά οχήματα και φορητές ηλεκτρονικές συσκευές. Έχουν επίσης υψηλή απόδοση εκφόρτισης-και μπορούν να λειτουργούν σταθερά σε διάφορα περιβάλλοντα. Βασικό χαρακτηριστικό των μπαταριών νικελίου είναι η ισχυρή υπερφόρτιση και η ανοχή υπερ{6}}εκφόρτισης, γεγονός που τις καθιστά εξαιρετικές σε εφαρμογές που απαιτούν συχνή φόρτιση και αποφόρτιση. Αν και η άνοδος των μπαταριών ιόντων λιθίου-τα τελευταία χρόνια έχει οδηγήσει σε μείωση του μεριδίου αγοράς των μπαταριών NiMH, εξακολουθούν να διατηρούν μια θέση σε συγκεκριμένους τομείς εφαρμογής.
Μπαταρίες ιόντων λιθίου-:
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου-είναι μια ηλεκτροχημική τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας που επιτυγχάνει φόρτιση και εκφόρτιση μέσω της εισαγωγής και εξαγωγής ιόντων λιθίου μεταξύ των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων. Το μικρό βάρος και η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα του λιθίου έχουν οδηγήσει στην ευρεία εφαρμογή των μπαταριών ιόντων λιθίου- σε φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, ηλεκτρικά οχήματα και αποθήκευση ανανεώσιμης ενέργειας. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου- προσφέρουν πλεονεκτήματα, όπως μεγάλη διάρκεια ζωής και χωρίς αποτέλεσμα μνήμης, αλλά έχουν επίσης ορισμένες ανησυχίες σχετικά με την ασφάλεια, όπως η θερμική διαρροή που προκαλείται από υπερφόρτιση και υπερ{5}}εκφόρτιση. Με τις τεχνολογικές εξελίξεις, η ασφάλεια και η ηλεκτροχημική απόδοση των μπαταριών ιόντων λιθίου- βελτιώνεται συνεχώς, ενώ το κόστος έχει μειωθεί, καθιστώντας τις μία από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας στην αγορά σήμερα. Στο μέλλον, η ανάπτυξη τεχνολογιών όπως οι ηλεκτρολύτες στερεάς κατάστασης και οι άνοδοι με βάση το πυρίτιο-αναμένονται να βελτιώσουν περαιτέρω την ηλεκτροχημική απόδοση και την ασφάλεια των μπαταριών ιόντων λιθίου-.
Μπαταρίες ιόντων νατρίου-:
Οι μπαταρίες ιόντων νατρίου- αποτελούν μια ταχέως αναπτυσσόμενη νέα τεχνολογία αποθήκευσης ηλεκτροχημικής ενέργειας τα τελευταία χρόνια. Η αρχή λειτουργίας τους είναι παρόμοια με αυτή των μπαταριών ιόντων λιθίου, όπου τα ιόντα λιθίου παρεμβάλλονται και αποσυμμειώνονται μεταξύ των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων για φόρτιση και εκφόρτιση. Τα πλεονεκτήματα των μπαταριών ιόντων νατρίου-βρίσκονται στην αφθονία και το χαμηλό κόστος των πόρων νατρίου και στην ανεξαρτησία τους από τους περιορισμούς των πόρων λιθίου, γεγονός που τις καθιστά ιδιαίτερα κατάλληλες για εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης κλίμακας. Αν και η ενεργειακή τους πυκνότητα είναι χαμηλότερη από αυτή των μπαταριών ιόντων λιθίου, οι μπαταρίες ιόντων νατρίου- παρουσιάζουν καλή απόδοση όσον αφορά τη σταθερότητα του κύκλου, την απόδοση σε χαμηλή-θερμοκρασία και την ασφάλεια, γεγονός που υπόσχεται πολλά για μελλοντική ανάπτυξη. Επί του παρόντος, η έρευνα για τις μπαταρίες ιόντων νατρίου{11}}επικεντρώνεται στη βελτίωση της ενεργειακής πυκνότητας, στην παράταση της διάρκειας ζωής του κύκλου και στη μείωση του κόστους κατασκευής. Με συνεχείς τεχνολογικές εξελίξεις, οι μπαταρίες ιόντων νατρίου{13}}αναμένονται να γίνουν μία από τις σημαντικές λύσεις για αποθήκευση ενέργειας μεγάλης κλίμακας στο μέλλον.
Μπαταρία ροής:
Οι μπαταρίες ροής είναι μια τεχνολογία ηλεκτροχημικής αποθήκευσης ενέργειας όπου ο ηλεκτρολύτης αποθηκεύεται σε μια εξωτερική δεξαμενή. Η αρχή τους περιλαμβάνει την αποθήκευση και την απελευθέρωση ενέργειας μέσω ηλεκτροχημικών αντιδράσεων μεταξύ δύο διαφορετικών ηλεκτρολυτών εντός της μπαταρίας. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό των μπαταριών ροής είναι η ανεξάρτητα ρυθμιζόμενη ενέργεια και ισχύς εξόδου τους. η χωρητικότητα αποθήκευσης μπορεί να επεκταθεί αυξάνοντας την ποσότητα του αποθηκευμένου ηλεκτρολύτη, καθιστώντας τους ιδιαίτερα κατάλληλους για εφαρμογές μεγάλης-κλίμακας, μακροπρόθεσμης- αποθήκευσης ενέργειας. Οι συνήθεις τύποι μπαταριών ροής περιλαμβάνουν μπαταρίες ροής οξειδοαναγωγής βαναδίου και μπαταρίες ροής ψευδαργύρου/βρωμίου. Οι μπαταρίες ροής προσφέρουν μεγάλη διάρκεια ζωής, καλή ασφάλεια και φιλικότητα προς το περιβάλλον, αλλά η αρχική τους επένδυση είναι υψηλή και το σύστημα μπαταριών είναι πολύπλοκο. Με τις τεχνολογικές εξελίξεις, το δυναμικό των μπαταριών ροής σε-αποθήκευση ενέργειας μεγάλης κλίμακας αναδεικνύεται σταδιακά, ειδικά σε εφαρμογές ολοκλήρωσης δικτύου ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ρύθμισης δικτύου.