Baserat på de olika formerna av energilagring,energilagringsteknikkan delas in i fem kategorier: mekanisk energilagringsteknik, elektrokemisk energilagringsteknik, elektrisk energilagringsteknik, kemisk energilagringsteknik och termisk energilagringsteknik.
◇Teknik för lagring av elektrisk energi
Mekanisk energilagringsteknik
Som bekant finns olika former av kinetisk och potentiell energi i naturen, såsom strömmande vatten, naturlig vind, tidvatten och vågor; mänskliga aktiviteter genererar också en hel del kinetisk och potentiell energi, såsom rörliga människor, fordon, fartyg och vätskor. Alla dessa energier, både de som genereras i naturen och de som genereras av mänskliga aktiviteter, är förnybara energikällor. Mekanisk energi är summan av kinetisk och potentiell energi, en fysisk storhet som representerar ett objekts rörelsetillstånd och höjd över havet. Den kinetiska och potentiella energin hos ett objekt kan omvandlas till varandra; i processen för ömsesidig omvandling mellan kinetisk och potentiell energi förblir den totala mängden mekanisk energi konstant, det vill säga mekanisk energi bevaras.
Mekanisk energilagring är en teknik som omvandlar energi till mekanisk energi för lagring och sedan omvandlar den tillbaka till elektrisk energi vid behov. Vanliga mekaniska energilagringsmetoder inkluderar pumpad lagring av vattenkraft, lagring av tryckluft och lagring av svänghjulsenergi. Mekanisk energilagringsteknik har vanligtvis hög effekttäthet, snabb respons och lång livslängd, vilket gör dem lämpliga för nätreglering och nödströmförsörjning. Deras lagringstid och skala varierar beroende på den specifika tekniken, från minuter till dagar, och kan möta olika energilagringsbehov.
Pumpad hydrolagring:
Pumpad vattenlagring är för närvarande den mest använda storskaliga-energilagringstekniken. Den använder elektricitet för att pumpa vatten från en reservoar på låg-nivå till en reservoar på hög-nivå och lagrar dess potentiella energi. Under perioder med hög efterfrågan på el släpps vattnet ut för att generera el genom turbiner. Denna metod har en relativt hög konverteringseffektivitet (vanligtvis 70 %–85 %), är lämplig för att reglera topp-dalskillnader i elnätet och erbjuder stor lagringskapacitet och stabil drift.
Pumpad hydrolagring används ofta för att stödja integration av förnybar energi, balansera utbud och efterfrågan, och har lång lagringstid och stark reservkapacitet. Dess princip visas i figur 1-1.
Energilagring av tryckluft:
Lagring av tryckluftsenergi innebär att komprimera luft med hjälp av en elektriskt driven kompressor och lagra den i underjordiska grottor, tankar eller tryckkärl. När elbehovet ökar frigörs den lagrade tryckluften, värms upp och används för att driva en turbin för att generera el. Lagring av tryckluftsenergi erbjuder vanligtvis storskalig-, lång-energilagringskapacitet, med effektivitet som vanligtvis sträcker sig från 50 % till 70 %. Dessa effektivitetsvinster kan förbättras ytterligare när de kombineras med värmeåtervinningstekniker. Den är lämplig för integration med storskaliga-kraftverk för förnybar energi för att förbättra nätflexibiliteten och stabiliteten.
Lagring av svänghjulsenergi:
Svänghjulsenergilagring använder en motor för att driva ett svänghjul med hög hastighet, och omvandlar elektrisk energi till kinetisk energi för lagring. Vid behov använder svänghjulet en generator för att omvandla den kinetiska energin tillbaka till elektrisk energi. Tekniken för lagring av svänghjulsenergi är känd för sin extremt snabba svarshastighet (vanligtvis i millisekundersintervallet) och långa livslängd (upp till hundratusentals cykler), vilket gör den lämplig för kort-, hög-energilagringsscenarier, såsom nätfrekvensreglering och avbrottsfri strömförsörjning (UPS). Lagring av svänghjulsenergi har vanligtvis en hög omvandlingseffektivitet och når 85–95 %, men dess lagringstid är relativt kort, vanligen används för att balansera kortsiktiga-effektfluktuationer. Figur 1-2 visar schematiskt diagram över ett energilagringssystem för svänghjul.
Elektrokemisk energilagringsteknik
Elektrokemisk energilagring är en teknik som omvandlar elektrisk energi till kemisk energi genom elektrokemiska reaktioner, lagrar den och sedan omvandlar den tillbaka till elektrisk energi vid behov. Dess kärna är lagring och frigöring av energi genom laddning och urladdning av batterier. Elektrokemisk energilagringsteknik har fördelar som snabb svarshastighet, hög effektivitet, flexibel installation och modulär design, vilket gör den lämplig för scenarier som förnybart energinät-ansluten frekvensreglering, topp-dalreglering och nödströmförsörjning. För närvarande inkluderar vanliga elektrokemiska energilagringstekniker bly-syrabatterier, nickel-metallhydridbatterier, litium-jonbatterier, natrium-jonbatterier och flödesbatterier, alla med sin unika prestanda, tillämpningsscenarier och utvecklingspotential. Med den ökande andelen förnybar energi spelar elektrokemisk energilagring en avgörande roll i den globala energistrukturomvandlingen och är en viktig garanti för att uppnå ett rent,{10}}koldioxidsnålt och säkert energisystem.
