Τεχνολογίες Αποθήκευσης Ενέργειας Μεγάλης Διάρκειας: Πώς Εντάσσεται το Υδρογόνο στο Μείγμα

Τεχνολογίες Αποθήκευσης Ενέργειας Μεγάλης Διάρκειας: Πώς Εντάσσεται το Υδρογόνο στο Μείγμα

Τα έργα ανανεώσιμης παραγωγής ενέργειας χρειάζονται ολοένα και περισσότερο ευελαστικότητα για περισσότερες από λίγες ώρες. Όταν η παραγωγή από αιολική ή ηλιακή ενέργεια και η απαιτούμενη ζήτηση δεν συμπίπτουν πλέον μέσα σε μία ημέρα, οι σχεδιαστές πρέπει να συγκρίνουν τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης διάρκειας ως ένα σύστημα, αντί να επιλέγουν μία συσκευή απομονωμένα. Το υδρογόνο είναι ένας υποψήφιος σε αυτό το φάσμα, αλλά δεν αποτελεί αντικατάσταση για κάθε μπαταρία, θερμική αποθήκη ή έργο υδροηλεκτρικής αποθήκευσης με αντλητική λειτουργία.

Από συστημικής προοπτικής ενσωμάτωσης, το χρήσιμο ερώτημα δεν είναι «ποια τεχνολογία αποθήκευσης κερδίζει;». Είναι: ποια διάρκεια, ποιο προφίλ ισχύος, ποιες συνθήκες τοποθεσίας και ποια τελική χρήση πρέπει να υποστηρίζει το έργο; Το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ ορίζει την αποθήκευση μεγάλης διάρκειας ως συστήματα ικανά να παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια για 10 ή περισσότερες ώρες. Αυτό το κατώφλι είναι χρήσιμο για προκαταρκτική επιλογή, αλλά δεν εξαιρεί την ανάγκη εναρμόνισης μιας τεχνολογίας με τα όρια λειτουργίας της.

Ξεκινήστε με την υπηρεσία που πρέπει να παρέχει το σύστημα αποθήκευσης

Οι τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης διάρκειας εξυπηρετούν διαφορετικούς σκοπούς. Ορισμένες εξομαλύνουν την παραγωγή ηλιακής ενέργειας μέχρι το βράδυ. Άλλες καλύπτουν περιόδους με χαμηλή παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας που διαρκούν δύο ή περισσότερες ημέρες. Ακόμη άλλες αποθηκεύουν ενέργεια για εποχιακές περιόδους ή μετατρέπουν πλεονάζουσα ηλεκτρική ενέργεια σε καύσιμο, το οποίο μπορεί αργότερα να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θέρμανση ή βιομηχανικές ανάγκες. Η ομάδα ενός έργου πρέπει να καθορίσει την απαιτούμενη διάρκεια αποφόρτισης προτού συγκρίνει τον εξοπλισμό.

• Μετατόπιση εντός της ημέρας: μετακίνηση ενέργειας για ώρες, για να διαχειριστεί καθημερινά πρότυπα ηλιακής παραγωγής ή φορτίου.
• Ανθεκτικότητα μεταξύ ημερών: υποστήριξη περίπου 10 έως 36 ωρών, όταν ο καιρός ή η ζήτηση δημιουργούν μεγαλύτερη αντιστοιχία.
• Λειτουργία για πολλές ημέρες: αντιμετώπιση περιόδων που μπορεί να διαρκούν από περίπου 36 έως 160 ώρες, ανάλογα με τον ορισμό του έργου.
• Εποχιακή μετατόπιση: αποθήκευση ενέργειας για πολύ μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα, όπου η χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας, η τοποθεσία και οι απώλειες μετατροπής έχουν διαφορετική σημασία.

Αυτή η προσέγγιση αποτρέπει μια συνηθισμένη λανθασμένη πρακτική: την αξιολόγηση όλων ldes technologies με το ίδιο μέτρο απόδοσης σε κύκλο ή χρόνου αντίδρασης. Αυτά τα μεγέθη έχουν σημασία, ωστόσο δεν περιγράφουν από μόνα τους την αξία της αξιόπιστης διαθεσιμότητας ενέργειας μετά από μια παρατεταμένη έλλειψη ανανεώσιμης ενέργειας.

Κατά την ανασκόπηση των τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης διάρκειας, διατηρήστε ορατή τη σειρά επιλογής: πρώτα η διάρκεια, στη συνέχεια η μορφή παράδοσης, και τέλος οι περιορισμοί τοποθεσίας και ενσωμάτωσης. Αυτό καθιστά τη σύγκριση πιο χρήσιμη από μια απλή κεντρική κατάταξη.

