Nimetumia masaa mengi sana kusoma karatasi nyeupe na karatasi maalum kuhusuhifadhi ya nishati. Na haya ndio niliyogundua: mazingira yote ni ya fujo na ya kuvutia zaidi kuliko nakala nyingi zinavyofanya isikike.
Kila mtu anazungumza juu ya betri. Inatosha-wako kila mahali sasa. Lakini uhifadhi wa nishati? Hayo ni mazungumzo makubwa zaidi. Tunazungumza juu ya kila kitu kutoka kwa mabwawa makubwa ya maji yaliyokaa juu ya vilele vya milima hadi hunki za chuma zinazozunguka kwenye vyumba vya utupu. Baadhi ya teknolojia hizi zimekuwepo tangu babu na babu yako-walipokuwa watoto. Nyingine zipo zaidi katika maabara na mawasilisho ya PowerPoint.
Acha nikuelekeze kwenye kile kilichopo.
Farasi Mzee wa Kazi Hakuna Anayemzungumzia
Hifadhi ya maji ya kusukuma. Inaonekana kuwa ya kuchosha, sawa? Hifadhi mbili katika miinuko tofauti, baadhi ya turbines, maji yanayotiririka juu na chini. Fizikia rahisi.
Lakini hili ndilo jambo-teknolojia hii "ya kuchosha" hushughulikia takriban 95% ya hifadhi ya nishati ya gridi-ulimwenguni kote. Asilimia - tisini na tano. Wakati watu wanajadili kemia za betri na kubishana kuhusu lithiamu dhidi ya sodiamu, hydro pumped hufanya kazi yake kwa utulivu chinichini.
dhana ni karibu aibu rahisi. Wakati umeme ni wa bei nafuu (kawaida usiku, au wakati jua linawaka na paneli za jua zinawaka), unasukuma maji kupanda kwenye hifadhi. Wakati bei zinapopanda au mahitaji yanapoongezeka, unaruhusu maji hayo kurudi nyuma kupitia turbines. Ufanisi huelea karibu 70-85%, ambayo si kamili, lakini uwezo wa kuhifadhi ni mkubwa. Tunazungumza kuhusu vifaa vinavyoweza kuhifadhi gigawati-saa za nishati. Sio saa za megawati{9}}. Saa za Gigawati{11}}. Jaribu kufanya hivyo na lithiamu-ion.
Bila shaka, kuna kukamata. Unahitaji jiografia. Unahitaji hifadhi mbili. Unahitaji tofauti ya mwinuko sahihi. Huwezi kabisa kujenga mojawapo ya hizi huko Kansas. Ruhusa ya mazingira pekee huchukua miaka. Na gharama za awali? Kiastronomia. Lakini mara tu zinapojengwa, mimea hii hudumu kwa miaka 50, 60, wakati mwingine miaka 80. Kituo cha Bath County huko Virginia kimekuwa kikifanya kazi tangu 1985 na haionyeshi dalili za kusimama.
Air Compressed: Njia ya Chini ya Ardhi
Hifadhi ya nishati ya hewa iliyobanwa (CAES) ni binamu wa ajabu wa hydro. Badala ya kuhamisha maji, unakandamiza hewa ndani ya mapango ya chini ya ardhi-makonde ya chumvi, sehemu za gesi asilia zilizopungua, chemichemi, miundo yoyote ya kijiolojia inayopatikana.
Wakati wa-saa za kilele, vibandiko vya kielektroniki husukuma hewa kwenye nafasi hizi za chini ya ardhi kwa migandamizo ambayo inaweza kufanya masikio yako kuibua tu kuzihusu. Unapohitaji nishati, hewa iliyobanwa hutolewa, kupashwa joto (kawaida kwa gesi asilia, ambayo sio-sehemu ya-ya kijani kibichi), na kupita kwenye mitambo.
