Хранение электрической энергиив основном включает в себя суперконденсаторы для хранения энергии и сверхпроводящие устройства для хранения энергии. Первый хранит электрическую энергию в электрическом поле, а второй хранит электрическую энергию в магнитном поле. Накопление электрической энергии имеет значительные преимущества в плотности мощности и сроке службы, может уменьшить влияние мгновенных отключений электроэнергии, подавить низкочастотные колебания мощности в сети и улучшить характеристики напряжения и частоты.
Суперконденсаторное хранилище энергии
Суперконденсаторы, также известные как электрохимические конденсаторы, представляют собой устройства хранения энергии, которые накапливают энергию за счет накопления заряда на поверхности электрода. Их механизм хранения энергии отличается от традиционных батарей; они накапливают энергию посредством заряда, образованного двойным слоем на границе раздела электрод-электролит. Суперконденсаторы обладают чрезвычайно высокой удельной мощностью, сверх-длительным сроком службы и возможностью быстрого заряда-разряда, что позволяет найти широкое применение в электромобилях, системах рекуперативного торможения, резервных источниках питания и регулировании частоты сети. Однако плотность энергии суперконденсаторов относительно низка, намного ниже, чем у литий-ионных батарей, что делает их пригодными для применений, требующих краткосрочного-применения с высокой-мощностью. Ожидается, что в будущем, благодаря достижениям в области материаловедения, плотность энергии суперконденсаторов будет еще больше увеличиваться, тем самым расширяя их применение на рынке хранения энергии.
Суперконденсаторы можно разделить на три категории: электрические конденсаторы с двойным-слоем, конденсаторы Фарадея и гибридные суперконденсаторы. В электрических конденсаторах с двойным-слоем в качестве электродов используются углеродные материалы, где разделение зарядов происходит на границе раздела твердого тела-жидкости, образующегося при контакте с электролитом, создавая электрическую структуру с двойным-слоем. Эти конденсаторы подвергаются физическим процессам адсорбции и десорбции заряда во время зарядки и разрядки. Хотя электрические конденсаторы с двойным-слоем обладают высокой плотностью мощности и длительным сроком службы, их плотность энергии относительно низка. В настоящее время эти устройства нашли коммерческое применение.
В конденсаторах Фарадея в качестве электродных материалов используются оксиды металлов или проводящие полимеры, адсорбционная емкость которых формируется за счет окислительно-восстановительных реакций на поверхности и неглубоких объемных участках этих материалов. Принцип действия конденсаторов этого типа аналогичен процессу реакции в аккумуляторе; при одинаковой площади поверхности электродов он может обеспечить емкость в несколько раз большую, чем электрический двухслойный конденсатор. Однако с точки зрения мощностных характеристик, обеспечивающих мгновенный высокий-ток разряда и срок службы циклов, конденсаторы Фарадея не работают так же хорошо, как электрические конденсаторы с двойным-слоем. Кроме того, конденсаторы Фарадея также сталкиваются с такими проблемами, как высокие производственные затраты и еще не до конца развитая технология.
Гибридные суперконденсаторы известны своей высокой плотностью энергии и длительным сроком службы. Хотя в настоящее время они находятся на ранних стадиях коммерциализации, они обладают огромным потенциалом будущего развития.
Сверхпроводящее хранилище энергии
Сверхпроводящее накопление энергии – это технология хранения электромагнитной энергии, в которой для хранения электрической энергии в-свободном состоянии используются сверхпроводники. Его принцип работы заключается в создании сильного магнитного поля посредством постоянного тока в сверхпроводящей катушке, тем самым сохраняя энергию и высвобождая ее посредством разряда тока, когда это необходимо. Поскольку сверхпроводники не обладают сопротивлением при низких температурах, сверхпроводящие системы хранения энергии могут достигать чрезвычайно высокой эффективности заряда и разряда практически без потерь энергии. Кроме того, сверхпроводниковые накопители энергии имеют чрезвычайно быстрое время отклика, обеспечивая заряд и разряд за миллисекунды, что делает их пригодными для мгновенного регулирования напряжения и управления частотой в энергосистемах. Однако стоимость сверхпроводящих систем хранения энергии высока и в основном ограничивается разработкой сверхпроводящих материалов и технологий криогенного охлаждения. Таким образом, текущие приложения в основном сосредоточены в специальных областях, требующих высокой-мощности и кратковременного-аккумулирования энергии, таких как стабильность сети и военное оборудование.
Обычные сверхпроводящие материалы включают низко-сверхпроводники, такие как Nb-Ti и Nb3Sn, и высоко-сверхпроводники, такие как оксид иттрия, бария, меди (YBCO) и оксид висмута, стронция, кальция, меди (BSCCO). Высоко-сверхпроводники имеют более высокие критические температуры, чем низко-сверхпроводники, что снижает требования к охлаждению и делает сверхпроводящие системы хранения энергии более практичными и экономичными.