Nuove tendenze della tecnologia ESS dei sistemi di accumulo dell'energia

Il produttore di fama mondiale di prodotti per il controllo industriale - C3CONTROLS negli Stati Uniti ha analizzato le nuove tendenze tecnologiche dell'odierno sistema di accumulo di energia ESS nel suo white paper tecnico, di seguito è riportato un estratto.

L'elettricità nella sua forma grezza non può essere immagazzinata su nessuna scala, ma attraverso l'uso di un sistema di accumulo di energia (ESS), può essere convertita in altre forme di energia che possono essere immagazzinate. Queste forme di energia possono essere riconvertite in elettricità quando necessario.

I sistemi di accumulo di energia offrono un'ampia gamma di approcci tecnologici alla gestione della nostra fornitura di elettricità, nel tentativo di creare un'infrastruttura energetica più resiliente e di risparmiare sui costi per i servizi pubblici e i consumatori. Le attuali tecnologie dei sistemi di accumulo di energia includono batterie, volani, aria compressa, accumulo idrico pompato e altro ancora. Oggi, tutti questi sistemi sono ancora limitati nell'energia totale che possono immagazzinare, ma la ricerca continua a migliorare rapidamente queste tecnologie.

La rete elettrica statunitense è costruita su un delicato equilibrio tra l'offerta di elettricità e la domanda dei consumatori. Un modo efficace per aiutare a bilanciare le fluttuazioni della domanda e dell'offerta di elettricità è immagazzinare l'elettricità durante i periodi di alta produzione e bassa domanda, e poi rilasciarla nuovamente alla rete durante i periodi di bassa produzione o alta domanda.

Qui discutiamo di come lo stoccaggio di elettricità può fornire a tutti noi affidabilità, vantaggi economici e ambientali. A seconda dell'estensione della sua diffusione, lo stoccaggio di elettricità potrebbe aiutare la rete statunitense a funzionare in modo più efficiente, ridurre la probabilità di interruzioni durante i periodi di picco della domanda e consentire l'uso di più risorse rinnovabili. immagine

Crescente domanda di accumulo di elettricità

Dalla scoperta dell'elettricità, molti ricercatori e scienziati hanno cercato modi efficienti per immagazzinare energia per un uso su richiesta. Negli ultimi 100 anni, l'industria dello stoccaggio di energia è cresciuta e si è innovata in risposta alle mutevoli richieste di elettricità e ai progressi tecnologici.

Oggi i consumatori negli Stati Uniti usano l'elettricità 24 ore al giorno. Che siamo svegli o addormentati, il nostro bisogno di elettricità è costante. I consumatori americani tendono a dare per scontato quanto sia facile ottenere l'energia di cui abbiamo bisogno per alimentare i nostri elettrodomestici, elettrodomestici, strumenti, macchine, veicoli e tutto ciò che usiamo giorno e notte.

Tuttavia, l'attuale rapida diffusione dei veicoli elettrici, ad esempio, ha esercitato una maggiore pressione sulla rete e ha bisogno di soddisfare una maggiore domanda di energia. Inoltre, il progresso tecnologico e la crescita nel mercato dell'energia rinnovabile (ad es. solare, eolica, ecc.) è stato un importante motore della domanda di accumulo di energia dato il notevole impatto sulla rete.

Tecnologia di accumulo di energia

Una caratteristica fondamentale del settore elettrico è che il livello di elettricità che può essere generato è fisso per brevi periodi di tempo. Invece, la domanda di elettricità oscilla durante il giorno. Lo sviluppo di tecnologie per immagazzinare l'energia elettrica in modo che sia disponibile quando è necessario rappresenta un cambiamento importante nel modo in cui l'elettricità viene distribuita.

Sistema di accumulo di energia

I sistemi di accumulo di energia (ESS) sono progettati per gestire i livelli di elettricità necessari per alimentare i clienti durante le ore di punta quando la domanda è maggiore, contribuendo in definitiva a rendere più agevole l'uso dell'energia rinnovabile e immettendola più facilmente nel sistema di distribuzione.

