El objetivo de este artículo es analizar y comparar las características técnicas y los escenarios de aplicación de las principales vías técnicas del nuevo almacenamiento de energía y, sobre esta base, pronosticar la futura tendencia de desarrollo del nuevo almacenamiento de energía.
1. Panorama del desarrollo del nuevo almacenamiento de energía
La historia del desarrollo de la tecnología de almacenamiento de energía se remonta a principios del siglo XIX, cuando se empezaron a explorar métodos para convertir la energía eléctrica en energía química, almacenamiento de energía térmica y otras formas de almacenamiento.
No fue hasta principios del siglo XX cuando empezó a popularizarse la tecnología de almacenamiento electroquímico de energía representada por las baterías de plomo-ácido, que proporcionaban un medio fiable de almacenamiento y utilización de la energía.
Con el avance de la ciencia y la tecnología y la aplicación de nuevos materiales, la tecnología de almacenamiento de energía se ha innovado y mejorado continuamente. Ha surgido una nueva tecnología electroquímica de almacenamiento de energía representada por las baterías de iones de litio.
Sus ventajas, como la alta densidad energética, la larga vida útil, la protección del medio ambiente y la ausencia de contaminación, han gozado de un amplio reconocimiento y se han convertido en la corriente dominante actual. tecnologías de almacenamiento de energía.
Aunque la escala de la nueva capacidad instalada de almacenamiento de energía está creciendo rápidamente, el desarrollo del nuevo almacenamiento de energía todavía se enfrenta a problemas como los altos costes, la falta de un mecanismo de precios, normas y reglamentos imperfectos, y la dificultad en la ejecución de proyectos.
2. Principales vías técnicas para el nuevo almacenamiento de energía
El nuevo almacenamiento de energía incluye principalmente tres grandes vías técnicas: el almacenamiento de electricidad (almacenamiento de energía electroquímica, almacenamiento de energía mecánica y almacenamiento de energía electromagnética), el almacenamiento de hidrógeno y el almacenamiento de calor.
En comparación con el almacenamiento de energía hidroeléctrica por bombeo, el almacenamiento de nueva energía tiene las ventajas de un corto periodo de construcción, una selección de emplazamientos sencilla y flexible y una gran capacidad de ajuste. Se adapta mejor al desarrollo y el consumo de nuevas energías, y sus ventajas son cada vez más evidentes.
3. Almacenamiento de energía eléctrica
El almacenamiento de electricidad puede dividirse en tres categorías: almacenamiento de energía electroquímica, almacenamiento de energía mecánica y almacenamiento de energía electromagnética.
El almacenamiento electroquímico de energía incluye principalmente baterías de iones de litio, baterías de flujo, baterías de plomo y baterías de iones de sodio; el almacenamiento mecánico de energía incluye principalmente almacenamiento de energía de aire comprimidoEl almacenamiento de energía electromagnética incluye principalmente el almacenamiento de energía mediante supercondensadores y el almacenamiento de energía mediante superconductores, etc.
El almacenamiento electroquímico de energía es la nueva tecnología de almacenamiento de energía más utilizada y tiene potencial para su promoción a gran escala. El almacenamiento electroquímico de energía es una tecnología que almacena energía eléctrica mediante reacciones electroquímicas.
En comparación con otras vías tecnológicas de almacenamiento de energía, los sistemas electroquímicos de almacenamiento de energía tienen mayor densidad energética, velocidad de respuesta moderada, amplio campo de aplicación, mayor facilidad de producción en masa, instalación, funcionamiento y mantenimiento, y un excelente potencial de promoción a gran escala.
De la capacidad mundial acumulada instalada de nuevo almacenamiento de energía en 2022, 97% serán de almacenamiento electroquímico de energía (de las cuales las baterías de iones de litio representan 94,4%). A medida que la cadena industrial madura, la tecnología avanza y los costes disminuyen, las perspectivas del almacenamiento electroquímico de energía se amplían.
