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储能技术

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在威尔士Ffestiniog抽水蓄能电站的Llyn Stwlan大坝。 较低的发电站有四台水轮机,可以在几个小时内产生总共360 MW的电力,这是人工储能和转换的一个例子。
在威尔士Ffestiniog抽水蓄能电站的Llyn Stwlan大坝。 较低的发电站有四台水轮机,可以在几个小时内产生总共360 MW的电力,这是人工储能和转换的一个例子。

储能储能技术指的是把能量储存起来,在需要时使用的技术。储能技术将较难储存的能源形式,转换成技术上较容易且成本低的形式储存起来。例如:太阳能热水器将光能(辐射)存在热水(热能)里,电池将电能存在电化学能里。

一般当可再生能源的发电占比低时(例如20%以下),原有电网中作为尖离峰用电调节的负载追随电厂英语Load following power plant(例如:燃气发电水力发电),可应付间歇性再生能源在供电量的变化。然而,当占比高到一定程度,就需要有额外的可以调节系统来维持供电平衡[1]。储能为其中一个重要的技术,另外还有需求侧管理英语Energy demand management以及电网互连英语Interconnector)。

储存能量有许多用途,例如:应急能源英语Emergency power system,也可以用于在电网负荷低的时候储能,在电网高负荷的时候输出能量,用于削峰填谷,减轻电网波动。储存能量有多种形式,包括机械能热能电化学能、化学的及电子[2] 。能量储存涉及将难以储存的形式的能量转换成更便利或经济可存储的形式。 大量储能目前主要由发电水坝组成,无论是传统的还是水泵抽水的。

每种技术适合储存的时间长短不一,例如:热水能存数小时,而氢气储能可存数天至数个月以上。目前大型储能英语bulk energy storage系统主要为水力发电抽蓄发电电网储能指的是用在电网的大型储能装置。

储能技术在日常生活中随处可见。蓄电池储存的电化学能,可以转换成电能供应电子产品使用。水库储存了水的重力位能,透过水力发电转换成电能。储冷系统利用离峰的电能制造冰块,储存起来的热能可在尖峰时使用降低制冷的用电。生物借由吸收太阳能生长,死亡后长期埋在地底下,转变后成为化石燃料食物储存了化学能,经过消化吸受后可供应人体热量。

历史

近期发展

在20世纪,电力系统主要是靠燃烧化石燃料来发电。当用电量改变时,发电量可透过减少燃料使用来调整。近年来,因为空气污染、进口能源依赖及全球暖化等议题,使得再生能源(如:风能太阳能)快速的发展[3]。然而,风力发电无法控制,发电时不一定在需要用电的时候。太阳能发电会受到云的遮蔽影响,且只有白天才能发电,无法供应晚上的尖峰用电(请参考鸭子曲线)。因此,随着再生能源的发展,能把间歇性能源存起来的技术,越来越受到重视[4]

21世纪以来,移动设备使用快速增加,使得电池相关的使用更普及。在全球偏远的地区,太阳能的使用越来越普遍[5]。是否有电能用,不再有技术上的限制,而是经济和财务上的问题[6]。随着电动车普及,短距离交通运输可不再依赖化石燃料,但在长距离运输(如:空运和海运)方向,相关技术还在发展中。

储存技术

机械能储能

能量可以利用机械的方式储存起来。例如:把水或重物移动到高处(位能),移动或转动物体(动能),或是压缩气体(内能)。目前发展较成熟的技有:

水力发电

水力发电利用水坝把水储存起来,利用水往下流时的动能推动涡轮发电。水力发电不同于抽水蓄能电站,没有储存来自电网的能源,而是减少离峰时的输出,所以没有抽水到水坝时的能量损失。水力发电的发电机组可以在短时间内(数分钟)启动[7]

抽水蓄能

位在加拿大尼亚加拉瀑布城 (安大略省)的水力发电站,包含一个大型储水库,在尖峰时可提供174MW的输出。
位在加拿大尼亚加拉瀑布城 (安大略省)的水力发电站,包含一个大型储水库,在尖峰时可提供174MW的输出。

抽水蓄能电站将重力势能储能在电力需求低的时候(如夜晚)用电把水抽上山顶,在电力需求高时(如中午或旁晚)放水推动轮机发电。一般轮机可逆向操作,可用来当发电机或是抽水,最常见的为法兰西斯式水轮机。抽水蓄能系统可分为两种:一种为利用两个有高低差的蓄水库作为储能,另一种是水力发电再搭配下流蓄水库作为储能。 根据2012年的统计,抽水蓄能占全球大型储能装置总容量的99%,其容量为127,000百万瓦。[8]实际能量转换效率在70%到80%之间[8][9][10][11],最高可达87%[12]

