谈到网格储存时,我们的电池很可怕。

完全由太阳能和风能供电的电网不适合目前的能源储存状态,因为太阳能和风能不能持续生产,它们无法调整以满足需求。也就是说,太阳能只能在无云的日子产生,风能只能在有风的时候产生。产量也不能增加,以在用电高峰时段为消费者提供更多的电力。那么,能源公司将如何通过可再生能源提供持续的电力供应呢?

如果我们将增加我们对太阳能和风能的依赖,那么电池将存储能量需要更好,快速。值得庆幸的是,许多新的(一些奇怪的)类型在作品中。

锂离子电池

锂离子是最常见的电池类型,但它变得更大,它变得越少。对于消费电子产品,锂离子电池足够好,因为它们可以快速充电,并且它们提供高能量密度,这意味着它们为其尺寸和重量提供了大量的功率。即使对于中型应用,如供电电动车,他们也完成了工作。

问题在于,要想从商业农场储存足够的太阳能和风能,就需要一个装满巨大电池的仓库。在这种规模下,两个问题变得显而易见。

循环稳定性

循环稳定性(PDF)定义为“…在其容量减少到其标称容量的一定数量(通常为50%到80%)之前的充放电循环次数。”对于锂离子,平均是1000个循环,从而降低了长期投资的可行性。

如此短暂的生命周期是由微小的变化在电极的物理结构中。由于锂离子在放电过程中从阳极转移到阴极,镍氧化物阳极受到不均匀的侵蚀,在充电过程中锂离子在阴极周围结晶。随着时间的推移,这些过程会大大降低电池的性能,特别是在高电压下。

热失控

根据一项本质上,“一旦发热率超过散热速度进入环境,细胞的温度就开始上升;此后,一系列有害事件在称为热失控的过程中传播。“

作者声称,在锂离子电池中,这个过程可以在90到120摄氏度之间开始,导致放热反应的正反馈循环。用于小型消费电子产品的电池有一些安全特性来防止这种情况一些事件仍然发生。

然而,电池越大,温度越高,使这种情况发生在大规模的太阳能和风能存储中的可能性要高得多。

尽管存在这些问题,但锂离子电池正在为大规模网格储存实施。最大的系统2月份在圣地亚哥上线,为2万人提供了4小时的电力。

特斯拉的锂离子PowerWall.旨在安装在住宅外壳中,但要充电需要个人的太阳能电池板,普通人伸出口。

新型电池

在锂离子电池不断改进的同时,如果我们要过渡到100%的可再生能源,我们需要更好的东西。

氧化还原流量电池(RFBS)

RFBS提供比锂离子电池更长的充电/放电循环,并且它们使用不可燃的电解质,导致许多人相信这些可能是溶液。

美国能源部建议(PDF)由于良好的电化学可逆性,RFBs提供了“很长的循环寿命(> 5000深循环)”,并且不会“产生火灾危险,不使用高反应性或毒性物质,最大限度地减少安全和环境问题。”

RFBS由两个单独的罐组成,该罐载有充电的钒原子,这是由于它们在一个以上状态存在的独特能力而使用。如图所示,这些被泵浦过电极,产生电荷此图(图2)

其他优点包括室温操作、高效率和可伸缩性。缺点是成本,因为钒不容易大量获得,而且解决方案需要特殊的聚合物来包含它们,尽管正在开发的方法使这些更经济有效。

石墨烯增强

首先在2004年孤立,石墨烯只是一个粗体原子厚,使其成为世界上最薄的材料。它也是化学惰性的,极良好的导体,灵活,轻质,比钢更强的200倍。研究人员在曼彻斯特大学,石墨烯首次被分离出来,认为它“可以使电池更轻,耐用,适合可再生发电的大容量能源存储。”

一些使用目前已经发现的包括增强可充电电池的阳极以提高电导率,以及使用氧化钒和石墨烯的混合材料来增强阴极,这有助于提高充放电速度和寿命。

然而,最令人兴奋的应用是石墨烯增强超级电容器。

超级电容器类似于电池,除了它在电场中的能量而不是化学形式。这允许超级电容器快速充电和放电并具有更长的寿命,尽管它们不能像典型的可充电电池存储一样,并且需要更大以存储等同的电荷。