Kuna mitambo miwili tu ya kibiashara ya CAES inayofanya kazi hivi sasa. Mbili. Moja nchini Ujerumani ambayo imekuwa ikifanya kazi tangu 1978, na moja huko Alabama kutoka 1991. Teknolojia inafanya kazi, kwa uwazi. Lakini mahitaji ya kijiolojia ni kali, na uchumi haujaandikishwa katika maeneo mengi. Bado, watafiti wanaendelea kufanyia kazi matoleo ya hali ya juu-mifumo ya adiabatic ambayo inanasa na kutumia tena joto kutokana na mgandamizo, hivyo basi kuondoa hitaji la gesi asilia. Hizi zipo zaidi katika miradi ya majaribio kwa sasa.
Flywheels: Uzuri Safi wa Mitambo
Nitakubali kuwa -flywheels ndio ninayopenda zaidi. Kuna jambo la kifahari kuhusu kuhifadhi nishati kama mwendo wa mzunguko.
Mfumo wa flywheel kimsingi ni rota nzito inayozunguka katika chumba cha utupu, iliyosimamishwa na fani za sumaku ili kupunguza msuguano. Unapokuwa na umeme wa ziada, motors huzunguka flywheel kwa kasi zaidi. Wakati unahitaji nguvu nyuma, kwamba molekuli inazunguka anatoa jenereta. Fizikia ni safi, angavu.
Flywheels hufaulu katika mambo ambayo betri huchukia: chaji ya haraka-mizunguko ya kutoa chaji, mamilioni ya mizunguko katika maisha yao yote, muda wa majibu ya papo hapo unaopimwa kwa milisekunde. Ni kamili kwa udhibiti wa marudio-marekebisho hayo madogo na ya mara kwa mara ambayo gridi inahitaji kusalia thabiti katika Hz 60 (au 50 Hz, kulingana na mahali unapoishi).
Hawafai kitu gani? Kuhifadhi nishati kwa muda mrefu. Hata kwa fani bora zaidi za sumaku na karibu-utupu kamili, flywheels hupoteza nishati kutokana na msuguano kadri muda unavyopita. Acha kikao kimoja kwa siku moja na umepoteza sehemu kubwa ya nishati uliyohifadhi. Acha kwa wiki na, vizuri, usijisumbue.
Kwa hivyo flywheels huchukua nafasi mahususi: muda-ufupi,{1}utumizi wa nguvu wa juu. Vituo vya data huzitumia kama nguvu za daraja wakati wa sekunde chache ambazo jenereta za dizeli huchukua. Baadhi ya mifumo ya usafiri wa umma hurejesha nishati ya kusimama kwenye flywheels na kuirudisha kwenye reli ya tatu ndani ya sekunde chache. NASA imecheza nao kwa vyombo vya anga.
Betri: Kitengo ambacho Kila Mtu Anajali Kwa Kweli
Sawa, wacha tuzungumze kuhusu betri. Chaguzi za electrochemical zimepuka katika miaka ya hivi karibuni, na kwa uaminifu hupata utata.
Lithium-ionihutawala mazungumzo kwa sababu nzuri. Msongamano mkubwa wa nishati unamaanisha kuhifadhi zaidi katika nafasi ndogo. Maisha ya mzunguko mzuri, haswa na kemia mpya. Gharama zimeshuka-kama, zimeshuka kwa 90% tangu 2010 aina ya kushuka. Simu yako, kompyuta yako ndogo, magari ya umeme, na kuongezeka kwa hifadhi ya gridi yote huendeshwa kwa tofauti za lithiamu{7}}ion.
Lakini "lithium-ion" si kitu kimoja. Ni familia. Fosfati ya chuma ya Lithium (LFP) hupoteza msongamano fulani wa nishati kwa usalama bora na maisha marefu-bila kobalti, jambo ambalo ni muhimu kimaadili na kiuchumi. Watengenezaji wa Uchina waliingia wote-katika LFP, na sasa inaanza. Wakati huo huo, nikeli-manganese-cobalt (NMC) hupakia nishati zaidi kwa kila kilo, jambo ambalo ni muhimu unapojaribu kulipatia gari la umeme kiwango cha kutosha.
Upande wa giza wa lithiamu-ioni? Kukimbia kwa joto. Betri hizi zinaweza kuwaka moto kwa mtindo wa kuvutia ikiwa zimeharibika, zimejaa chaji, au bahati mbaya tu. Utengenezaji unahitaji nishati-kubwa. Minyororo ya ugavi ya lithiamu na cobalt ina mizigo yao ya kimaadili. Na wakati miundombinu ya kuchakata tena inaboreshwa, betri nyingi zinazotumika bado huishia kwenye madampo.