压缩空气储能

1928到1961年间,一个在矿坑内使用的无燃烧机动车
1928到1961年间,一个在矿坑内使用的无燃烧机动车

压缩空气储能技术利用将空气压缩来储存能量,在需要用电时,用压缩空气来推涡轮[13]。在大型的系统,压缩空气可被存在大型的底下的贮存空间里,例如:地下盐洞英语Salt dome 之中。可用来储存离峰时的电力,并在用电须求高时发电[14]。 当空气压缩时会产生热能,使其温度升高。当空气膨胀会吸热,如没有额外热能供应,其温度会下降。压缩空气储能技术依照热的处理可分成三大类:非绝热英语Diabatic绝热等温。传统的非绝热系统在发电时须要燃烧天燃气来必免过低的温度。绝热系统当将压缩产生的热能存起来,在膨胀使用,此方法可以增加效率[15]

压缩空气也可作为车辆的动力来源[16][17]。小型压缩空气系统,早期被用来作为无燃烧机动车英语Fireless locomotive的动力来源,被使用在煤矿内运行的车辆。

飞轮储能

图中为一级方程式赛车,车内动力回收系统使用的飞轮储能。在刹车时可回收动能并在加速时使用。
图中为一级方程式赛车,车内动力回收系统使用的飞轮储能。在刹车时可回收动能并在加速时使用。

飞轮储能利用电能将重物(飞轮)加速使其快速转动,利用能量守恒定律把能量存在物体的旋转动能中。其储存的动能可用来发电。

固体重力储能

固体重力储能利用电动机把固体重物的高度提升,在重物下降时,电动马达可逆向操作成为发电机,进而产生电力。研究指出此技术能在一秒钟内启动开始发电,因此可用稳定电网短时间内的波动[18]。其效率可达85%[19]


热储能

将能量以热的形式储存。

热储能形式

热能可以被储存在不同的储能材料中。储存热能的方式可分成三类:显热、潜热热化学[20]

季节性储能

在奥地利多瑙河畔克雷姆斯区域供热系统使用的大型储热装置,其储存容量为2,000 MWh
奥地利多瑙河畔克雷姆斯区域供热系统使用的大型储热装置,其储存容量为2,000 MWh

季节性热储能英语Seasonal thermal energy storage将热或冷从环境或是其它废热来源储存,到适当的季节再来使用。因为使用次频率低(一年一次)及储存的量很大,通常会成本低且用容易取得的材料或物质来储存。例如:湖水或地下水、底下土壤岩层、填充石头和水的坑、或是填水的废弃矿坑[21]。一般来说,季节性热储能系统(可使用20年以上)的设置要4到6年来回收成本[22]。例如:在加拿大阿尔伯特省的德雷特-兰丁太阳能社区英语Drake Landing Solar Community,车库屋顶上架设太阳热能收集器,并利用在地底下打入多个数米深的地孔,将主要在夏天收集的热能存在地下的土层里(参见地孔热能存储英语Borehole thermal energy storage),可供应97%一整年主要在冬天使用的热能[23][24][25]

空调储冰

空调储冰系统英语Ice storage air conditioning利用离峰电力当水冷冻成冰储存起来,在用电尖峰时利用冰融化要吸热的过程,做为空调来减少尖峰时的用电。

液态空气储能

液态空气储能利用离峰电力将空气液化并储存。在尖峰用电时,利用液化空气变回气体时的体积膨胀700倍来作功发电。2018年此技术在英国的示范厂开始运转(功率5 MW,储存量25 MWh)。2019年获得投资,在英国建设第一个大型储能厂(功率50 MW,储存量400 MWh)[26]

卡诺电池(热能储电)

卡诺电池英语Carnot battery将电以热能的方式储存,并利用朗肯循环或是布雷顿循环将热能转回为电能[27]。此技术被研究用来取代燃煤发电厂的燃煤锅炉,使其改为储存再生能源多余的电能,并用来发电。此方法的优点为可使用现有的发电设备。[28]


电化学储能

利用电化学反应来储存能量。

蓄电池

蓄电池组可用在资料中心的不断电系统中
蓄电池组可用在资料中心不断电系统

蓄电池:一般由多个电化电池组成,其使用可逆的电化学反应来储存电能,因可重复使用又称为二次电池。蓄电池可有不同的形状和大小,从钮扣电池到百万瓦的电网储能系统。和一次性(抛弃式)电池相比,蓄电池的总耗能和对环境的影响较低。蓄电池的初始成本较高,但其平均使用成本会随着使用次数增加而减少。常见的有:

  • 铅酸蓄电池为过去市占率最高的电池。单一电池在充电后的电压为2伏特,其负电极的和正电极的硫酸铅浸在稀释后的硫酸电解液)中。放电时,负电极会产生硫酸铅且产生水在电解液中。铅酸蓄电池因发展成熟而成本较低,但其使用寿命和能源密度较低[29]
  • 镍镉电池(NiCd):利用羟基氧化镍和金属做为电极。因为镉具有毒性,因此在2004年被欧盟禁用,且几乎被被镍氢电池取代。
  • 镍氢电池(NiMH):第一个商业化产品出现在1989年[30]。为常见消费者和工业使用的蓄电池之一。电池的负电极为可吸附氢的合金,而不是镉。

液流电池

液流电池利用两个化学溶液可透过薄膜作离子交换,来进行充电和放电[31][32]。电池的电压可由能斯特方程计算出来,一般在1.0到2.2伏特之间。此电池的特点在于,储存能量的多寡和溶液储存容量成正比,而电池功率和薄膜面积成正比。技术上,液流电池和燃料电池电化电池相似。可用在需要长期储能的应用,例如:电网备用电力。常见流液电池如全钒氧化还原液流电池

超级电容器

超级电容器又称为双电层电容器,不像传统的电化学电容器,它没有固态的介电质[33] 。其电容是由两种存储原理决定:双层电容和伪电容英语pseudocapacitance[34][35]。 超级电容器填补了传统电容和蓄电池在储存容量和功率之间的空缺。它有极高的能量密度,在1.2伏特下电容量可达10,000法拉[36],是电解电容的一万倍。但其功率密度只有电解电容的一半[33]


其它化学储能

能量可利用化学反应,储存在化学物质中。化石燃气为最常见的化学储能。近年电解制造氢气的氢技术成本降低,被视为大规模及长期储存间歇性可再生能源的决解方案[37]

电转气

电转气(英语:power to gas, P2G)利用电能来制造气体燃料,例如:氢气甲烷。常见的使有方法有三种,都会使用到电解制氢。第一种为利用电解制造氢气后,将其混入天然气的管线来传输和使用[38]。第二种方法将电解制造的氢气加上二氧化碳,透过甲烷化反应(例如:萨巴捷反应和生物甲烷化反应)产生甲烷,过程中会多损失8%的能量。产生的甲烷同样可混入天然气的管线。第三种方法,将生物燃气厂或木质燃气制造英语Wood gas generator厂制程产生的二氧化碳,与电解制造的氢结合而产生甲烷。电解时产生的热可用在生物燃气的制程,进而减少热能的使用。制造出的甲烷会和生物燃气混合。

储氢

储氢技术将能量以氢气的形式储存起来。最常见的制氢技术为电解水,产生的氢气可透过燃料电池转回电能。 氢气储能的往返效率较其他储能技术低。主要来自电解时的能量损失,以及储存时压缩或液化氢气的耗能。发电时还会有燃料电池的能量损失。[39] 氢气可大量储存在(希腊文)中,例如:地底洞穴盐洞英语Salt dome[40],采集完的油田天然气田[41]。在1980年代,美国德州已利用大型盐洞(直径49米、深300米)来储存氢气,可利用储量容量为2,520公吨氢气[42]

电转液

电转液(英语:power to liquid)利用类似电转气的方法,利用电解制造的氢气来合成液体燃料,如甲醇。液态燃料比气态燃料容易存放和运输,且安全性相对较高。可做为交通运输的燃料,例如:飞机燃料。也可以用在工业或是发电上。[43]

铝储能

纯铝和水反应后会产生氢气,可被用作储存能量的材料[44]。在使用前要先把铝表面的氧化铝层去除,并且把铝粉碎以增加和水的反应面积[45]。反应生成的氧化铝可由霍尔-埃鲁法制程来还原成铝。如还原的过程使用的能源来自太阳能或风力发电,可视为再生能源的储存[46] 。此技术还在早期的研究阶段。


电子储能

电感器本身就是一个储能原件,其储存的电能与自身的电感和流过它本身的电流的平方成正比:E = L*I*I/2。由于电感在常温下具有电阻,电阻要消耗能量,所以很多储能技术采用超导体。电感储能还不成熟,但也有应用的例子见报。