通过使用石墨烯来改善超级电容器,它们将能够增加储存并降低其尺寸。Swinburne Micro-PhotoConics中心的研究员Han Lin博士,索赔“在这个过程中,没有离子产生或被杀死。它们通过充电和放电来维持,只是在移动。”

Graphene-info.com州,“石墨烯改进的性能从而使超级电容器和电池之间的传统区别线模糊。”

3D打印技术的进步使得研究人员可以打印石墨烯电极超级电容器,以及石墨烯气凝胶这“将有助于更好的能量储存、传感器、纳米电子学、催化和分离。”

丝网印刷电池

打印出来的能量这家澳大利亚公司“正在以一种薄而灵活的形式打印几乎可以适应任何形状的固态电池。”它们是一卷一卷的印刷过程,很像报纸,它们有广泛的应用。

“印刷电池的潜在应用范围包括为一次性医疗设备、传感器、物联网设备、智能卡、可穿戴电子产品和个人照明提供动力,以及与柔性太阳能电池板结合以帮助管理间歇性和能量存储等更大规模的应用。”

对于大型太阳能和风力存储,该想法是将电池贴到太阳能电池板或风力涡轮机,从而使它们成为发电机和电池。

纤维素

蔚山国立科学技术研究所的研究人员已经开始将纤维素——植物的原料——整合到电池中。他们利用这种植物物质在电极之间制造了一种纳米层,称为c-mat,以防止短路,减少泄漏电流,并在高温下增加容量保留。

一位主要的研究人员说“c-mat隔板预计将用于具有高温稳定性的下一代高性能电池——例如,用于电动汽车的大型电池和电网规模的电力存储系统。”

纤维素在电池中的许多其他用途目前正在研究中。

热能储存(TES)

TES是一种通过加热或冷却介质来储存多余太阳能的系统,以便以后使用。国际可再生能源机构表示,“TES在与聚光太阳能(CSP)发电厂结合的电能存储中变得尤为重要,在没有阳光的情况下,聚光太阳能可以储存热量用于发电。”

TES有三种类型:

  • 感热储存是最常见的,它通过加热或冷却像沙子、熔盐、岩石或水这样的物质来储存热能。
  • 除了使用相变材料外,潜热储存是相似的,除了它们从固体到液体或液体到气体时吸收巨大的能量。看着这张图(图1),在相变期间,在没有温度上升的情况下,能量存储能够增加,使该方法高效。
  • 热化学存储使用热能“推动可逆吸热化学反应,将能量作为化学潜力储存。”

抽水蓄能

这种方法利用多余的能量向山上抽水,并将其储存在水箱或水库中。当需要时,它被释放来推动涡轮机。

全国水电协会索赔“抽水蓄能能够对电网运行电量的变化做出几乎即时的反应,是国家电网的一个重要组成部分。”

这个方法已经找到了许多应用程序在全世界,虽然不是很有效率的时候与其他方法相比。“为了获得单个AA电池中存储的能量量,我们必须提升100kg(220磅)10 m(33英尺)匹配它。为了匹配一加仑汽油中所含的能量,我们必须举起13吨水(3500加仑)一公里(3280英尺)。

100%可再生能源

一篇论文最近发表在《焦耳》杂志上的一篇文章为139个国家提出了到2050年100%使用可再生能源的道路。作者们对他们的计划提出了几个重要的主张,比如避免300万到500万人死于空气污染,每年减少全球变暖的成本约28万亿美元,为40亿人提供充足的电力供应。

其中一个中央组件是存储可再生能源的能力。如果我们要转移到100%可再生能源,以上游戏变化的能量存储的例子需要成为商业上可行的。

Derejeb / Pond5提供的库存媒体

斯科特目前正在为联合国做研究和编辑工作。他最感兴趣的是可持续能源、全球政治和加密货币。在业余时间,他喜欢读书和户外活动。