ระบบกักเก็บพลังงานต่างๆ เปรียบเทียบกันอย่างไร?

 

 

ฉันใช้เวลาหลายชั่วโมงมากเกินไปในการดำดิ่งลงไปเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงาน. จริงๆ แล้ว สิ่งที่เริ่มมาจากความอยากรู้เกี่ยวกับการตั้งค่าแบตเตอรี่ของเพื่อนบ้านกลับกลายมาเป็นความหลงใหล นี่คือสิ่งที่ฉันคิดออก-และเชื่อฉันเถอะ บางสิ่งทำให้ฉันประหลาดใจ

ภูมิทัศน์มีการเปลี่ยนแปลงอย่างมาก เมื่อห้าปีก่อน โดยพื้นฐานแล้วเรากำลังพูดถึงลิเธียม-ไอออนและพลังน้ำแบบสูบ นั่นก็คือมัน ตอนนี้? ตัวเลือกมีแทบจะล้นหลาม

เรื่องราวของลิเธียม-ไอออน

ทุกคนรู้จักลิเธียม-ไอออน โทรศัพท์ แล็ปท็อปของคุณ บางทีรถของคุณ-มีอยู่ทุกที่ แต่สิ่งที่น่าสนใจสำหรับกริด-สเกลและการใช้งานที่บ้านมีดังนี้

ความหนาแน่นของพลังงานนั้นน่าทึ่งมาก เรากำลังพูดถึง 150-250 Wh/kg ซึ่งหมายความว่าคุณสามารถบรรจุความจุขนาดใหญ่ลงในหน่วยที่มีขนาดกะทัดรัดได้ เปรียบเทียบกับกรดตะกั่ว-ที่ประมาณ 35-40 Wh/kg แล้วคุณจะเริ่มเข้าใจว่าทำไมลิเธียมไอออนจึงเข้ามาแทนที่อย่างรวดเร็ว มันไม่ได้อยู่ใกล้เลย

ประสิทธิภาพไปกลับ-อยู่ที่ประมาณ 85-95% นั่นเป็นเรื่องสำคัญ ทุกๆ 100 กิโลวัตต์ชั่วโมงที่คุณใส่เข้าไป คุณจะได้รับพลังงานสำรอง 85-95 หน่วย พลังงานที่เหลือจะกลายเป็นความร้อน ซึ่งเป็นสาเหตุที่การจัดการระบายความร้อนมีความสำคัญอย่างมากในระบบเหล่านี้ ฉันเคยเห็นการติดตั้งที่การระบายความร้อนไม่ดีทำให้ประสิทธิภาพลดลง 10-15 เปอร์เซ็นต์ ความผิดพลาดราคาแพง

อายุการใช้งานของวงจรจะแตกต่างกันไปมากขึ้นอยู่กับเคมีและรูปแบบการใช้งาน เซลล์ LFP (ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต) สามารถทำงานได้ 4,000-6,000 รอบที่ความลึก 80% เอ็นเอ็มซี เคมี? มากกว่า 1,500-2,000 ภายใต้เงื่อนไขที่คล้ายคลึงกัน ความแตกต่างนั้นสำคัญเมื่อคุณคำนวณมูลค่าตลอดอายุการใช้งาน

เส้นโค้งการย่อยสลายเป็นสิ่งที่ผู้ผลิตไม่ได้ให้ความสำคัญเสมอไป คุณจะสูญเสียความจุประมาณ 2-3% ต่อปีแม้จะมีการใช้งานที่เหมาะสมที่สุดก็ตาม หลังจากผ่านไปหนึ่งทศวรรษ แบตเตอรี่ขนาด 10 kWh นั้นก็จะกลายเป็นแบตเตอรี่ขนาด 8 kWh จริงๆ วางแผนตามนั้น

Flow แบตเตอรี่: ตัวเลือกที่ประเมินค่าต่ำเกินไป

ฉันยอมรับว่าฉันประเมินแบตเตอรี่ไหลต่ำไปเป็นเวลาหลายปี ดูเหมือนเป็นเทคโนโลยีเฉพาะที่จะไม่มีวันขยายขนาดได้จริงๆ ฉันผิด.