Πώς διαφέρουν οι κύριες τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης διάρκειας

Μια πρακτική σύγκριση ξεκινά με το μέσο αποθήκευσης και τη θέση. Τα υδροηλεκτρικά συστήματα με αντλίες μπορούν να προσφέρουν μεγάλη χωρητικότητα ενέργειας εκεί όπου η τοπογραφία, η πρόσβαση σε νερό, η άδεια και τα πολιτικά έργα συμφωνούν. Τα συστήματα συμπιεσμένου αέρα εξαρτώνται από κατάλληλες γεωλογικές ή μηχανικά δημιουργημένες συνθήκες αποθήκευσης. Η θερμική αποθήκευση μπορεί να ενταχθεί σε διαδικασίες που μπορούν να χρησιμοποιούν άμεσα θερμότητα ή να ανέχονται μια διαδρομή ηλεκτρικής ενέργειας → θερμότητα → ηλεκτρική ενέργεια. Οι ρευστές μπαταρίες μπορούν να αξιολογηθούν εκεί όπου είναι σχετική η μακρύτερη ηλεκτρική απόδοση και η ανεξάρτητη κλιμάκωση ισχύος και ενέργειας.

Η αποθήκευση ενέργειας με υδρογόνο προσθέτει μία ακόμη διαδρομή: χρησιμοποιείται ηλεκτρική ενέργεια για την παραγωγή υδρογόνου, το υδρογόνο αποθηκεύεται και στη συνέχεια μετατρέπεται εκ νέου σε ηλεκτρική ενέργεια ή παρέχεται για άλλη χρήσιμη εφαρμογή. Αυτό δημιουργεί ένα ευρύτερο σύστημα ερωτημάτων, πέρα από μία απλή σύγκριση με μπαταρίες μόνο. Η αλυσίδα μετατροπής περιλαμβάνει την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας, τη λειτουργία του ηλεκτρολύτη, την αποθήκευση υδρογόνου, τις διεπαφές του υπολοίπου του εξοπλισμού (balance-of-plant) και — εάν απαιτείται ηλεκτρική ενέργεια σε μεταγενέστερο χρόνο — μία διαδρομή επαναμετατροπής. Κάθε στοιχείο πρέπει να αξιολογηθεί με βάση τις ίδιες υποθέσεις φόρτισης.

Για τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης διάρκειας (LDES), η συνολική άποψη του χαρτοφυλακίου διευκρινίζει επίσης ποια στοιχεία πρέπει να λειτουργούν συχνά και ποια πρέπει απλώς να παραμένουν διαθέσιμα. Αυτή η διάκριση είναι ουσιώδης κατά τη σύγκριση εξοπλισμού που εστιάζει στην ισχύ με υποδομές που εστιάζουν στη χωρητικότητα ενέργειας.

Πού ανήκει το υδρογόνο σε ένα χαρτοφυλάκιο LDES

Το υδρογόνο αξίζει να αξιολογηθεί όταν το ζήτημα της αποθήκευσης εκτείνεται πέραν της σύντομης ημερήσιας αρμπιτράζ. Ο ρόλος του γίνεται πιο σχετικός όταν ένα έργο πρέπει να απορροφήσει μεταβλητή παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας, να διατηρεί την ενέργεια διαθέσιμη για μακροχρόνια διαστήματα ή να συνδέσει την αποθηκευμένη ενέργεια με εφαρμογές που καταναλώνουν υδρογόνο. Διαφορετικά εκφρασμένο, το υδρογόνο μπορεί να αποτελέσει μέρος ενός χαρτοφυλακίου επειδή μπορεί να συνδέσει την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας με τον σχεδιασμό καυσίμων, βιομηχανικών εφαρμογών ή μικροδικτύων — όχι επειδή πρέπει να υποτίθεται ότι αντικαθιστά κάθε περιουσιακό στοιχείο συντομότερης διάρκειας.