L'ESS aiuterà anche a bilanciare la microrete per raggiungere un equilibrio stabile tra generazione e carico. Il sistema di accumulo dell'energia può fornire la regolazione della frequenza: è fondamentale mantenere la frequenza dell'intero sistema a 60 Hz. Ciò mantiene un equilibrio tra carico di rete e potenza generata. Inoltre, l'implementazione di ESS può anche fornire un'alimentazione elettrica più affidabile per impianti industriali ad alta tecnologia. Lo stoccaggio dell'energia e l'elettronica di potenza promettono incoraggianti per la trasformazione del settore energetico.

Elettronica di potenza ad alta tensione

L'elettronica di potenza ad alta tensione, come interruttori, controller e inverter, controlla la potenza in modo rapido e preciso per supportare la trasmissione su lunghe distanze. Questi dispositivi ad alta tensione consentiranno al sistema di funzionare in modo più efficiente e di rispondere efficacemente ai disturbi più rapidamente. Un'altra grande sfida da affrontare è la riduzione del costo della tecnologia di accumulo dell'energia e dell'elettronica di potenza per accelerare l'accettazione da parte del mercato.

Programma di accumulo di energia DOE

L'Energy Storage Program (ESP) istituito dall'Office of Electricity (OE) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti conduce attività di ricerca e sviluppo su varie tecnologie di accumulo dell'energia. Questa vasta base tecnologica include batterie (convenzionali e avanzate), condensatori elettrochimici, volani, elettronica di potenza, sistemi di controllo e strumenti software per l'ottimizzazione e il dimensionamento dello storage. ESP lavora a stretto contatto con i partner del settore: molti dei suoi progetti prevedono un'elevata condivisione dei costi.

L'Energy Storage Program (ESP) offre ai servizi pubblici e ai dipartimenti energetici statali l'opportunità di collaborare alla progettazione, all'approvvigionamento, all'installazione e alla messa in servizio di importanti impianti di stoccaggio innovativi fino a diversi megawatt. Supporta inoltre studi analitici delle prestazioni tecniche ed economiche delle tecnologie di accumulo, nonché valutazioni tecniche dei componenti del sistema di accumulo dell'energia e dei sistemi operativi.

Un migliore accumulo di energia può offrire molteplici vantaggi all'industria energetica e ai suoi clienti residenziali, nonché alle aziende manifatturiere industriali e alle imprese commerciali. Questi vantaggi includeranno una migliore qualità dell'energia e un'erogazione affidabile di energia ai clienti e una maggiore stabilità e affidabilità dei sistemi di trasmissione e distribuzione.

L'Energy Storage Program (ESP) incoraggia le utility ad aggiornare le apparecchiature esistenti per rinviare o eliminare costosi aggiornamenti, migliorando la disponibilità e aumentando il valore di mercato dell'energia distribuita. Gli ESP forniscono ai servizi pubblici e ai fornitori una generazione di energia rinnovabile di valore superiore e costi inferiori grazie a una maggiore capacità e al differimento dei pagamenti di trasmissione.

ESP sta anche lavorando per aumentare la densità di stoccaggio dell'energia attraverso la ricerca sugli elettroliti avanzati per le batterie a flusso, lo sviluppo di batterie al sodio a bassa temperatura e gli elettrodi nanostrutturati con prestazioni elettrochimiche migliorate. Nel campo dell'elettronica di potenza, la ricerca su nuovi materiali ad alta tensione, alta potenza, alta frequenza e banda proibita larga come il carburo di silicio e il nitruro di gallio sta avanzando. Inoltre, sono in corso ricerche su sistemi avanzati di conversione di potenza che utilizzano componenti magnetici avanzati, condensatori ad alta tensione, packaging e controlli avanzati per aumentare significativamente la densità di potenza e le prestazioni.

Pianeta energetico

L'Energy Earthshots Initiative è un'altra iniziativa del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per accelerare i progressi verso soluzioni di energia pulita più abbondanti, convenienti e affidabili entro un decennio. Il raggiungimento dell'Energy Earthshots Initiative aiuterà gli Stati Uniti ad affrontare gli ostacoli più difficili per affrontare la crisi climatica, far crescere un'economia basata sull'energia pulita e muoversi più rapidamente verso emissioni nette di carbonio pari a zero entro il 2050.

