«Мы посмотрели на батареи и другие многообещающие технологии для хранения солнечной и ветровой энергии на электрической сетке», сказал Чарльз Барнхарт, ведущий автор исследования и постдокторский ученый в Мировом климате и Энергетическом проекте Стэнфорда (GCEP).«Наша основная цель состояла в том, чтобы вычислить их полную энергичную стоимость – то есть, общая сумма топлива и электричества, требуемого построить и управлять этими технологиями хранения.
Мы нашли, что, когда Вы включаете в энергичные затраты, батареи масштаба сетки имеют смысл для хранения избыточной солнечной энергии, но не для ветра».Исследование, которое поддержано GCEP, опубликовано в выпуске онлайн энергии журнала и Науки об окружающей среде.Изменение климата и возобновляемая энергияБольшая часть электричества в Соединенных Штатах произведена на электростанциях, которые работают на каменноугольном и природном газе – ископаемое топливо, которое значительно способствует глобальному потеплению, испуская большие количества углекислого газа.
Солнечная и ветровая энергия без эмиссии и возобновляема, но зависит от солнечного света или ветра, чтобы работать.«Для сетки, чтобы функционировать эффективно, источник питания должен соответствовать потреблению энергии в любом случае, но с возобновляемыми источниками энергии, это не всегда имеет место», сказал Барнхарт. «Например, ветровые электростанции иногда вырабатывают слишком много электроэнергии ночью, когда требование низкое. Та избыточная энергия должна храниться или использоваться в другом месте. Иначе это будет потеряно.
Однако у американской сетки есть очень ограниченная вместимость».Большое разнообразие технологий развивается, чтобы обратиться к отсутствию хранения масштаба сетки. Стэнфордская команда посмотрела на несколько появляющихся технологий, включая пять типов батареи – свинцово-кислотный, литий-ионный, сера натрия, ванадиево-окислительно-восстановительная и цинковый бром.
В предыдущем исследовании Барнхарт вычислил энергичную стоимость создания и поддержки каждая из этих пяти систем клеточного содержания для хранения масштаба сетки. У свинцово-кислотных батарей была самая высокая энергичная стоимость, литий-ионная самое низкое, он нашел.«Мы вычислили, сколько энергии используется по полному жизненному циклу батареи – от добычи сырья к установке законченного устройства», сказал Барнхарт. «Батареи с высокой энергичной стоимостью потребляют больше ископаемого топлива и поэтому выпускают больше углекислого газа по их жизни.
Если энергичная стоимость батареи слишком высока, ее полный вклад в глобальное потепление мог бы отрицать экологические преимущества ветра или солнечной фермы, которую это, как предполагалось, поддерживало».Для этого исследования он и его коллеги вычислили энергичную стоимость масштаба сетки фотогальванические солнечные батареи и ветряные двигатели.«Оба ветряных двигателя и гелиотехника поставляют больше энергии, чем это берет, чтобы построить и поддержать их», заявила GCEP постдокторский ученый Майкл Дэйл, соавтор исследования. «Однако наши вычисления показали, что полная энергичная стоимость ветряных двигателей намного ниже, чем обычные солнечные батареи, которые требуют большого количества энергии, прежде всего от ископаемого топлива, для обработки кремния и изготовления других компонентов».
Сохранить или сократить?Затем ученые посмотрели на энергичную стоимость сокращения – практика закрытия солнечных батарей и ветряных двигателей, чтобы уменьшить производство избыточного электричества на сетке.«Сокращение возобновляемых ресурсов кажется расточительным», сказал Барнхарт. «Но операторы сетки обычно сокращают ветряные двигатели, чтобы избежать внезапного, неожиданного скачка избыточного электричества, которое могло перегрузить линии передачи и вызвать затемнения. Темпы сокращения в США, вероятно, увеличатся, поскольку возобновляемая энергия становится более распространенной».
Закрытие чистого источника электричества кажется контрпродуктивным, но хранит избыточную энергию в батареях практическая альтернатива?Чтобы узнать, исследователи сравнили энергичную стоимость сокращения солнечной и ветровой энергии против энергичной стоимости хранения масштаба сетки.