- Almacenamiento de energía en baterías de iones de litio
- Características técnicas: Las baterías de iones de litio tienen las ventajas de una rápida velocidad de carga y descarga, una alta eficiencia global, una gran viabilidad técnica y pocos factores limitantes. Entre las diversas tecnologías electroquímicas de almacenamiento de energía, el almacenamiento de energía con baterías de litio tiene un rendimiento excepcional en cuanto a tiempos de ciclo, densidad energética, velocidad de respuesta, etc. Todas ellas presentan grandes ventajas. Sin embargo, las baterías de iones de litio tienen deficiencias como la seguridad y el escaso rendimiento a bajas temperaturas.
- Escenarios de aplicación: Las baterías de iones de litio tienen una amplia gama de aplicaciones y pueden utilizarse en todos los aspectos de la alimentación eléctrica, la red y el usuario del sistema eléctrico, incluidas las centrales de modulación de frecuencia AGC, las centrales de almacenamiento de energía eólica/solar, las centrales de modulación de picos/frecuencia, las fuentes de alimentación de emergencia, etc.; los modos de aplicación son diversos y pueden lograr múltiples funciones, como la reducción de picos y la modulación de frecuencia.
- Madurez tecnológica: En la actualidad, la tecnología de las baterías de iones de litio ha alcanzado una aplicación a gran escala, con la tecnología de las baterías de litio hierro fosfato como principal vía tecnológica. A juzgar por el actual proceso de comercialización, la tecnología de las baterías de iones de litio está muy madura. En el futuro, nos centraremos en la investigación sobre materiales de seguridad, fabricación inteligente y reciclaje y reutilización de baterías.
- Almacenamiento de energía mediante baterías de flujo
- Características técnicas: Batería de celda de flujotienen las ventajas de la seguridad, la fiabilidad, el alto rendimiento económico durante el ciclo de vida, el respeto al medio ambiente y la larga vida útil. Las características del electrolito a base de agua de la batería de flujo pueden evitar que se queme y explote, y es altamente segura; la potencia y la capacidad de la batería son independientes entre sí, realizando la separación de la potencia y la capacidad de la pila, y la capacidad puede ampliarse aumentando la capacidad del tanque de almacenamiento de líquido ;También tiene una larga vida de ciclo. Sin embargo, las baterías de flujo presentan deficiencias como su baja densidad energética y su elevado coste.
- Escenarios de aplicación:Por un lado, la vida útil de la batería de flujo es coherente con la de las centrales eólicas y fotovoltaicas, por lo que es adecuada para la construcción de centrales eléctricas de nueva energía a gran escala para distribución y almacenamiento; por otro lado, debido a la gran escala, gran capacidad, larga vida útil, alto valor residual, y El coste de mantenimiento es bajo, por lo que se puede utilizar en centrales eléctricas de almacenamiento de energía compartida a gran escala o centrales eléctricas de pico en el lado de la red.
- Madurez tecnológica: La tecnología china de almacenamiento de energía mediante baterías de flujo ha alcanzado el nivel de liderazgo internacional, y la tecnología de almacenamiento de energía mediante baterías de flujo de vanadio a gran escala ha logrado inicialmente la industrialización. Sin embargo, todavía es necesario mejorar el rendimiento de los sistemas de almacenamiento de energía a gran escala, reducir los costes del sistema y desarrollar diferentes modos de funcionamiento en el escenario de aplicación.
- Almacenamiento de energía en baterías de plomo-ácido
Características técnicas. Las baterías de plomo-ácido tienen las ventajas de su bajo coste, su buen rendimiento a altas velocidades de descarga y su buen comportamiento a altas temperaturas. Sin embargo, las baterías de plomo-ácido tienen defectos como la baja densidad energética.
- Escenarios de aplicación: La tecnología de almacenamiento de energía con baterías de plomo-ácido presenta ventajas excepcionales, como su bajo coste y su alta seguridad. Puede utilizarse ampliamente en diversos sistemas de almacenamiento de nuevas energías, como la energía solar, la energía eólica, la energía híbrida eólica y solar, las redes inteligentes, los sistemas de microrredes y el suministro de energía en zonas sin red eléctrica y redes eléctricas difíciles, los sistemas de almacenamiento de energía, los sistemas de regulación de la frecuencia eléctrica y de seguimiento de la carga, los sistemas de ahorro de energía en picos y valle, y los sistemas de almacenamiento y carga de energía en zonas residenciales, etc.