Bly-syrabatterier:
Bly-syrabatterier är en sedan länge-etablerad och allmänt använd teknik för lagring av elektrokemisk energi. Deras princip innebär att man använder bly och dess oxider som positiva och negativa elektrodmaterial, och svavelsyravattenlösning som elektrolyt, för att ladda och ladda ur genom en elektrokemisk reaktion. Bly-syrabatterier har fördelar som låg produktionskostnad, mogen teknologi, hög tillförlitlighet och stark motståndskraft mot överladdning och över-urladdning, och används i stor utsträckning i startbatterier för bilar, reservkraftförsörjning och energilagringssystem. Däremot har bly-syrabatterier låg energitäthet, begränsad livslängd och innehåller giftigt bly, som kan förorena miljön om de kasseras på ett felaktigt sätt. Trots detta har bly-syrabatterier fortfarande en betydande position inom vissa områden, särskilt i kostnadskänsliga{10} applikationer. I framtiden kommer miljövänlig återvinning och prestandaförbättring av bly{12}}syrabatterier att vara nyckelriktlinjer för utvecklingen av denna teknik.
Nickel-Metal Hydride (NiMH) batterier:
NiMH-batterier är en elektrokemisk energilagringsteknik som använder nickelhydroxid som positiv elektrod och nickelhydrid som negativ elektrod. De erbjuder fördelar som hög energitäthet, miljövänlighet och lång livslängd. Jämfört med traditionella batterier har NiMH-batterier inte de kemiska farorna som är förknippade med kadmium och molybden, vilket gör dem mer miljövänliga. Därför används de i stor utsträckning i elverktyg, hybridfordon och bärbara elektroniska enheter. De har också hög laddnings-urladdningseffektivitet och kan fungera stabilt i olika miljöer. En viktig egenskap hos nickelbatterier är deras starka överladdning och över-urladdningstolerans, vilket gör dem utmärkta i applikationer som kräver frekvent laddning och urladdning. Även om ökningen av litium-jonbatterier de senaste åren har lett till en minskning av marknadsandelen för NiMH-batterier, har de fortfarande en plats i specifika applikationsområden.
Litium-jonbatterier:
Litium-jonbatterier är en elektrokemisk energilagringsteknik som åstadkommer laddning och urladdning genom insättning och extraktion av litiumjoner mellan de positiva och negativa elektroderna. Litiums låga vikt och höga energitäthet har lett till den utbredda tillämpningen av litium-jonbatterier i bärbara elektroniska enheter, elfordon och förnybar energilagring. Litium-jonbatterier erbjuder fördelar som lång livslängd och ingen minneseffekt, men de har också vissa säkerhetsproblem, som termisk rusning orsakad av överladdning och över-urladdning. Med tekniska framsteg har säkerheten och den elektrokemiska prestandan hos litium-jonbatterier kontinuerligt förbättrats, samtidigt som kostnaderna har minskat, vilket gör dem till ett av de mest använda energilagringsbatterierna på marknaden idag. I framtiden förväntas utvecklingen av tekniker som fast-elektrolyter och kisel{10}}baserade anoder ytterligare förbättra den elektrokemiska prestandan och säkerheten hos litium-jonbatterier.
Natrium-jonbatterier:
Natrium-jonbatterier är en ny teknik för lagring av elektrokemisk energi i snabb utveckling under de senaste åren. Deras funktionsprincip liknar den för litium-jonbatterier, där litiumjoner interkalerar och deinterkalerar mellan de positiva och negativa elektroderna för laddning och urladdning. Fördelarna med natrium-jonbatterier ligger i mängden och de låga kostnaderna för natriumresurser, och deras oberoende av litiumresursbegränsningar, vilket gör dem särskilt lämpliga för storskaliga energilagringstillämpningar. Även om deras energitäthet är lägre än för litium-jonbatterier, uppvisar natrium-jonbatterier goda prestanda när det gäller cykelstabilitet, prestanda vid låga-temperaturer och säkerhet, vilket visar mycket lovande för framtida utveckling. För närvarande fokuserar forskning på natrium-jonbatterier på att förbättra energitätheten, förlänga livslängden och minska tillverkningskostnaderna. Med ständiga tekniska framsteg förväntas natrium-jonbatterier bli en av de viktiga lösningarna för storskalig-energilagring i framtiden.
Flödesbatteri:
Flödesbatterier är en elektrokemisk energilagringsteknik där elektrolyten lagras i en extern tank. Deras princip innebär lagring och frigöring av energi genom elektrokemiska reaktioner mellan två olika elektrolyter i batteriet. En betydande egenskap hos flödesbatterier är deras oberoende justerbara energi och uteffekt; lagringskapaciteten kan utökas genom att öka mängden lagrad elektrolyt, vilket gör dem särskilt lämpade för stor-, långsiktig-energilagringstillämpningar. Vanliga typer av flödesbatterier inkluderar vanadin redox flödesbatterier och zink/brom flödesbatterier. Flow-batterier erbjuder lång livslängd, god säkerhet och miljövänlighet, men deras initiala investering är hög och batterisystemet är komplext. Med tekniska framsteg växer potentialen hos flödesbatterier i storskalig-energilagring gradvis fram, särskilt i tillämpningar för integrering av nät för förnybar energi och nätreglering.