Ziel dieses Artikels ist es, die technischen Merkmale und Anwendungsszenarien der wichtigsten technischen Wege der neuen Energiespeicherung zu analysieren und zu vergleichen und auf dieser Grundlage den zukünftigen Entwicklungstrend der neuen Energiespeicherung zu prognostizieren.
1. Überblick über die Entwicklung der neuen Energiespeicher
Die Entwicklungsgeschichte der Energiespeichertechnologie lässt sich bis ins frühe 19. Jahrhundert zurückverfolgen, als man begann, Methoden zur Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie zu erforschen, thermische Energiespeicherung und andere Formen für die Lagerung.
Erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts setzte sich die elektrochemische Energiespeichertechnologie in Form von Blei-Säure-Batterien durch, die ein zuverlässiges Mittel zur Energiespeicherung und -nutzung darstellten.
Mit den Fortschritten in Wissenschaft und Technik und der Anwendung neuer Materialien wurde die Energiespeichertechnologie kontinuierlich erneuert und verbessert. Mit den Lithium-Ionen-Batterien hat sich eine neue elektrochemische Energiespeichertechnologie entwickelt.
Seine Vorteile wie hohe Energiedichte, lange Lebensdauer, Umweltschutz und keine Umweltverschmutzung wurden von vielen anerkannt und sind zum aktuellen Mainstream geworden. Energiespeichertechnologien.
Obwohl der Umfang der neu installierten Energiespeicherkapazität rasch zunimmt, steht die Entwicklung neuer Energiespeicher immer noch vor Problemen wie hohen Kosten, fehlenden Preismechanismen, unvollkommenen Normen und Vorschriften sowie Schwierigkeiten bei der Projektdurchführung.
2. Die wichtigsten technischen Wege für neue Energiespeicher
Die neue Energiespeicherung umfasst hauptsächlich drei große technische Pfade: Stromspeicherung (elektrochemische Energiespeicherung, mechanische Energiespeicherung und elektromagnetische Energiespeicherung), Wasserstoffspeicherung und Wärmespeicherung.
Im Vergleich zu Pumpspeicherkraftwerken hat die neue Energiespeicherung die Vorteile einer kurzen Bauzeit, einer einfachen und flexiblen Standortwahl und einer starken Anpassungsfähigkeit. Sie sind besser auf die Entwicklung und den Verbrauch neuer Energien abgestimmt, und ihre Vorteile treten nach und nach immer mehr in den Vordergrund.
3. Speicherung elektrischer Energie
Die Stromspeicherung kann in drei Kategorien unterteilt werden: elektrochemische Energiespeicherung, mechanische Energiespeicherung und elektromagnetische Energiespeicherung.
Zu den elektrochemischen Energiespeichern gehören hauptsächlich Lithium-Ionen-Batterien, Durchflussbatterien, Bleibatterien und Natrium-Ionen-Batterien; zu den mechanischen Energiespeichern gehören hauptsächlich DruckluftenergiespeicherSchwungrad-Energiespeicher und Schwerkraft-Energiespeicher; elektromagnetische Energiespeicher umfassen hauptsächlich Superkondensator-Energiespeicher und supraleitende Energiespeicher, usw.
Die elektrochemische Energiespeicherung ist die am weitesten verbreitete neue Energiespeichertechnologie und hat das Potenzial für eine groß angelegte Förderung. Die elektrochemische Energiespeicherung ist eine Technologie, bei der elektrische Energie durch elektrochemische Reaktionen gespeichert wird.
Im Vergleich zu anderen Energiespeichertechnologien haben elektrochemische Energiespeichersysteme eine höhere Energiedichte, eine mäßige Reaktionsgeschwindigkeit, einen breiten Anwendungsbereich, eine einfachere Massenproduktion, Installation, Betrieb und Wartung sowie ein hervorragendes Potenzial für eine groß angelegte Förderung.
Von der weltweit kumulierten installierten Kapazität neuer Energiespeicher im Jahr 2022 werden 97% elektrochemische Energiespeicher sein (davon entfallen 94,4% auf Lithium-Ionen-Batterien). In dem Maße, wie die industrielle Kette reift, die Technologie voranschreitet und die Kosten sinken, werden die Aussichten für elektrochemische Energiespeicher breiter.