Για τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές, το υδρογόνο αξίζει μια δομημένη αξιολόγηση όταν συμπίπτουν αρκετές συνθήκες:

1. Προκύπτει πλεόνασμα παραγωγής ανανεώσιμης ενέργειας σε μπλοκ που δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν πλήρως από την ηλεκτρική ζήτηση σε σύντομο χρονικό διάστημα.
2. Η απαιτούμενη διάρκεια αποθήκευσης μπορεί να μετατοπιστεί από ώρες προς πολυημερείς ή ακόμη μακροχρόνιες περιόδους διαθεσιμότητας.
3. Υπάρχει μια αξιόπιστη τελική χρήση υδρογόνου, ένα σχέδιο επαναμετατροπής ή μια φασματική εφαρμογή μικροδικτύου.
4. Το έργο μπορεί να ορίσει διεπαφές για ποιότητα ισχύος, εφοδιασμό με νερό, αποθήκευση, ελέγχους και ασφαλείς λειτουργίες.
5. Το οικονομικό μοντέλο συγκρίνει τα όρια ολόκληρου του συστήματος αντί για την τιμή ενός μόνο συστατικού.

Μια πιο προσεκτική εξέταση συχνά αλλάζει τη συζήτηση. Για παράδειγμα, ένας ηλεκτρολύτης μπορεί να είναι διαστασιολογημένος βάσει της διαθεσιμότητας ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, ενώ η διαδρομή αποθήκευσης διαστασιολογείται βάσει του χρόνου παράδοσης και των περιορισμών του χώρου. Εάν ένα έργο χρειάζεται μόνο επαναλαμβανόμενη μετατόπιση της αιχμής κατά το βράδυ, άλλες τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης διάρκειας μπορεί να είναι πιο κατάλληλες. Εάν το έργο πρέπει να διατηρεί ευελιξία κατά τη διάρκεια εκτεταμένων κενών που οφείλονται σε καιρικές συνθήκες ή να συντονίζεται με φόρτιο υδρογόνου, το υδρογόνο μπορεί να απαιτεί πιο εμπεριστατωμένη μηχανική ανάλυση.

Το υδρογόνο επομένως αξιολογείται μέσα στις τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης διάρκειας ως μια διαδρομή μετατροπής, αποθήκευσης και παράδοσης. Πρέπει να συγκριθεί με τις ίδιες υποθέσεις έργου όπως και οι άλλες επιλογές, ενώ διατηρεί την ιδιαίτερη αξία του στις περιπτώσεις όπου το ίδιο το υδρογόνο είναι χρήσιμο.

Αξιολογήστε τη διαδρομή του υδρογόνου ως ενιαίο σύστημα

Οι αποφάσεις για την αποθήκευση υδρογόνου πρέπει να λαμβάνονται με βάση έναν χάρτη συστήματος. Ξεκινήστε με την πηγή ενέργειας: τη μεταβλητότητά της, τον κίνδυνο απόκοψης παραγωγής και τις αναμενόμενες ώρες λειτουργίας. Στη συνέχεια, καθορίστε την επιθυμητή έξοδο: ηλεκτρική ενέργεια, προμήθεια υδρογόνου, θερμότητα, δυνατότητα αντικατάστασης ή συνδυασμό αυτών. Τέλος, προσδιορίστε τη διαδρομή αποθήκευσης και τους ελέγχους λειτουργίας που απαιτούνται για να συνδεθούν αυτά τα σημεία.

Αντί να επικεντρωθείτε σε έναν μόνο εντυπωσιακό αριθμό, καταγράψτε τις υποθέσεις που βρίσκονται πίσω από τη μετατροπή ενέργειας, τη διάρκεια αποθήκευσης, την πίεση ή την κατάσταση παράδοσης και τη χρήση στον επόμενο κρίκο. Μια ανασκόπηση ολοκλήρωσης στο σύστημα πρέπει επίσης να διευκρινίζει σε ποια σημεία εξακολουθούν να χρειάζονται μετρήσεις, δεδομένα προμηθευτών και μελέτες εντός του χώρου. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για ldes technologies όπου η αξία του έργου μπορεί να εξαρτάται από την αποφυγή απόκοψης παραγωγής, τις ανάγκες ανθεκτικότητας, τη χρήση υποδομών και το χρονικό πλαίσιο της ζήτησης.

Για ομάδες που αξιολογούν μια μακροπρόθεσμη διαδρομή υδρογόνου, η Hyto Energy προσφέρει μια Πρόγραμμα Μακροπρόθεσμης Αποθήκευσης Ενέργειας ως σημείο εκκίνησης για τη συζήτηση των απαιτήσεων του συστήματος αποθήκευσης. Η κατάλληλη διαμόρφωση εξακολουθεί να εξαρτάται από τα επιβεβαιωμένα όρια του έργου και τις συνθήκες λειτουργίας.