แนวคิดนี้งดงาม: สารละลายอิเล็กโทรไลต์สองตัวเก็บไว้ในถังแยกกัน และสูบผ่านปึกเซลล์เพื่อแลกเปลี่ยนไอออนผ่านเมมเบรน กำลังขับขึ้นอยู่กับขนาดสแต็ก ความจุพลังงานขึ้นอยู่กับขนาดถัง คุณสามารถปรับขนาดได้อย่างอิสระ-ซึ่งมีประโยชน์อย่างแท้จริงสำหรับบางแอปพลิเคชัน

แบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์โฟลว์ (VRFB) ครองตลาดการค้าอยู่ในขณะนี้ ประสิทธิภาพการไปกลับ-ต่ำกว่าลิเธียม-ไอออน-โดยทั่วไปคือ 65-75%-แต่ประเด็นสำคัญคือ อิเล็กโทรไลต์ไม่ลดประสิทธิภาพการทำงานของอิเล็กโทรดลิเธียมไอออน ผู้ผลิตบางรายอ้างสิทธิ์ 20,000+ รอบโดยมีการสูญเสียกำลังการผลิตน้อยที่สุด อิเล็กโทรไลต์สามารถรีไซเคิลได้เกือบจะไม่มีกำหนด

แม้ว่ารอยเท้าจะมีนัยสำคัญก็ตาม คุณต้องการพื้นที่สำหรับถัง ปั๊ม ชั้นวางเซลล์ ระบบทำความเย็น สำหรับการติดตั้งสาธารณูปโภค-ในมาตราส่วนที่มีข้อกำหนดระยะเวลา 4+ ชั่วโมง เศรษฐศาสตร์เริ่มดูน่าสนใจ สำหรับอยู่อาศัย? ไม่ในทางปฏิบัติ อย่างน้อยก็ยังไม่ได้

Pumped Hydro: ยังคงเป็นยักษ์

นี่คือสิ่งที่ฉันต้องใช้เวลา เนื่องจากพลังน้ำที่ถูกสูบถูกมองข้ามในการอภิปรายเกี่ยวกับการจัดเก็บพลังงานที่ทันสมัย ​​และนั่นเป็นความผิดพลาด

ทั่วโลก พลังน้ำที่ถูกสูบคิดเป็นประมาณ 95% ของความจุของโครงข่ายกริดที่ติดตั้ง- ปล่อยให้มันจมลงไป พาดหัวข่าวเกี่ยวกับลิเธียม-ไอออนทั้งหมด ข่าวประชาสัมพันธ์เกี่ยวกับ Flow Battery ทั้งหมด-กำลังแข่งขันกันเพื่อแย่งชิง 5% ที่เหลือ ตัวเลขดังกล่าวน่าตกใจ: มีกำลังการผลิตพลังน้ำที่ถูกสูบทั่วโลกมากกว่า 160 GW โดยจัดเก็บพลังงานที่วัดได้ในหลายร้อย GWh

หลักการไม่มีอะไรจะง่ายไปกว่านี้แล้ว ปั๊มน้ำขึ้นเนินเมื่อไฟฟ้าถูกหรือมีปริมาณมาก ปล่อยให้มันไหลกลับลงมาผ่านกังหันเมื่อคุณต้องการพลังงาน พลังงานศักย์โน้มถ่วง กักเก็บและปล่อยออกมา ไม่มีวัสดุที่แปลกใหม่ ไม่มีเคมีที่ซับซ้อน ไม่ต้องกังวลเรื่องการย่อยสลายตามความหมายดั้งเดิม