- Energiespeicherung mit Lithium-Ionen-Batterien
- Technische Merkmale: Lithium-Ionen-Batterien haben den Vorteil, dass sie schnell geladen und entladen werden können, einen hohen Gesamtwirkungsgrad haben, technisch sehr praktikabel sind und nur wenige einschränkende Faktoren aufweisen. Unter den verschiedenen elektrochemischen Energiespeichertechnologien hat die Energiespeicherung mit Lithiumbatterien eine hervorragende Leistung in Bezug auf Zykluszeiten, Energiedichte, Reaktionsgeschwindigkeit usw. Alle haben große Vorteile. Allerdings haben Lithium-Ionen-Batterien Mängel, wie z. B. die Sicherheit und die schlechte Leistung bei niedrigen Temperaturen.
- Anwendungsszenarien: Lithium-Ionen-Batterien haben eine breite Palette von Anwendungsszenarien und können in allen Bereichen der Energieversorgung, des Netzes und der Verbraucher des Energiesystems eingesetzt werden, einschließlich AGC-Frequenzmodulationskraftwerken, Wind-/Solarenergiespeicherkraftwerken, Spitzenwert-/Frequenzmodulationskraftwerken, Notstromversorgungen usw.; die Anwendungsmodi sind vielfältig und können mehrere Funktionen wie Spitzenwertabsenkung und Frequenzmodulation erfüllen.
- Reife der Technologie: Die Technologie der Lithium-Ionen-Batterien wird heute in großem Umfang eingesetzt, wobei die Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie die wichtigste Technologie ist. Nach dem derzeitigen Kommerzialisierungsprozess zu urteilen, ist die Lithium-Ionen-Batterietechnologie sehr ausgereift. In Zukunft werden wir uns auf die Erforschung von Sicherheitsmaterialien, die intelligente Herstellung sowie das Recycling und die Wiederverwendung von Batterien konzentrieren.
- Strombatterie-Energiespeicher
- Technische Merkmale: Durchflusszellen-Batteriehaben die Vorteile von Sicherheit, Zuverlässigkeit, hohen Kosten während des Lebenszyklus, Umweltfreundlichkeit und langer Lebensdauer. Die auf Wasser basierenden Elektrolyteigenschaften der Durchflussbatterie können verhindern, dass sie brennt und explodiert, und sie ist sehr sicher; die Leistung und die Kapazität der Batterie sind unabhängig voneinander, was die Trennung von Leistung und Kapazität des Stapels ermöglicht, und die Kapazität kann durch die Erhöhung der Kapazität des Flüssigkeitsvorratsbehälters erweitert werden; außerdem hat sie eine lange Zyklusdauer. Durchflussbatterien haben jedoch Mängel wie eine geringe Energiedichte und hohe Kosten.
- Anwendungsszenarien:Einerseits entspricht die Lebensdauer der Durchflussbatterie der von Wind- und Fotovoltaik-Kraftwerken, so dass sie sich für den Bau großer neuer Energiekraftwerke zur Verteilung und Speicherung eignet; andererseits kann sie aufgrund ihres großen Umfangs, ihrer großen Kapazität, ihrer langen Lebensdauer, ihres hohen Restwerts und ihrer geringen Wartungskosten in großen gemeinsamen Energiespeicherkraftwerken oder netzseitigen Spitzenkraftwerken eingesetzt werden.
- Reife der Technologie: Chinas Flow-Batterie-Energiespeichertechnologie hat das international führende Niveau erreicht, und die groß angelegte All-Vanadium-Flow-Batterie-Energiespeichertechnologie hat zunächst die Industrialisierung erreicht. Allerdings muss die Leistung der großen Energiespeichersysteme noch weiter verbessert, die Systemkosten gesenkt und verschiedene Betriebsarten für das Anwendungsszenario entwickelt werden.
- Energiespeicherung mit Blei-Säure-Batterien
Technische Merkmale. Blei-Säure-Batterien haben die Vorteile niedriger Kosten, guter Entladeleistung bei hohen Raten und guter Temperaturbeständigkeit. Allerdings haben Blei-Säure-Batterien auch Nachteile wie eine geringe Energiedichte.
- Anwendungsszenarien: Die Blei-Säure-Batterie-Energiespeichertechnologie hat herausragende Vorteile wie niedrige Kosten und hohe Sicherheit. Sie kann in verschiedenen neuen Energiespeichersystemen wie Solarenergie, Windenergie, Wind- und Solar-Hybridsystemen, intelligenten Stromnetzen, Mikronetzsystemen und der Stromversorgung in Gebieten ohne Netzstrom und rauen Stromnetzen eingesetzt werden.