Μεταξύ των τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης διάρκειας, ο υδρογόνος απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή στις συνδέσεις, επειδή η απόδοσή του εξαρτάται από το συνδεδεμένο σύστημα και όχι από το δοχείο αποθήκευσης μόνο. Ο ορισμός του έργου πρέπει να καθορίζει τι θα μετρηθεί και θα επικυρωθεί σε κάθε διεπαφή.

Ένας Κατάλογος Αποφάσεων για την Ανάμειξη Τεχνολογιών

Ο σχεδιασμός στο στάδιο εξέτασης λειτουργεί καλύτερα όταν η ομάδα συγκρίνει τις επιλογές με έναν κοινό κατάλογο ελέγχου. Χρησιμοποιήστε τις παρακάτω ερωτήσεις προτού περιορίσετε τη σύντομη λίστα:

• Ποια διάρκεια πρέπει να καλύπτει το σύστημα υπό κανονικές, εντατικές και συνθήκες ανθεκτικότητας;
• Απαιτείται η αποθηκευμένη έξοδος αποκλειστικά ως ηλεκτρική ενέργεια, ή μπορεί να είναι χρήσιμη ως υδρογόνο ή θερμότητα;
• Ποιο είναι το πρότυπο της ανανεώσιμης παραγωγής και το προφίλ φόρτισης κατά τη διάρκεια των ημερών και των εποχών;
• Ποιες συνθήκες του χώρου περιορίζουν τα πολιτικά έργα, το νερό, τον όγκο αποθήκευσης, την άδεια ή τη σύνδεση με το δίκτυο;
• Ποιες διεπαφές πρέπει να σχεδιαστούν τώρα και ποιες μπορούν να εφαρμοστούν σε φάσεις καθώς αυξάνεται η ζήτηση;
• Ποιες υποθέσεις θα χρησιμοποιήσει η σύγκριση κύκλου ζωής για τη χρησιμοποίηση, την αντικατάσταση, τη λειτουργία και την επέκταση;

Το αποτέλεσμα μπορεί να είναι μια μεικτή αρχιτεκτονική. Οι εγκαταστάσεις συντομότερης διάρκειας μπορούν να αντιμετωπίσουν συχνές κυκλικές λειτουργίες, ενώ μια υδρογονοβάσεις διαδρομή αξιολογείται για μακρύτερη αποθήκευση ή για ενεργειακές εφαρμογές που οι μπαταρίες δεν αντιμετωπίζουν απευθείας. Αυτή είναι η κεντρική αξία ενός τεχνολογικού χαρτοφυλακίου: κάθε συστατικό ταιριάζει σε μια ξεχωριστή υπηρεσία, αντί να υποχρεώνεται να εκπληρώσει έναν καθολικό ρόλο.

Μια ανασκόπηση μεικτής τεχνολογίας πρέπει να διατηρεί τις τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης διάρκειας σε ένα κοινό πλαίσιο αξιολόγησης, αλλά δεν πρέπει να εξαλείψει τα διαφορετικά όρια λειτουργίας τους. Όσο πιο σαφώς διατυπώνονται αυτά τα όρια, τόσο πιο αξιόπιστη γίνεται η τελική σύντομη λίστα.

Συμπέρασμα: Ταίριασμα διάρκειας και ορίων συστήματος πριν από την επιλογή εξοπλισμού

Οι τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης διάρκειας πρέπει να συγκρίνονται βάσει της υπηρεσίας που πρέπει να παρέχουν, όχι με βάση μία απλή ετικέτα τεχνολογίας. Το υδρογόνο μπορεί να ενταχθεί στο μείγμα όταν η διάρκεια, η μεταβλητότητα των ανανεώσιμων πηγών, η διατήρηση της αποθήκευσης και η ενσωμάτωση στην τελική χρήση δικαιολογούν μία ευρύτερη διαδρομή μετατροπής και αποθήκευσης. Μπορεί να είναι λιγότερο κατάλληλο όταν η ανάγκη είναι περιορισμένη, σύντομη και αποκλειστικά ηλεκτρική.

Για τις ομάδες έργων που αξιολογούν τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης διάρκειας, το επόμενο βήμα είναι να καταγραφεί το προφίλ φόρτισης, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η απαιτούμενη διάρκεια, ο τρόπος παράδοσης και οι περιορισμοί του χώρου. Με αυτές τις συνθήκες καθορισμένες, μία τεχνική συζήτηση μπορεί να μετακινηθεί από γενικό ενδιαφέρον για ldes technologies σε μία διαφανή σύντομη λίστα για το συγκεκριμένο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας ανανεώσιμων πηγών.