Освоения природных ENERGY

Перед солнечной и ветровой энергии могут широко использовать, способ хранения энергии, обеспечиваемой этими прерывистый источников и выпустив ее как возникает потребность должна быть разработана.

В течение последнего века, современное общество стало настолько зависимы от электроэнергии, что даже краткие перебои в результате случайных природных катастроф или сбоев системы рассматриваются как серьезные нарушения.

Тем не менее, уникальный характер электроэнергии должны быть приняты во внимание при анализе спроса и предложения. Электричество энергоносителей, и технологии, необходимые для сохранения ее в массовом масштабе пока не доступны на коммерческой продемонстрировали и экономические основы. В результате, электроэнергии производится по требованию и распространяется по передаче и распределению электроэнергии сетки.

Чем больше энергии осуществляется из нетрадиционных источников, таких как ветровая и солнечная электростанция-генерирующих мощностей, которые обеспечивают прерывистое сути власть, власть промышленность нуждается в некоторой типа надежный и экономичный механизм накопителя в соответствии потребительского спроса с блоком питания в реальном времени. Новые технологии должны быть включены, чтобы обеспечить адекватное и постоянное снабжение электроэнергии в любое время суток, круглый год, несмотря на изменчивость в энергоснабжении и потребительского спроса. В статье рассматриваются темы массового хранения электрической (также называемых массивных хранения электроэнергии, MES) в свете усиления роли возобновляемых источников энергии. записке (редактора: статья 1 этого следует.)

Источники энергии

Смотреть на различных источников энергии имеет важное значение для любого обсуждения энергетической политики.

Carbon. Наиболее распространенные источники энергии углеродного топлива, таких, как нефть, природный газ и уголь, которые составляют более 85% от потребности в первичной энергии в мире (рис. 1, на следующей странице). Тем не менее, ископаемого топлива конечны - добыча нефти может пика 2010, добыча природного газа может пика менее чем за 20 лет, а также большого количества угля в США, согласно прогнозам, хватит от 50 до 300 лет. Кроме того, независимо от шагов, которые происходят между начальным добыча и использование, сжигание ископаемого топлива релизы парниковых газов, прежде всего двуокиси углерода, в атмосферу.

Возобновляемые источники углерода имеют свои ограничения. Так, например, целлюлозного этанола в качестве топлива, в настоящее время получают много внимания, но требует большого количества биомассы. Энергии отдачи от энергии вложил (EROEI) для этанола составляет всего 1,34 (1), а также недостаточное количество пахотных земель и этических соображений, обсуждения питание-против-топлива дополнительные недостатки этой технологии.

Тем не менее, эти источники будут оставаться важным сочетание энергоснабжения в обозримом будущем. В зависимости от них в долгосрочной перспективе, однако, является нецелесообразным. Альтернативные источники энергии должны быть разработаны в активную образом, чтобы обеспечить, что экономика движется вперед с минимальным воздействием на окружающую среду.

Ядерного оружия. Наверное, наиболее спорным источником энергии сегодня является ядерной державой. Хотя энергия возможности ядерной энергетики может существенно сократить использование carbonbased источников, сопротивление общественности к радиоактивных отходов довольно высока.

Текущий АЭС вырабатывает энергию путем деления, при котором, как тяжелый атом урана делится на более мелкие атомы, высвобождая большое количество энергии. Две проблемы с этой технологией в том, что продукты реакции радиоактивных и должны быть утилизированы должным образом, и один из отходы, плутоний, могут быть использованы для производства ядерного оружия. Тем не менее, многие страны уже глядя на делении ядер, чтобы удовлетворить значительную часть своих потребностей в электроэнергии (рис. 2).

Хотя наука ядерного синтеза были известны на протяжении многих лет ученые пока не в состоянии контролировать термоядерных реакций для практического использования.

Возобновляемые источники энергии. Такие источники, как энергия ветра, солнца, приливной и геотермальной энергии не дают какой-либо парниковых газов и радиоактивных отходов. Их универсальность в сочетании с независимостью они предоставляют, а также их экологически чистой природы, причин содействовать их реализации как можно быстрее, чтобы обеспечить энергией будущие потребности потребителя будут удовлетворены, несмотря на неизбежное истощение углеродных источников энергии. Хорошая новость заключается в том, что эти источники имеются в больших количествах практически в каждом уголке земного шара.