Betri za mtiririkokuchukua mbinu tofauti kabisa. Badala ya kuhifadhi nishati katika electrodes imara, hutumia electrolytes kioevu katika mizinga ya nje. Je, unataka uwezo zaidi wa nishati? Pata tu mizinga mikubwa zaidi. Nguvu na nishati zimegawanywa, ambayo hubadilisha falsafa nzima ya muundo.
Betri za Vanadium redox (VRFBs) ndio toleo la kukomaa zaidi. Zinadumu milele-tunazungumza mizunguko 15,000 hadi 20,000, labda zaidi. Hakuna uharibifu kutoka kwa kutokwa kwa kina. Electroliti haichakai; inateleza tu na kurudi kupitia rundo la seli. Miaka 25-katika, unaweza kumwaga elektroliti, kuisafirisha mahali pengine na kuendelea kuitumia.
Lakini betri za mtiririko ni nyingi. Msongamano mdogo wa nishati inamaanisha kuwa hazina maana kwa magari au programu zinazobebeka. Vanadium pia sio nafuu. Kwa gridi-uhifadhi wa mizani ambapo alama ya miguu haijalishi na maisha marefu haijalishi? Wanazidi kuvutia.
Asidi- ya risasini betri ya asili inayoweza kuchajiwa, ambayo kimsingi haijabadilishwa tangu 1859. Gari lako linaanza na moja. Zina bei nafuu,-zinafahamika, na 98% zinaweza kutumika tena. Lakini maisha ya mzunguko ni ya wastani, msongamano wa nishati ni duni, na ni nzito. Kwa matumizi ya gridi ya taifa, kwa kiasi kikubwa yamebadilishwa, lakini bado yanatawala katika mifumo ya chelezo ya nishati ambapo gharama ni muhimu zaidi kuliko kila kitu kingine.
Ioni-ya sodiamuni mgeni kupata umakini mkubwa. Sodiamu iko kila mahali-kihalisi katika maji ya bahari-kwa hivyo wasiwasi wa msururu wa usambazaji hutoweka. Mchakato wa utengenezaji unaweza kutumia tena vifaa vilivyopo vya kiwanda vya lithiamu-ioni. Utendaji bado hauko katika viwango vya lithiamu-ioni, lakini unaziba mwanya haraka. CATL ilianza uzalishaji kwa wingi mwaka wa 2023. Katika muda wa miaka mitano, ioni ya sodiamu{9}} ingeweza kupata sehemu kubwa ya soko kwa hifadhi isiyobadilika.
Ninapaswa kutajanikeli-cadmium(bado inatumika katika matumizi ya viwandani, ingawa cadmium ni sumu na EU imeiwekea kikomo),nikeli-metali hidridi(kumbuka Prius kabla ya kwenda lithiamu?), Nasodiamu{{0}sulfuri(-mifumo ya halijoto ya juu ambayo kampuni za Japani zilisukuma sana miaka ya 2000). Lakini kwa wakati huu ninaorodhesha vitu ili tu kuorodhesha. Ukweli wa vitendo ni kwamba betri za lithiamu-ioni na mtiririko ndipo hatua ilipo,-ioni ya sodiamu inakuja kwa kasi.
Hifadhi ya Joto: Joto kama Betri
Hapa kuna kategoria ambayo haizingatiwi vya kutosha: kuhifadhi nishati kama joto (au baridi).
Uhifadhi wa chumvi iliyoyeyukani jinsi mitambo ya nishati ya jua iliyokolea inavyofanya kazi usiku. Vioo huelekeza mwanga wa jua kwenye mnara, na kupasha joto chumvi iliyoyeyuka hadi digrii 500-600. Chumvi hiyo huhifadhiwa kwenye tangi za maboksi, na unapohitaji umeme, unaitumia kutengeneza mvuke na kuendesha turbine. Kiwanda cha Gemasolar nchini Uhispania kinaweza kuzalisha nishati kwa saa 15 baada ya jua kutua. Matuta ya Crescent huko Nevada huhifadhi joto la kutosha kwa saa 10 za uzalishaji.