ประสิทธิภาพไปกลับ-มีตั้งแต่ 70-85% ขึ้นอยู่กับการออกแบบการติดตั้ง ไม่สูงเท่ากับลิเธียม-แต่สามารถแข่งขันกับแบตเตอรี่แบบโฟลว์ได้ และสิ่งสำคัญคือ: ระบบมีอายุการใช้งานยาวนาน สถานีจัดเก็บแบบสูบน้ำของ Bath County ในรัฐเวอร์จิเนีย เปิดดำเนินการมาตั้งแต่ปี 1985 เกือบสี่ทศวรรษของการดำเนินงานที่เชื่อถือได้ ลองหาแบตเตอรี่อายุ 40 ปีที่ยังใช้งานได้

เวลาตอบสนองได้รับการปรับปรุงอย่างมากด้วยกังหัน-ปั๊มความเร็ว-ที่แปรผัน การติดตั้งสมัยใหม่สามารถเปลี่ยนจากศูนย์ไปเป็นเอาต์พุตเต็มรูปแบบได้ภายในเวลาไม่ถึงสองนาที ซึ่งเร็วพอสำหรับความต้องการการรักษาเสถียรภาพของกริดส่วนใหญ่

ข้อจำกัดที่ชัดเจนคือภูมิศาสตร์ คุณต้องการความแตกต่างของระดับความสูงและน้ำ ไซต์ที่เหมาะสมจำนวนมากได้รับการพัฒนาแล้วในสถานที่ต่างๆ เช่น นอร์เวย์ สวิตเซอร์แลนด์ และบางส่วนของสหรัฐอเมริกา แต่-และนี่น่าทึ่งมาก-มีความสนใจเพิ่มขึ้นในระบบ-ระบบวงปิดที่ไม่พึ่งพาแหล่งน้ำธรรมชาติ เหมืองที่ถูกทิ้งร้าง -โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อสร้างอ่างเก็บน้ำ แม้กระทั่งถ้ำใต้ดิน

ต้นทุนการก่อสร้างยังคงสูง เรากำลังพูดถึงเรื่องเงินหลายพันล้านดอลลาร์สำหรับการติดตั้งครั้งใหญ่และกำหนดเวลาเป็นปีหรือหลายทศวรรษ การลงทุนที่เน้นส่วนหน้า-นั้นเป็นอุปสรรคหลักต่อการพัฒนาใหม่ ไม่ใช่ข้อจำกัดทางเทคนิค

อากาศอัด

CAES-การจัดเก็บพลังงานลมอัด ปัจจุบันมีโรงงานขนาดใหญ่-เพียงสองแห่งเท่านั้นที่ดำเนินการ: Huntorf ในเยอรมนี (ตั้งแต่ปี 1978) และ McIntosh ในแอละแบมา (ตั้งแต่ปี 1991) ทั้งสองใช้ถ้ำเกลือใต้ดิน ประสิทธิภาพอยู่ที่ประมาณ 40-50% สำหรับการออกแบบอะเดียแบติกแบบดั้งเดิม แม้ว่าวิธีการรักษาอุณหภูมิคงที่ขั้นสูงจะรับประกันได้ถึง 70%+. เทคโนโลยีที่น่าสนใจ และการใช้งานที่จำกัด เดินหน้าต่อไป

คำถามไฮโดรเจน

ฉันกลับไปกลับมาเกี่ยวกับไฮโดรเจน บางวันฉันคิดว่านี่คืออนาคตของการจัดเก็บข้อมูลระยะยาว- วันอื่นๆ การสูญเสียประสิทธิภาพดูเหมือนจะผ่านไม่ได้