Их вычисления были основаны на формуле, известной как «энергетический возврат инвестиций» – сумма энергии, произведенной технологией, разделенной на сумму энергии, которую это берет, чтобы построить и поддержать его.Используя ту формулу, исследователи нашли, что сумма энергии, необходимой, чтобы создать солнечную ферму, сопоставима с энергией, используемой, чтобы построить каждую из пяти технологий батареи. «Используя батареи, чтобы сохранить солнечную энергию в периоды низкого требования, поэтому, было бы энергично благоприятно», сказал Дэйл.
Результаты очень отличались для ветровых электростанций. Ученые нашли, что сокращение энергии ветра уменьшает энергетический возврат инвестиций на 10 процентов.
Но хранение избыточного ветрового электричества в батареях приводит к еще большим сокращениям – приблизительно от 20 процентов для литий-ионных аккумуляторов больше чем к 50 процентам для свинцово-кислотного.«Идеально, энергичная стоимость сокращения ресурса должна, по крайней мере, равняться сумме энергии, которой это стоило, чтобы сохранить его», сказал Дэйл. «Это имеет место для гелиотехники, но для ветровых электростанций, энергичная стоимость сокращения намного ниже, чем это для батарей.
Поэтому на самом деле было бы более энергично эффективно закрыть ветряной двигатель, чем сохранить избыточное электричество, которое это производит».Он сравнил его с покупкой сейфа. «Вы не потратили бы 100$ на сейф, чтобы сохранить часы за 10$», сказал он. «Аналогично, не разумно построить энергично дорогие батареи для энергично дешевого ресурса как ветер, но это действительно имеет смысл для фотогальванических систем, которые требуют большого количества энергии произвести».Увеличение жизни цикла батареи было бы самым эффективным способом улучшить его энергичную работу, добавил Барнхарт. Обычные литий-ионные аккумуляторы служат приблизительно четыре года или 6 000 циклов выброса обвинения.
Свинцово-кислотные батареи только служат приблизительно 700 циклов. Чтобы эффективно сохранить энергию на сетке, батареи должны вынести 10 000 – 18 000 циклов, сказал он.
«Хранение энергии расходует энергию и расходы энергии сокращения это», сказал Барнхарт. «В любом случае результат – сокращение полного энергетического возврата инвестиций».Другие варианты
В дополнение к батареям исследователи рассмотрели другие технологии для хранения возобновляемой энергии, такие как накачанное гидроэлектрическое хранение, которое использует избыточное электричество, чтобы накачать воду к водохранилищу позади дамбы. Позже, когда спрос на энергию высок, сохраненная вода выпущена через турбины в дамбе, чтобы произвести электричество.«Накачанный гидро используется в 99 процентах хранения сетки сегодня», сказал Барнхарт. «Это работает фантастически с энергичной точки зрения и для ветра и для солнечный.
Его энергетический возврат инвестиций в 10 раз лучше, чем обычные батареи. Но есть геологические и экологические ограничения на, где накачано гидро, может быть развернут».Хранение не единственный способ улучшить надежность сетки. «Энергия, которая была бы иначе потеряна во времена избытка, могла использоваться, чтобы накачать воду для ирригации или зарядить парк электромобилей, например», сказал Дэйл.Для общества важно быть умным энергией об осуществлении новых технологий, добавил Барнхарт. «Влиятельные политики и инвесторы должны рассмотреть энергичную стоимость, а также финансовую стоимость новых технологий», сказал он. «Если экономика – единственный центр, то менее дорогие технологии, которые требуют существенного количества энергии для их изготовления, обслуживания и замены, могли бы победить – даже если они в конечном счете увеличивают выбросы парниковых газов и отрицают долгосрочную выгоду осуществления энергии ветра и солнечной энергии».
«Наша цель состоит в том, чтобы понять то, что необходимо, чтобы построить масштабируемую систему низкоуглеродной энергетики», сказала соавтор Салли Бенсон, директор GCEP и преподаватель разработки энергетических ресурсов. «Энергетический возврат инвестиций – одна из тех метрик, которая проливает свет на потенциальные контрольно-пропускные пункты. Надо надеяться, это исследование обеспечит поставленную задачу, чтобы вести будущее исследование в области аккумулирования энергии масштаба сетки».
Адам Брандт, доцент разработки энергетических ресурсов в Школе Стэнфорда наук о Земле, также создал в соавторстве исследование.