- Reife der Technologie:Blei-Säure-Batterien sind die ausgereifteste Technologie im Bereich der elektrochemischen Energiespeicherung. Nach dem derzeitigen Kommerzialisierungsprozess zu urteilen, ist die Bleikohlenstoffbatterie-Technologie derzeit die wichtigste Technologie und befindet sich in der mittleren und späten Phase der Kommerzialisierung.
- Energiespeicherung mit Natrium-Ionen-Batterien
- Technische Merkmale: Als neuartige sekundäre chemische Energiequelle haben Natrium-Ionen-Batterien nicht nur keine Ressourcenbeschränkungen bei den Rohstoffen, sondern bieten auch Sicherheit, Leistung bei hohen und niedrigen Temperaturen und hohe Lade- und Entladeleistung, mit offensichtlichen Ressourcen- und Kostenvorteilen. Natrium-Ionen-Batterien haben jedoch auch Nachteile wie eine geringe Energiedichte und eine kurze Lebensdauer.
- Anwendungsszenarien. Natrium-Ionen-Batterien können für die Frequenzregulierung, das Abfangen von Netzspitzen und das Auffüllen von Tälern, die Netzintegration erneuerbarer Energien und die Verbesserung der Stromqualität eingesetzt werden.Auf der Seite der Stromerzeugung können Natrium-Ionen-Batterie-Energiespeichersysteme mit Wärmekraftwerken zusammenarbeiten, um ihre schnelle Reaktionszeit und ihre starke Fähigkeit zur sofortigen Leistungsregulierung zu nutzen, um Frequenz- und Spannungsregulierungsdienste zu erbringen; im Rahmen der automatischen Erzeugungssteuerung (AGC) können Natrium-Ionen-Batterie-Energiespeichersysteme mit neuen Energiesystemen wie Windkraft und Photovoltaik zusammenarbeiten, um die Regulierungsfähigkeiten des Stromsystems zu verbessern und die Wind- und Lichtabschaltraten zu reduzieren.
- Reife der Technologie: Die inländischen Arbeiten in den Bereichen Forschung und Entwicklung, Herstellung, Normung, Marktförderung und Anwendung von Natrium-Ionen-Batterieprodukten sind in vollem Gange, und Natrium-Ionen-Batterien stehen kurz vor dem Eintritt in die Phase der kommerziellen Anwendung.
- Andere hochmoderne elektrochemische Energiespeichertechnologien
Es gibt viele elektrochemische Energiespeichertechnologien, und im In- und Ausland werden derzeit verschiedene innovative neue Energiespeichertechnologien erforscht und entwickelt, die darauf abzielen, die Mängel der bestehenden elektrochemischen Energiespeichertechnologien unter dem Gesichtspunkt niedriger Kosten, hoher Sicherheit und großen Maßstabs zu überwinden.
Im Bereich der elektrochemischen Energiespeicherung sind unter den zahlreichen hochmodernen Batteriemechanismen und technischen Lösungen vor allem die Festkörperbatterien, die wässrigen Batterien und die sekundären Mehrelektronenbatterien (Magnesium-Ionen-Batterien, Aluminium-Ionen-Batterien usw.) zu nennen, Metall-Luft-Batterien und Flüssigmetallbatterien befinden sich derzeit in der Explorations-, Forschungs- und Entwicklungsphase.
4. Mechanische Energiespeicherung
- Energiespeicherung mit Druckluft
Technische Merkmale. Druckluftspeicher haben die Vorteile einer großen installierten Kapazität, einer langen Energiespeicherzeit, einer kurzen Bauzeit, einer langen Lebensdauer sowie einer sauberen und umweltfreundlichen Technologie. Als physikalische Energiespeichertechnologie mit großer Kapazität, langer Lebensdauer und hoher Sicherheit hat die Druckluftspeicherung offensichtliche Vorteile bei der Förderung der Integration von erneuerbaren Energien in großem Maßstab in das Stromnetz und bei der Deckung des Bedarfs zur Regulierung von Stromspitzen. Allerdings hat die Druckluftspeicherung auch Nachteile wie z. B. einen geringen Wirkungsgrad.
- Anwendungsszenarien
- Stromversorgungsseite: Es kann in neue Energieerzeugungssysteme wie Windkraft und Photovoltaik integriert werden, um ein integriertes Windspeicher- oder Photovoltaik-Speichersystem zu schaffen, das die Stromqualität und die Kontrollierbarkeit der neuen Energieerzeugung verbessert.