นี่คือคณิตศาสตร์พื้นฐานที่ทำให้ผู้คนสับสน อิเล็กโทรไลซิสทำงานที่ประสิทธิภาพประมาณ 60-80% การบีบอัดหรือการทำให้เป็นของเหลวต้องใช้พลังงานอีกก้อนหนึ่ง เมื่อคุณแปลงกลับเป็นไฟฟ้าผ่านเซลล์เชื้อเพลิง คุณกำลังดูประสิทธิภาพที่ 40-60% นำมารวมกันและประสิทธิภาพไปกลับจะอยู่ที่ประมาณ 25-45% นั่น... ไม่ดีเลย

แต่ประสิทธิภาพไม่ใช่ทุกอย่าง ไฮโดรเจนนำเสนอสิ่งที่เทคโนโลยีอื่นไม่สามารถทำได้: การจัดเก็บตามฤดูกาลอย่างแท้จริงโดยไม่มีการย่อยสลาย ผลิตไฮโดรเจนในฤดูร้อนเมื่อพลังงานแสงอาทิตย์ถึงจุดสูงสุด เก็บไว้ในถ้ำหรือถังใต้ดิน และใช้ในช่วงฤดูหนาวเมื่อมีความต้องการพุ่งสูงขึ้น อิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่แบบไหลจะยังคงทำงานหลังจากไม่ได้ใช้งานเป็นเวลาหกเดือน แต่ไฮโดรเจนก็... ยังคงอยู่ตรงนั้น ไม่ต้องกังวลเรื่องการปลดปล่อยตัวเอง-

ข้อดีอีกอย่างคือความคล่องตัว ไฮโดรเจนที่สะสมไว้สามารถกลายเป็นไฟฟ้าได้อีกครั้งใช่ แต่ยังสามารถป้อนเข้าสู่กระบวนการทางอุตสาหกรรม ยานพาหนะที่ใช้เชื้อเพลิง หรือสร้างความร้อนได้อีกด้วย ทางเลือกนั้นมีคุณค่าที่แท้จริง แม้ว่าจะวัดปริมาณได้ยากก็ตาม

หมายเหตุด่วนเกี่ยวกับมู่เล่

เกือบลืมมู่เล่ พวกมันเก็บพลังงานจลน์ไว้ในโรเตอร์ที่หมุนอยู่-โดยปกติแล้วคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ที่ทำงานในสุญญากาศเพื่อลดแรงเสียดทาน เวลาตอบสนองจะเกิดขึ้นทันที ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับการควบคุมความถี่ แต่ความจุพลังงานมีจำกัด คุณกำลังดูพื้นที่จัดเก็บเป็นนาที ไม่ใช่ชั่วโมง Beacon Power ดำเนินกิจการโรงงานขนาด 20 เมกะวัตต์ในนิวยอร์กซึ่งมีการควบคุมความถี่ได้อย่างสวยงาม สำหรับการจัดเก็บจำนวนมาก? มองหาที่อื่น

การจัดเก็บความร้อนเริ่มน่าสนใจ

เกลือหลอมเหลว ทรายร้อน ของเหลวแช่แข็ง น้ำแข็ง-มีความหลากหลายมากกว่าที่ผู้คนจะตระหนัก

โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบเข้มข้นใช้แหล่งเก็บเกลือหลอมเหลวมานานหลายปี โรงงาน Gemasolar ในสเปนสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้นานถึง 15 ชั่วโมงโดยไม่ต้องถูกแสงแดดโดยตรง โดยใช้ความร้อนที่เก็บไว้ในเกลือไนเตรตหลอมเหลวที่อุณหภูมิประมาณ 565 องศา เป็นเทคโนโลยีที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว

สิ่งที่ทำให้ฉันตื่นเต้นเมื่อเร็ว ๆ นี้คือการเก็บทรายและกรวดอุ่น ระบบเหล่านี้ใช้วัสดุราคาถูกและอุดมสมบูรณ์ที่สามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงกว่า 1,000 องศา ไม่มีห่วงโซ่อุปทานที่แปลกใหม่ให้ต้องกังวล บริษัทในฟินแลนด์ชื่อ Polar Night Energy ได้สร้างแบตเตอรี่ทรายขนาด 100 MWh ซึ่งเปิดดำเนินการเชิงพาณิชย์มาตั้งแต่ปี 2022 -ประสิทธิภาพการเดินทางไปกลับต่ำกว่า-อาจจะ 50-60% สำหรับการผลิตไฟฟ้า-เป็น-ไฟฟ้า แต่หากแอปพลิเคชันหลักของคุณร้อนขึ้น คุณก็อาจถึง 90%+.