Правительство США и в некоторых штатах были приняты или предлагаются субсидии и налоговые стимулы для разработки технологии и внести внедрения возобновляемых источников энергии, более экономичный и практически осуществимо из жизненного цикла и точки зрения производительности. Многие компании начали инвестировать в оба ветряных турбин и солнечных фотоэлектрических технологий, а также объявления о промышленных масштабах установки продолжится. Дальнейшие исследования и разработки позволят сократить капитальные затраты и увеличить преобразования энергии эффективности использования этих технологий.

Хранение вопросы

Одним из основных вопросов, связанных с возобновляемой альтернативы углеродного топлива является способность хранить энергию, пока это необходимо, так как все чистые источники перемежающийся характер. Хотя нефть могут быть сохранены в трубопровод или в больших цистернах и угля могут быть сохранены в кучу, прерывистый источников энергии требуется какое-то электричество системы хранения данных, аналогичный резервуар, так что власти могут быть направлены в случае необходимости, даже во время периоды, когда солнечный ветер или системы, основанные не смогли создать ее.

Хотя усилия в области развития в настоящее время, на данный момент никакого практического способа эффективно хранить огромные объемы электроэнергии.

Электротехника. Поскольку переход от одного вида энергии в другой всегда приводит к снижению общего содержания энергии (т.е. потери энергии), хранения электричество напрямую, как представляется, наиболее эффективным подходом. Простейшим способом будет использование конденсаторов, в которых хранится противоположные заряды на различных пластин или электродов, разделенных диэлектриком (изоляционные) материал. Когда энергия необходима, заряд освобождается от конденсатора предоставить необходимые тока. Тем не менее, конденсаторы не способна удерживать электрический заряд в течение длительного периода времени, и они имеют высокие капитальные затраты.

Достижения в области сверхпроводников на возможность, что замкнутой сверхпроводящей катушки можно было бы использовать для эффективного хранения циркулирующего тока до электричества необходимо, на котором контур будет открыт. Основным недостатком такого подхода является то, что эти сверхпроводники требуют температурах значительно ниже комнатной температуры (менее 150K). Связанных эффективность около 90%, но это не учитывать количество энергии, необходимые для запуска системы охлаждения, необходимых для достижения низких температур. До технического прогресса до такой степени, сверхпроводнике могут существовать, близкой к комнатной температуре, при разумной цене, это хранилище метод не считается основной соперник.

Другой подход мог бы использовать взаимосвязанный характер системы координат - мировой сетке, которая сама компенсирует поставки колебания, вызванные перерывами локализованных источников. При таком сценарии, государство в Азии, например, может обеспечить ночное время власти США, когда бывшие имеет солнечный свет, и наоборот. К сожалению, линия потерь от обычных электрических линий охватывающих глобальные расстояния делают этот подход чрезмерно неэффективно.

Аналогичная концепция, Континентальный SuperGrid. Было предложено несколько лет назад Чонси Старр, основатель и почетный президент электроэнергии научно-исследовательский институт (EPRI; Пало-Альто, Калифорния; <A HREF = "http://www.epri.com" целевых = "_blank" относительной = " NOFOLLOW "> <www.epri.com />). Старр, предусмотренных системой, в которой сверхпроводящих электрических линий, охлаждаемый жидким водородом будет перенос энергии от удаленного источника сайты в столичных районах, где нет традиционных потерь в электрической эффективности, что в результате сопротивления с использованием обычных линий передачи электроэнергии (2). Такой подход будет также рассмотреть вопрос о распределении водорода, если водородной экономики в транспортной отрасли должны быть реализованы. Тем не менее, в триллионы долларов на капиталовложениях необходимо будет включить эту идею в реальность.

Mechanical. Если хранения электроэнергии непосредственно не представляется возможным, то передачи электрической энергии в механическую может обеспечить разумную альтернативу. Механические хранения данных в этой категории включают маховики, сжатого газовых камерах, и перекачивается-гидро систем.

Маховики были вокруг в течение многих столетий. Однако, сам размер и / или количество маховиков, которые будут необходимы будут компенсировать присущие эффективности этой технологии.

Концепций, лежащих в основе сжатого газа и перекачивается-гидро технологии схожи тем, что оба хранят электрической энергии в виде потенциальной энергии в жидкости. Обе системы имеют относительно высокие туда-обратно эффективность - 70-75% для накачкой гидро-и 40-50% для сжатого воздуха. Удерживать их реализации, однако, является тот факт, что они зависят от наличия или географического геологических формациях; этот сайт-зависимость ограничивает их широкое применение. Когда подходящий сайт доступен, однако, их использование должно быть использовано, так как их эффективность их очень экономичный вариант.