- Madurez tecnológica:Las baterías de plomo-ácido son la ruta tecnológica más madura en el almacenamiento electroquímico de energía. A juzgar por el actual proceso de comercialización, la tecnología de baterías de plomo-carbono es actualmente la principal ruta tecnológica y se encuentra en las fases media y tardía de comercialización.
- Almacenamiento de energía en baterías de iones de sodio
- Características técnicas: Como nuevo tipo de fuente de energía química secundaria, las baterías de iones de sodio no sólo no tienen limitaciones de recursos en cuanto a materias primas, sino que además son seguras, funcionan a altas y bajas temperaturas y se cargan y descargan a gran velocidad, con evidentes ventajas en cuanto a recursos y costes. Sin embargo, las baterías de iones de sodio presentan deficiencias como su baja densidad energética y su corta vida útil.
- Escenarios de aplicación. Las baterías de iones de sodio pueden utilizarse para regular la frecuencia de la carga, reducir los picos y los valles de la red, integrar las energías renovables y mejorar la calidad de la energía.En lo que respecta a la generación de energía, los sistemas de almacenamiento de energía con baterías de iones de sodio pueden cooperar con las centrales térmicas para aprovechar su rápida velocidad de respuesta y su gran capacidad de regulación instantánea de la potencia para prestar servicios de regulación de la frecuencia y la tensión. En el marco de la programación del sistema de control automático de la generación (AGC), los sistemas de almacenamiento de energía con baterías de iones de sodio pueden cooperar con nuevos sistemas energéticos, como la energía eólica y la fotovoltaica, para mejorar la capacidad de regulación del sistema eléctrico y reducir las tasas de abandono de la energía eólica y luminosa.
- Madurez tecnológica: La labor nacional de investigación y desarrollo, fabricación, establecimiento de normas, promoción del mercado y aplicación de productos de baterías de iones de sodio está en pleno apogeo, y las baterías de iones de sodio están a punto de entrar en la fase de aplicación comercial.
- Otras tecnologías electroquímicas de vanguardia para el almacenamiento de energía
Hay muchas vías de tecnología de almacenamiento de energía electroquímica, y actualmente se están llevando a cabo en el país y en el extranjero la investigación y el desarrollo de varias tecnologías de almacenamiento de energía nuevas y punteras, centradas en superar las deficiencias de las tecnologías de almacenamiento de energía electroquímica existentes desde la perspectiva del bajo coste, la alta seguridad y la gran escala.
Basándose en el sistema de tecnología de almacenamiento de energía electroquímica, entre los muchos mecanismos y soluciones técnicas de baterías de vanguardia, los más representativos son las baterías de estado sólido, las baterías acuosas, las baterías secundarias multielectrón (baterías de iones de magnesio, baterías de iones de aluminio, etc.), pilas metal-aire y las baterías de metal líquido se encuentran actualmente en fase de exploración e investigación y desarrollo.
4. Almacenamiento mecánico de energía
- Almacenamiento de energía en aire comprimido
Características técnicas. El almacenamiento de energía en aire comprimido tiene las ventajas de una gran capacidad instalada, un largo tiempo de almacenamiento de energía, un corto periodo de construcción, una larga vida útil, y es limpio y respetuoso con el medio ambiente. Como tecnología física de almacenamiento de energía con gran capacidad, larga vida útil y alta seguridad, el almacenamiento de energía en aire comprimido tiene ventajas evidentes para promover la integración de energías renovables a gran escala en la red y satisfacer la demanda de regulación de picos de potencia. Sin embargo, el almacenamiento de energía en aire comprimido tiene desventajas como su baja eficiencia.
- Escenarios de aplicación
- Alimentación eléctrica: Puede integrarse con sistemas de generación de nuevas energías, como la eólica y la fotovoltaica, para construir un sistema integrado de almacenamiento eólico o fotovoltaico que mejore la calidad de la energía y la capacidad de control de la generación de nuevas energías.