ที่เก็บน้ำแข็งสำหรับการใช้งานในการทำความเย็นก็สมควรได้รับการกล่าวถึงเช่นกัน ทำน้ำแข็งตอนกลางคืนเมื่อไฟถูก ใช้สำหรับเครื่องปรับอากาศในช่วงเวลาเร่งด่วนในช่วงบ่าย เรียบง่าย มีประสิทธิภาพ และใช้งานแล้วในอาคารพาณิชย์หลายพันแห่ง ไม่หรูหรา แต่ใช้งานได้

แล้วพวกเขาจะเปรียบเทียบกันได้อย่างไร?

คำตอบที่ตรงไปตรงมาคือ: ขึ้นอยู่กับสิ่งที่คุณพยายามทำ ฉันเกลียดคำตอบนั้น แต่มันเป็นเรื่องจริง

ข้อกำหนดด้านระยะเวลา

สำหรับการตอบสนองรอง-วินาทีและความต้องการระยะเวลา-สั้น (วินาทีถึงนาที) มู่เล่และซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะมีอำนาจเหนือกว่า มีราคาแพงต่อ kWh แต่ความเร็วที่ไม่มีใครเทียบได้ ลิเธียม-ไอออนจัดการกับกรอบเวลา 1-4 ชั่วโมงได้เป็นอย่างดี ซึ่งเป็นที่ที่การใช้งานในที่อยู่อาศัยและเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่อาศัยอยู่ เมื่อคุณใช้งานเกิน 8-10 ชั่วโมง แบตเตอรี่พลังน้ำและแบตเตอรี่แบบสูบจะประหยัดมากขึ้น สำหรับการจัดเก็บตามฤดูกาลเป็นเวลาหลายสัปดาห์หรือหลายเดือน ไฮโดรเจนคือทางเลือกเดียวที่ใช้ได้จริงๆ ในขณะนี้

ความเป็นจริงของต้นทุน

ต้นทุนแพ็คไอออนลิเธียม-ลดลง-จากประมาณ $1,100/kWh ในปี 2010 เหลือประมาณ $140/kWh ในปี 2024 นั่นเป็นวิถีที่น่าอัศจรรย์ แต่ต้นทุนแบตเตอรี่เป็นเพียงส่วนหนึ่งของสมการเท่านั้น ความสมดุลของระบบ การติดตั้ง การเชื่อมต่อโครงข่าย การอนุญาตให้- "ต้นทุนชั่วคราว" เหล่านี้ครอบงำงบประมาณโครงการเพิ่มมากขึ้น ระบบที่อยู่อาศัยขนาด 100 กิโลวัตต์ชั่วโมงอาจมีราคาติดตั้ง 20,000-35,000 เหรียญสหรัฐ ขึ้นอยู่กับสถานที่และกฎระเบียบท้องถิ่นเป็นอย่างมาก

พลังน้ำแบบสูบมีต้นทุนการจัดเก็บระดับต่ำที่สุดสำหรับการใช้งานระยะยาว- โดยทั่วไปคือ 50-80 เหรียญสหรัฐ/MWh ตลอดอายุของโครงการ สิ่งที่จับได้คือความต้องการเงินทุนล่วงหน้าที่ฉันกล่าวถึงก่อนหน้านี้ คุณต้องการนักลงทุนที่อดทน