电容器

电容器电能储存在电场中的被动电子元件,其储存的电能与自身的电容和端电压的平方成正比: E = C*U*U/2。电容器的种类很多,但基本结构为两个导体介电质(例如:绝缘体)给隔开。当导体之间有电压差时,介电质上会产生电场。在移除外部电源后,其电场会不会消失因而储存了能量[47]。电容器常用在电子产品中做为暂时性的电池,其结构相对简单且成本低,但能量密度低(0.36kJ/kg),远不及一般的碱性电池(590kJ/kg)。电容储能能够提供瞬间大功率,非常适合于激光器,闪光灯等应用场合。

超导磁储能

超导磁储能利用在超导体线圈内产生直流电流,使能量储存在其产生的磁场中。超导磁储能系统通常包含了:超导线圈,电力调整系统,以及冷却系统。当超导线圈充电后,电流就不会衰减因此能量可一直被储存着[48]。然而需要有冷却系统,使超导线圈维持材料的临界温度以下的极低温环境中(参见超导现象)。

超导磁储能如果用在电网储能服务,在充放电时要用逆变器整流器作直流电和交流电之间的转换,其能量损耗各为2-3%左右。此系统的往返效率可高于95%,高于其它的储能系统[49]。因为冷却系统要使用额外的能量,且超导线圈成本较高,超导磁储能通常应用在短时间内要快速充放的服务,例如:电力品质英语Electric power quality的改善[注 2]和维持[48]

技术应用

储能技术的应用可大略分为:

家用储能

家用储能英语Home energy storage设备随着分散式发电(例如:屋顶型太阳能)的普及越来越常见[50]。 研究指出,一般住家要有储能设备,才能让用电自给率超过40%以上[50]。除此之外,随着智能电表的安装及浮动电价[注 3]的推动,家用储能设备(例:蓄电池、储存式电热水器储热电暖气英语Storage heater...等)可在电价低时储存能量,并在电价高时拿来使用,进而达到降低使用者的电费及电网调节的负担。

电网储能

电网储能的应用可依照储存时间的长短来区分。

  • 电力品质维持英语Ancillary services:在极短的时间(数毫秒致数内)依据电网的参数(如:频率、电压、波形)进行快速的充放电,依维持电力品质的稳定[51]。随着间歇性再生能源发电的增加,其不稳定的供电可能会造成电网品质下降。在传统的电力系统中,电力品质大多由燃气发电或水力发电来维持。随着风力和太阳能发电比例增加,需要有额外的设备来维持电网的品质。
  • 提供备转容量:依据电网供需的变化来增加增外的供电。当备转容量不足时,会在数分钟到小时内,供应一定的电力并维持一段时间(半小时到数小时)。
  • 调峰作业英语Peak shaving:通常在一天电力过多时充储存电能(例如:用电需求低或是再生能源发电量大),并再电力不足时供电。

空气调节

空气调节使用的冷或是热可被储存在储冷或是储热系统中。在热带地区,尖峰用电主要来自夏天空调的使用。储冷系统使用离峰电力(通常为半夜)制冷并存在储冷材料中(例如:冰水或冰块),在用电尖峰时取代空调用电。在2009年,储冷系统已经在35个国家3,300个建筑物中使用[52]。 最常见为储冰系统,将冷存在冰块中需要的储存空间比冰水还小,并利用融化后的水,透过管路系统送到需要冷的地方。

交通运输

液态碳氢化合物燃料(例如:汽油)为目前交通运输中最常见储存能量的方式。其次为近年开始普及的电动车。储氢有较高的能量密度,适合作为长距离交通工具的储能方式[53]。除了陆上的电动交通工具,在其它交通工具(例如:渡轮飞机)也开始发展电动系统以取代传统的燃料系统[54]

装置容量及效率

一般装置容量可分为输出入功率,以及储存容量[55][56]
输入和输出功率为单位数间内能存入或是释放的能量,常用单位为千瓦。储存容量(英语:Storage capacity)是指能量被储存后能够被使用的量,表示的单位通常为焦耳或是千瓦·时的倍数。有时会用储存时间(英语:Storage duration)来表示储存容量,其定义为能连续输出最大功率的时间,单位通常为小时。例如:一个10千瓦和40千瓦·时的储能装置有4小时的储存时间。
往返效率(英语:Round-trip efficiency)为一种计算储能技术能量转换效率的方法,其定义为:可使用的储存能量,除以储存时消耗的能量。

参见

注释

  1. ^ 在没有负载的情况下自行产生放电的反应。
  2. ^ 例如:维持电网的电压工频、和波形。
  3. ^ 浮动电价指的是电价会随着发电成本改变。在用电尖峰或再生能源发电量低时,发电成本较高,因此电价较高。

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储能技术
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