- Lado de la rejilla: Puede conectarse directamente a la red de transmisión o distribución y aceptar el despacho unificado de la agencia de despacho de energía, sirviendo al funcionamiento seguro y estable de la red. Puede proporcionar regulación de picos, modulación de frecuencia, modulación de fase, respaldo, arranque en negro y otros servicios técnicos, que pueden aliviar la Reducir la congestión de transmisión y distribución y mejorar la fiabilidad del suministro eléctrico.
- Lado de carga: El sistema puede acoplarse con calor solar, calor geotérmico y calor residual industrial, y puede utilizarse en escenarios de aplicación como polígonos industriales y edificios públicos metropolitanos con diversas necesidades energéticas, mejorando significativamente la flexibilidad y la eficiencia de utilización de la disposición del sistema.
- Madurez tecnológica:El almacenamiento de energía en aire comprimido de China se encuentra en una fase crítica de desarrollo, desde los proyectos de demostración hasta las aplicaciones comerciales. En cuanto a las tendencias de desarrollo, el almacenamiento de energía de aire comprimido se desarrollará en la dirección de la gran escala, la alta eficiencia, el bajo coste y la diversificación.
- Almacenamiento de energía mediante volante de inercia
- Características técnicas: El almacenamiento de energía en volantes tiene las ventajas de una respuesta instantánea, un seguimiento preciso y una salida bidireccional. Tiene importantes ventajas técnicas para participar en la regulación de la frecuencia de la red eléctrica y es económicamente viable. Sin embargo, el almacenamiento de energía en volantes de inercia presenta deficiencias como una densidad energética insuficiente y una elevada tasa de autodescarga.
- Escenarios de aplicación: Almacenamiento de energía mediante volante de inercia se utilizó por primera vez en el campo aeroespacial, y ahora se está aplicando gradualmente al campo de los sistemas de energía. Es adecuada para escenarios de alta potencia, respuesta rápida y alta frecuencia, como la regulación de frecuencia de la red eléctrica, el sistema de alimentación ininterrumpida SAI, etc.
- Madurez tecnológica: En la actualidad, el almacenamiento de energía en volantes de inercia necesita urgentemente innovaciones y avances en términos de capacidad del sistema, tasa de conversión, vida útil, seguridad, etc. Se encuentra en una amplia fase experimental. Se han desarrollado con éxito pequeños prototipos que se han utilizado en proyectos de demostración.
Sin embargo, debido a ciertas limitaciones en la actualidad, los riesgos de seguridad y los costes más elevados. Por tanto, a juzgar por el actual proceso de comercialización, el almacenamiento de energía con volante de inercia se encuentra aún en fase de demostración de ingeniería.
- Almacenamiento de energía por gravedad
- Características técnicas:El almacenamiento de energía por gravedad presenta importantes ventajas, como el respeto por el medio ambiente, la flexibilidad de disposición, la alta seguridad, la larga vida útil y la ausencia de autodescarga. Como método de almacenamiento de energía, almacenamiento de energía por gravedad tiene un tiempo de arranque lento y es difícil proporcionar inercia a la red. Sin embargo, su capacidad de almacenamiento de energía es grande, su tiempo de salida es largo y su coste energético unitario es bajo. Puede seguir con precisión las instrucciones de despacho de la red y mejorar la capacidad de regulación de la frecuencia secundaria de la red.
- Escenarios de aplicación:En aplicaciones prácticas, el almacenamiento de energía potencial gravitatoria combinado con otras formas de almacenamiento de energía eléctrica (como el almacenamiento de energía en volantes de inercia, el almacenamiento de energía en supercondensadores) puede resolver eficazmente los problemas de inestabilidad de frecuencia y tensión causados por la integración de nuevas fuentes de energía en la red, y también puede reducir los picos de carga y llenar los picos. Valle, para resolver el problema del desajuste entre la producción de nueva energía y la demanda.
- Madurez tecnológica: El almacenamiento de energía por gravedad es una tecnología emergente de almacenamiento de energía, actualmente dominada por la tecnología de torre de almacenamiento de energía. A juzgar por el actual proceso de comercialización, el almacenamiento de energía por gravedad se encuentra en la fase inicial de demostración de ingeniería.
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