"Термал". Еще одна технология рассматривается является использование тепловой энергии для хранения излишков электроэнергии. При таком подходе, электричество используется для производства тепла, которое хранится в виде пара (или другой жидкости), пока нет необходимости, на котором нагретой жидкости используется для производства электроэнергии.

Эта технология была успешно продемонстрирована кафедра солнечной энергии в два проекта в пустыне Мохаве в Калифорнии (3). Этот проект модернизированы Solar One установки для нагрева расплавленного нитрата соли из 500 ° F до 1050 ° F, что позволило производство электроэнергии сохранится в течение ночи и при пасмурном небе. Однако, более прогресса необходимы прежде эта технология может применяться в больших масштабах.

Chemical. Хранения потенциальной энергии химических связей, были известны на протяжении многих десятилетий, а может быть достигнута различными способами. Основными направлениями в настоящее время изучены гальванических элементов (батарей) и топливных элементов.

Батареи были использованы для более чем 200 лет, и хотя основные достижения в области аккумуляторных технологий значительно замедлились за последние 30 лет, инженерное сообщество продолжает искать текущих улучшений. На сегодняшний день, невозможность для коммерциализации легких батарей, которые могут занимать большое количество заряда, могут обеспечить постоянное напряжение, и может быть легко перезаряжается снизило перспективы аккумуляторных технологий становится практическим решением для крупномасштабных хранения electricity.However, многие исследователи ищут в сторону нанотехнологий событий, связанных с помощью современных приложений аккумулятора достижения жизнеспособного, commercialscale доступности.

Использование водорода в качестве энергоносителя-носителя (в дополнение к перевозке топлива) также рассматривается. Возможность для получения водорода из широкого спектра сырья и первичных источников энергии делает его привлекательным. Различные тепловые, электрохимических и биологических процессов производства водорода (табл. 1, на следующей странице), а также новые технологии продолжают открывать дополнительные возможности для будущего производства водорода.

Тем не менее, две проблемы должны быть решены до начала широкого применения водорода в качестве электрической энергии технологии хранения. Они включают в оба конца эффективность, связанная с преобразованием электроэнергии водорода и обратно в электричество, и неспособность эффективно хранить водород в сосуд с объемом производства энергии соотношение сопоставимо с petroleumbased для топлива. Последнее имеет важное значение в применении водорода к перевозке, где общий вес танка хранения резко снижает эффективность пробег транспортного средства.

В 2003 году Министерством энергетики США (DOE, Вашингтон, округ Колумбия, начали Водородные топливные инициативы (www. hydrogen.gov), с целью принятия практических и рентабельных автомобилей на топливных элементах для всеобщего обозрения в 2020 году. Его План состоит из четырех фаз охватывающих ближайшие 35 лет и за ее пределами (рис. 3).

Фаза I, который идет и может быть продлен до 2030 года, начинается с совместных исследований, разработок и демонстрации критических технологий пути. Он также предусматривает осуществление мер обеспечения безопасности до крупных инвестиций в инфраструктуру, а также одновременное развитие народного образования и кодексов и стандартов.

Фаза II начнется примерно в 2010 году и включает в себя переход от водородных технологий на рынок, чтобы удовлетворить требования потребителей. В ходе первого этапа III, начиная примерно с 2015, более крупные инвестиции в производство топлива клетки, а также производство и поставка ожидается, так как бизнес для водорода становится очевидным. Наконец, около 2030, в соответствии с НОО в водородных топливных инициативы, Фаза IV вступит в силу, так как полный водородной экономики реализуется (4).

Водородных топливных инициатива ставит перед собой амбициозные цели, но она является необходимым шагом на пути уменьшения зависимости мира от невозобновляемых источников энергии.

Устройства хранения

Тип массового хранения электрической, которая лучше всего подходит в дополнение к электросети сегодняшний до сих пор не определен. Перекачиваемая гидро может быть хорошим вариантом высокой энергии с точки зрения эффективности (с поездки в оба конца КПД около 70%) и капитальных вложений, однако он не является универсально применимым потому что сайт-специфических географических ограничений. Батареи и водорода и обладают свойствами, которые делают их очень привлекательными, но значительное необходимо провести дополнительную работу, чтобы и коммерчески жизнеспособными.