- Rasterseite: Es kann direkt an das Übertragungs- oder Verteilungsnetz angeschlossen werden und die einheitliche Disposition der Energieversorgungsunternehmen übernehmen, um einen sicheren und stabilen Betrieb des Netzes zu gewährleisten. Es kann Spitzenwertregulierung, Frequenzmodulation, Phasenmodulation, Backup, Schwarzstart und andere technische Dienste bereitstellen, die die Überlastung des Übertragungs- und Verteilungsnetzes verringern und die Zuverlässigkeit der Stromversorgung verbessern können.
- Lastseite: Das System kann mit Solarthermie, Erdwärme und industrieller Abwärme gekoppelt werden und kann in Anwendungsszenarien wie Industrieparks und öffentlichen Gebäuden in Großstädten mit unterschiedlichem Energiebedarf eingesetzt werden, was die Flexibilität und Nutzungseffizienz des Systemlayouts erheblich verbessert.
- Reife der TechnologieChinas Druckluftspeicher befinden sich in einem kritischen Stadium der Entwicklung von Demonstrationsprojekten zu kommerziellen Anwendungen. Was die Entwicklungstrends betrifft, so wird sich die Druckluftspeicherung in Richtung Großmaßstab, hohe Effizienz, niedrige Kosten und Diversifizierung entwickeln.
- Energiespeicherung im Schwungrad
- Technische Merkmale: Die Schwungrad-Energiespeicherung hat die Vorteile der sofortigen Reaktion, der präzisen Nachführung und der bidirektionalen Ausgabe. Sie haben erhebliche technische Vorteile bei der Beteiligung an der Frequenzregulierung des Stromnetzes und sind wirtschaftlich machbar. Allerdings hat die Schwungrad-Energiespeicherung Mängel wie eine unzureichende Energiedichte und eine hohe Selbstentladungsrate.
- Anwendungsszenarien: Energiespeicherung im Schwungrad Technologie wurde zunächst in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt und findet nun allmählich auch im Bereich der Stromversorgungssysteme Anwendung. Sie eignet sich für Szenarien mit hoher Leistung, schnellem Ansprechverhalten und hohen Frequenzen, z. B. für die Frequenzregulierung des Stromnetzes, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) usw.
- Reife der Technologie: Die Schwungrad-Energiespeicherung bedarf derzeit dringend der Innovation und des Durchbruchs in Bezug auf Systemkapazität, Umwandlungsrate, Lebensdauer, Sicherheit usw. Sie befinden sich in einem umfangreichen Versuchsstadium. Kleine Prototypen wurden bereits erfolgreich entwickelt und in Demonstrationsprojekten eingesetzt.
Allerdings bestehen derzeit noch gewisse Einschränkungen, Sicherheitsrisiken und höhere Kosten. Daher befindet sich die Schwungrad-Energiespeicherung, wenn man den derzeitigen Vermarktungsprozess betrachtet, noch in der Phase der technischen Demonstration.
- Schwerkraft-Energiespeicherung
- Technische MerkmaleSchwerkraft-Energiespeicher haben bedeutende Vorteile wie Umweltfreundlichkeit, flexible Auslegung, hohe Sicherheit, lange Lebensdauer und keine Selbstentladung. Als eine Methode zur Energiespeicherung, Schwerkraft-Energiespeicher hat eine langsame Anlaufzeit und ist nur schwer in der Lage, eine Netzträgheit zu erzeugen. Die Energiespeicherkapazität ist jedoch groß, die Leistungsdauer ist lang und die Energiekosten pro Einheit sind niedrig. Er kann die Anweisungen zur Netzdisposition genau verfolgen und die sekundäre Frequenzregulierungskapazität des Netzes verbessern.
- Anwendungsszenarien:In der Praxis kann die Schwerkraft-Energiespeicherung in Kombination mit anderen Formen der Energiespeicherung (z. B. Schwungrad-Energiespeicherung, Superkondensator-Energiespeicherung) die Probleme der Frequenz- und Spannungsinstabilität, die durch die Integration neuer Energiequellen in das Netz verursacht werden, wirksam lösen und auch Lastspitzen reduzieren und Spitzen ausgleichen. Tal, um das Problem des Missverhältnisses zwischen der Stromerzeugung aus neuen Energiequellen und der Nachfrage zu lösen.
- Reife der Technologie: Die Schwerkraftspeicherung ist eine aufstrebende Energiespeichertechnologie, die derzeit von der Energiespeicherturmtechnologie dominiert wird. Nach dem derzeitigen Kommerzialisierungsprozess zu urteilen, befindet sich die Schwerkraftspeicherung in einem frühen Stadium der technischen Demonstration.
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