แบตเตอรี่ Flow ยังคงมีราคาแพง-อาจจะ 300 เหรียญสหรัฐ-500 เหรียญสหรัฐ/kWh สำหรับระบบที่สมบูรณ์ แต่อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นจะเปลี่ยนการคำนวณต้นทุนที่ปรับระดับได้ หากแอปพลิเคชันของคุณต้องการ 10,000+ รอบในระยะเวลา 20 ปี ให้รันตัวเลขอย่างระมัดระวัง

ข้อพิจารณาด้านสิ่งแวดล้อม

นี่ผมพูดจาหยาบคายไปหน่อยนะครับ ขออภัย การผลิตลิเธียม-ไอออนมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างแท้จริง-สภาพการทำเหมืองโคบอลต์ การใช้น้ำสกัดลิเธียม ความท้าทาย-การสิ้นสุด-การรีไซเคิลชีวิต ทั้งหมดนี้เราดีขึ้นเรื่อยๆ แต่การแกล้งทำเป็นว่าแบตเตอรี่สะอาดหมดจดนั้นถือเป็นเรื่องไร้เดียงสา พลังน้ำแบบสูบเปลี่ยนภูมิทัศน์และระบบนิเวศ แม้ว่าการออกแบบ-แบบวงปิดจะลดผลกระทบให้น้อยที่สุด ไฮโดรเจนจากอิเล็กโทรลิซิสจะสะอาดพอๆ กับไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมันเท่านั้น การแลกเปลี่ยนเหล่านี้มีความสำคัญและสมควรได้รับการอภิปรายอย่างตรงไปตรงมา

สิ่งที่ฉันอยากจะแนะนำจริงๆ

สำหรับบ้านและธุรกิจขนาดเล็กส่วนใหญ่? ลิเธียม-ไอออน โดยเฉพาะเคมีของ LFP เทคโนโลยีมีความสมบูรณ์ ผู้ติดตั้งเข้าใจ และราคาก็สมเหตุสมผลอย่างแท้จริง จับคู่กับโซลาร์รูฟท็อปแล้วคุณจะได้ระบบที่จะให้บริการคุณได้ดีเป็นเวลา 10-15 ปี

สำหรับโครงการขนาดกริด-ที่มีข้อกำหนดระยะเวลา 4+ ชั่วโมง การสนทนาจะน่าสนใจยิ่งขึ้น ฉันจะประเมินแบตเตอรี่ไหลควบคู่ไปกับลิเธียม-อย่างจริงจัง โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากการใช้งานต้องการจำนวนรอบสูง และอย่าละเลยระบบสูบน้ำพลังน้ำเพียงเพราะมันฟังดูเก่า-ล้าสมัย-ในที่ที่ภูมิศาสตร์เอื้ออำนวย มักจะเป็นการลงทุนระยะยาว-ที่ดีที่สุด

จับตาดูเทคโนโลยีเกิดใหม่ด้วย แบตเตอรี่โซเดียม-กำลังมาถึงศักยภาพเชิงพาณิชย์และอาจลดต้นทุนลิเธียม-ไอออนภายในไม่กี่ปี แบตเตอรี่เหล็ก-อากาศมีความหนาแน่นของพลังงานที่โดดเด่นสำหรับการใช้งานที่ยาวนาน- การจัดเก็บแรงโน้มถ่วงโดยใช้บล็อกแข็งแทนน้ำกำลังอยู่ในเชิงพาณิชย์

ภูมิทัศน์กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว สิ่งที่ดูดีที่สุดในวันนี้อาจไม่ใช่คำตอบในห้าปี ความไม่แน่นอนนั้นน่าหงุดหงิดหากคุณต้องตัดสินใจตอนนี้ แต่มันก็น่าตื่นเต้นจริงๆ เช่นกัน เรากำลังดำเนินชีวิตผ่านการเปลี่ยนแปลงวิธีที่โลกกักเก็บพลังงาน และก้าวของนวัตกรรมไม่ได้ชะลอตัวลง