Jambo la kupendeza kuhusu chumvi iliyoyeyuka ni kwamba hifadhi ya joto ni nafuu. Njia ya bei nafuu kwa kWh kuliko betri. Jambo lisilopendeza-ni ufanisi wa-safari ya kwenda na kurudi-unapoteza mengi katika ubadilishaji kutoka joto hadi umeme na kurudi.
Hifadhi ya barafuni sawa na joto la wakati-kuhama. Majengo ya biashara hugandisha maji kwa usiku mmoja wakati viwango vya umeme ni vya chini, kisha tumia barafu hiyo kutoa hali ya hewa wakati wa kilele cha saa za alasiri. Sio ya kuvutia, lakini inafanya kazi. Disney World hutumia. Majengo mengi ya ofisi katika hali ya hewa ya joto huitumia. Unatumia barafu kama betri kwa mahitaji ya kupoeza.
Pia kuna dhana mpya zaidi:Betri za Carnotambayo huhifadhi umeme kama joto na kuirejesha kwa injini za joto, matangi ya maji moto wakati huo-kuhamisha joto la umeme, hifadhi ya mafuta ya msimu kwa maeneo yote ya jirani. Ulimwengu wa joto ni wa kina cha kushangaza.
Hidrojeni: The Wildcard
Hifadhi ya nishati ya hidrojeni ina watetezi wenye shauku na wakosoaji mkali, na kwa uaminifu, wote wana pointi halali.
Rufaa ni rahisi: tumia umeme wa ziada unaoweza kufanywa upya ili kugawanya maji katika hidrojeni na oksijeni (electrolysis). Hifadhi hidrojeni. Unapohitaji nguvu, endesha kupitia seli ya mafuta au uichome kwenye turbine. Haidrojeni inaweza kuhifadhi kiasi kikubwa cha nishati kwa muda mrefu sana-wiki, miezi, hata misimu.
Ukosoaji ni rahisi vile vile: ufanisi wa-safari ya kwenda na kurudi ni mbaya sana. Unapoteza 30% katika electrolysis. Unapoteza zaidi katika mgandamizo au liquefaction. Unapoteza zaidi kubadilisha kuwa umeme. Mwisho-hadi-mwisho, unaweza kurejeshewa 30-40% ya nishati yako asili. Linganisha hiyo na 85-90% kwa lithiamu-ion.
Kwa hivyo ni wakati gani hidrojeni ina maana? Wakati unahitaji kuhifadhi kiasi kikubwa cha nishati kwa muda mrefu. Unapoondoa kaboni michakato ya viwanda inayohitaji joto la juu. Wakati unahitaji carrier nishati ambayo inaweza kusafirishwa umbali mrefu. Wakati chaguzi zingine haziwezi kufanya kazi hiyo.
Ujerumani imeweka dau sana kwenye hidrojeni. Vivyo hivyo na Japan. Australia inaunda miundombinu ya usafirishaji kusafirisha haidrojeni ya kijani kibichi kwenda Asia. Iwapo dau hili litalipa inategemea gharama kushuka kwa kasi zaidi kuliko vile betri zinavyoboreka-na betri zinaboreshwa kwa haraka.
Mambo-Mafupi-ya Muda Mrefu zaidi
Supercapacitorskuhifadhi nishati kwa njia ya kielektroniki badala ya kielektroniki. Wanaweza kuchaji na kutokeza karibu mara moja, kushughulikia mamilioni ya mizunguko, na kutoa msongamano wa nguvu wa kipuuzi. Kitu ambacho hawawezi kufanya ni kuhifadhi nishati nyingi. Benki ya supercapacitor yenye ukubwa wa kontena la kusafirisha inaweza kuhifadhi kile ambacho kifurushi cha betri chenye ukubwa wa koti inashikilia.
Mawazo yao mazuri ni -milipuko mifupi zaidi: urekebishaji wa breki katika mifumo ya usafiri wa umma, kulainisha uwasilishaji wa nishati katika usakinishaji unaoweza kufanywa upya, kutoa mgawanyiko huo-wa pili wa nishati ambayo UPS inahitaji kabla ya betri kuchukua nafasi.