Аккумуляторы

Хотя батареи может достигать эффективности выше 90%, главным недостатком является большой объем, необходимый для хранения определенного количества энергии в результате их относительно низкой плотностью энергии (кВт / ч / м ^ 3 ^ SUP). Батареи плотности тока ограниченный - количество электрического заряда переданы пропорциональна площади электродов, с тем чтобы расширить электрического тока, аккумулятор, площадь пластин должна быть увеличена или нескольких батарей должны быть подключены параллельно. Для небольших устройств и приборов, батарей может быть очень полезным и практичным. Тем не менее, исследование Национальная лаборатория возобновляемой энергии (NREL; Boulder, CO) обнаружили, что современные технологии батарея не может доставить экономической полезности масштаба хранения или удовлетворения необходимых расходов и ряд целей для автомобильного путешествия (5).

Многие из недавних улучшений в технологии батареи относятся меньше количество энергии, что батареи можно хранить и более эффективное использование электроэнергии, что батареи обеспечивают. Новые технологические разработки, направленные на изменение неэффективное соотношение размеров за счет использования новых химических методов хранения и электродных материалов.

Общие технологии батареи, используемые сегодня (6):

* Полисульфидов метила потока аккумулятора (ПСБ). Эта модель использует обратимой электрохимической реакции между растворами солей брома натрия и полисульфидов разделены полимерной мембраной. Будучи потока аккумулятора, его энергии и оценки являются независимыми друг от друга. Чистый КПД аккумулятора ПСБ составляет около 75%.

* Ванадия окислительно-восстановительных потока аккумулятор (ВРБ). Сопряженных реакций ванадия окислительно-восстановительных состоится в мягкой растворе серной кислоты. Как и другие батареи потока, VRB батареи имеют независимые энергии и оценок, а также клетки разделены полимерной мембраной. Коэффициент полезного действия батареи, VRB может достигать 85%.

* Цинка бромный аккумулятор (ZnBr). Другой поток батарея с независимыми энергии и оценок, батарея работает ZnBr обратимой электрохимической реакции, в которых 2 электролитов обтекания углерод-пластиковых композитных электродов, разделенных микропористые мембраны полиолефина. Коэффициент полезного действия этой батареи составляет около 75%.

* Натрия серы аккумулятор (NAS). Расплавленная сера, и расплавленный натрия разделены твердых бета-глинозем керамический электролит и хранится около 300 ° C. Обратимой миграции ионов натрия обеспечивает напряжение через мембрану. Чистая эффективность составляет около 89%.

* Литий-ионный аккумулятор (Li-Ion). Это общее аккумулятор литированным катодом оксид металла, графитовых анодов углерода и электролита соли лития. Ее преимуществами являются высокая плотность энергии (130 кВт-ч / т), высокий КПД (около 100%), а также длительный жизненный цикл (3000 циклов при 80% разряде). Основной недостаток этой обратимой аккумулятор высокой расходы, связанные со специальной упаковкой и внутренней схемы завышенную защиты.

* Металл-воздух батареи. Это является самым компактным и экологически безопасным дизайном батареи, и это может быть наименее дорогостоящим. Тем не менее, перезарядка очень трудно и неэффективно. С жизненного цикла лишь несколько сотен, и КПД около 50%, он не может конкурировать с другими аккумуляторами. Благодаря высокой плотности энергии и низкая стоимость может сделать ее идеальной для многих приложений первичной батареи.

* Свинцово-кислотных аккумуляторов. Это один из самых старых технологий батареи. Это низкая стоимость, но ограничивается его сравнительно короткий жизненный цикл. Кроме того, количество энергии, свинцово-кислотная батарея может доставить не является фиксированным, а результат зависит от скорости разряда.

записке (редактора: данные, иллюстрирующие конфигурации можно найти в докладе, на котором основана данная статья, "Чистая источники энергии и массовых Электрические хранения", журнал инженерных и публичной политики, Vol. 11, <A HREF = "http:/ / www.wise-intern.org "целевых =" _blank "относительной =" NOFOLLOW "> www.wise-intern.org </ A>.)

Водород

Как уже отмечалось ранее, многие методы существуют для получения водорода из различных источников энергии, и эти методы имеют разные расходы. При прерывистой источников энергии в настоящее время эксплуатируются, электролиз технологию для производства водорода (рис. 4). Хотя попытки повысить эффективность электролизеров сегодняшнего ведутся, современных технологий, как правило, удалось достичь КПД 56-73% только (7).

Технология топливных элементов, перспективным в качестве замены для двигателя внутреннего сгорания. Электрохимических устройств, топливных элементов, вырабатывает электричество из внешнего источника топлива, таких, как водород. В частности, топливные элементы работы путем пропускания водорода через электрод, который лишает электрона от атома водорода в форме ионов водорода. Этот электрон затем проходит через внешнюю цепь, как электрический ток, который обеспечивает энергией, необходимой для полезной работы. Водородных ионов проходит через электролит и реагирует с кислородом и электронов с образованием воды, что исчерпаны из системы (рис. 5). Топливные элементы были рассмотрены в предыдущей статье КЭП (8).

Политические последствия

На национальном уровне, неизбежное движение энергии от углеродного топлива, таких, как нефть и природный газ, для очистки источников энергии, таких как энергия ветра основе и солнечной энергии, могут иметь целый ряд положительных результатов.

Наиболее очевидным было бы снижение зависимости от иностранной нефти. Это сделает США менее зависимыми от других стран, за топливо, а также уменьшить или устранить необходимость вовлечения в военные действия для защиты источников топлива. Это позволит устранить национальные интересы некоторых районах, где встречается с терроризмом и другими беспорядками и позволить США сосредоточить больше ресурсов на родину обороны стратегий.

Экономия затрат, связанных с сокращением иностранных военных столкновений позволит США будут выделять больше средств правительство области необходимо, и, возможно, поможет снизить налоги и / или государственного долга. Дополнительные средства могут быть выделены для сельскохозяйственных проектов, таких как повышение урожайности культур, которые используются как для продуктов питания и биотоплива, а также содействие созданию безопасных методов ведения сельского хозяйства, чтобы избежать создания нового "чаша пыли" в результате возросшего спроса на землю.

Во всем мире позитивное воздействие такого сдвига и связанных с сокращением выбросов парниковых газов может быть значительным. Совместные усилия, которые будут необходимы в этом направлении могло бы помочь восстановить и улучшить международные отношения, как страны объединить усилия для решения многих технических проблем. Если текущая ситуация с изменением климата могут быть уменьшены, это может проложить путь для более конструктивного подхода к решению питания и нехватки воды, две проблемы, которые, как ожидается, ухудшится, если глобальное потепление будет продолжаться.

Закрытие мысли

Несмотря на усилия к тому, чтобы сделать необходимые переходы чистых мира, например, создания более эффективной структуры, разработке более экономичных автомобилей, а также планирование более эффективным городских районах, эти усилия не достаточно. Дополнительная поддержка совместных исследований и разработок, связанных с массовым электрические механизмы хранения не требуется. Данная статья обсуждает эту тему дальше.

ЛИТЕРАТУРА

1. Shapouri, H., и др.. ", Энергетический баланс этанола из кукурузы: Обновить". Экономических аспектов сельского хозяйства Доклад № 814, Департамент США по сельскому хозяйству, Вашингтон, округ Колумбия (2002).

2. "Водород-электроэнергии SuperGrid," Электрические научно-исследовательский институт, Пало-Альто, Калифорния, <a target="_blank" href="http://www.epri.com" rel="nofollow"> www.epri.com </ A> (март 2006).

3. "История Solar Two," Кактус, Калифорнийский университет в Дэвисе, <a target="_blank" href="http://ucdms.uc-davis.edu/solar2/history.php" rel="nofollow"> HTTP : / / <ucdms.uc-davis.edu/solar2/history.php / A>.

4. Водород R

5. Kropski, Б. и др.., "Электролиз: Информация и возможности по производству электроэнергии". Национальная лаборатория возобновляемой энергии, Технический отчет NREL/TP-581-40605 (сентябрь 2006).

6. Аккумулирование энергии ассоциации, "Технологии", ЕКА, Морган Хилл. CA, <a target="_blank" href="http://electricitystorage.org/tech/technologies_technologies.htm" <rel="nofollow"> http://electricitystorage.org/tech/technologies_technologies.htm / A>.

7. Плющ, J., "Резюме электролитического производства водорода", Национальная лаборатория возобновляемой энергии, Milestone Доклад NREL/MP-560-36734 (сентябрь 2004).

8. Купер, HW ", топливных элементов, водородной экономике, и вы". Химреагент Eng. Прогресс, 103 (11), с. 34-43 (ноябрь 2007).

TRAVIS В. WALKER

Южная Дакота ШКОЛА МИН И ТЕХНОЛОГИИ

TRAVIS В. WALKER (<a href="mailto:traviswwalker@gniail.com"> <traviswwalker@gniail.com />) в настоящее время является старшим в Южной Дакоте Горной школы и технологии (SDSM