Superconducting uhifadhi wa nishati ya sumaku(SMES) ni ya kigeni zaidi. Hifadhi nishati katika uga wa sumaku ulioundwa na koili za upitishaji umeme zilizopozwa hadi halijoto ya cryogenic. Karibu-jibu la papo hapo, hakuna uharibifu, maisha ya mzunguko usio na kikomo. Lakini gharama na uchangamano wa kudumisha halijoto ya upitishaji joto zaidi zimeweka SMES katika matumizi maalum-hasa ubora wa nishati kwa vitambaa vya semicondukta na vifaa vingine ambapo hata kushuka kwa voltage kwa muda hugharimu mamilioni.
Hifadhi ya Mvuto: Wazo Jipya la Kale
Aina moja zaidi ya kutajwa: mifumo inayotegemea mvuto{{0}ambayo haina maji ya kusukumwa.
Vault ya Nishatihuunda mifumo ya korongo ambayo huweka na kubandua vizuizi vikubwa vya simiti. Inua vitalu wakati nishati ni ya bei nafuu, ipunguze kupitia jenereta wakati unahitaji nguvu. Ni pumped hydro bila maji, kimsingi.
Makampuni mengine yanachunguza migodi iliyotelekezwa-mizani ya chini chini ya shimoni, inyanyue juu. Au kusudi-kujenga minara. Au hata dhana zinazohusisha magari ya reli yaliyopakiwa na mawe kwenye njia zilizoelekezwa.
Baraza la majaji bado liko nje kuhusu kama hawa wanaweza kushindana kiuchumi. Msongamano wa nishati ya hifadhi ya mvuto ni wa chini-unahitaji uzito na urefu mwingi ili kuhifadhi nishati muhimu. Lakini watetezi wanabisha kuwa kutumia vifaa vya bei nafuu (saruji, changarawe) na ufundi rahisi kunaweza kushinda betri kwa gharama kwa{3}}programu za muda mrefu.
Kwa hiyo Ni Nini Kinachojalisha Kweli?
Ikiwa umesoma hadi sasa, unaweza kujiuliza: ni teknolojia gani inashinda?
Swali lisilo sahihi.
Hifadhi ya nishati si mshindi-kuchukua{1}}soko lote. Teknolojia tofauti zinafaa niches tofauti kulingana na muda, wakati wa majibu, eneo, muundo wa gharama na matumizi.
Je, unahitaji udhibiti wa masafa katika milisekunde? Flywheels au betri. Je, unahitaji saa nne za kuhifadhi nakala kwa mmea wa jua? Lithium-ioni au betri za mtiririko. Je, unahitaji kubadilisha ziada ya msimu inayoweza kurejeshwa? Labda hidrojeni, au hydro pumped kama jiografia inaruhusu. Je, unahitaji kupoza jengo wakati wa mahitaji ya kilele? Hifadhi ya barafu.
Gridi ya siku zijazo haitafanya kazi kwa kutumia teknolojia moja ya kuhifadhi. Itaweka tabaka la teknolojia nyingi-supercapacitor kwa majibu ya papo hapo, betri kwa dakika hadi saa, hidrojeni inayosukumwa kwa baiskeli ya kila siku, hidrojeni au mafuta kwa muda mrefu. Kila nafasi katika wigo wa muda inaweza kujazwa na teknolojia yoyote inayotoa uchumi bora kwa programu mahususi.
Sehemu ya kufurahisha ni kwamba gharama zinaanguka karibu na aina zote hizi. Gharama za betri{1}ioni za lithiamu zimepungua. Electrolyzers zinafuata mkondo sawa wa kujifunza. Uzalishaji wa mtiririko wa betri unaongezeka. Hata pumped hydro inaona uvumbuzi kwa-mifumo ya mizunguko iliyofungwa na hifadhi za chini ya ardhi.
Miaka kumi iliyopita, hakuna kati ya haya ilionekana kuwa na faida kiuchumi kwa kiwango. Sasa? Hifadhi ndiyo-sehemu inayokua kwa kasi zaidi ya sekta ya nishati.