DOE - Colpi terrestri di accumulo di energia a lungo termine

Long Duration Storage Energy Earthshots (LDSEE) ha fissato l'obiettivo di ridurre del 90% entro un decennio il costo dell'accumulo di energia su scala di rete per i sistemi che durano più di 10 ore. Lo stoccaggio di energia ha il potenziale per accelerare la completa decarbonizzazione della rete.

Stoccaggio di durata più breve è attualmente in fase di installazione per supportare i livelli odierni di generazione di energia rinnovabile. Poiché sempre più energia rinnovabile viene distribuita sulla rete, sono necessarie tecnologie di stoccaggio di maggiore durata. Uno stoccaggio più economico ed efficiente renderà più fattibile catturare e immagazzinare energia pulita rinnovabile da utilizzare quando la produzione di energia non è disponibile o scende al di sotto della domanda.

Ad esempio, l'energia rinnovabile come l'energia solare generata durante il giorno può essere utilizzata di notte quando la domanda aumenta, oppure l'energia nucleare generata durante i periodi di bassa domanda può essere utilizzata quando la domanda aumenta. LDSS prenderà in considerazione tutti i tipi di tecnologie: vettori elettrochimici, meccanici, termici, chimici o qualsiasi combinazione che abbia il potenziale per soddisfare gli obiettivi di durata e costo richiesti per la flessibilità della rete.

fondi

Diversi uffici del DOE conducono attività di accumulo di energia e la richiesta di budget per l'anno fiscale 2022 del presidente include un totale di 1,16 miliardi di dollari per queste attività, monitorate attraverso la sezione trasversale della Grande sfida per l'accumulo di energia. In attesa del finanziamento della sovvenzione, il DOE prevede opportunità di finanziamento e altre attività per contribuire a far progredire il progresso verso gli obiettivi LDSS, in linea con la tabella di marcia delle grandi sfide per lo stoccaggio dell'energia del DOE.

Raggiungere l'obiettivo di zero emissioni nette di carbonio

Gli obiettivi di Long-Term Earth Storage (LDSS) sono fondamentali per raggiungere zero emissioni nette di carbonio per la rete entro il 2035 e per l'economia nel suo complesso entro il 2050. Lo stoccaggio di energia può migliorare il controllo locale del sistema energetico e creare resilienza per le comunità che sperimentano frequenti interruzioni di corrente o potrebbero non avere accesso alla rete. Lo sviluppo della tecnologia e della produzione per soddisfare gli obiettivi di costo LDSS creerà anche un nuovo settore di produzione di prodotti di memoria negli Stati Uniti.

Poiché il costo delle tecnologie solari ed eoliche scende rapidamente, una quota crescente di energia rinnovabile variabile diventerà la norma in futuro. L'uso di veicoli elettrici sta accelerando gli sforzi per decarbonizzare il settore dei trasporti.

La necessità di soddisfare la fornitura di energia variabile mentre il settore energetico fornisce una produzione ininterrotta è un obiettivo raggiungibile. Gli sforzi per integrare le energie rinnovabili come il solare, l'eolico e altre risorse rinnovabili nei settori di utilizzo finale hanno mostrato un potenziale significativo e l'importanza fondamentale dello stoccaggio dell'elettricità per raggiungere una profonda decarbonizzazione.

Lo stoccaggio di elettricità basato su batterie in rapido miglioramento e altre tecnologie consentirà una maggiore flessibilità del sistema, una risorsa fondamentale in quanto la quota di energia rinnovabile variabile continua ad aumentare. Lo stoccaggio di elettricità può abilitare un settore dei trasporti dominato dai veicoli elettrici, abilitare efficienti sistemi solari domestici off-grid 24-ore e supportare microreti rinnovabili al 100%.

previsione internazionale

Nel rapporto Electricity Storage and Renewable Energy: Costs and Markets, l'Agenzia internazionale per le energie rinnovabili (IRENA) analizza i costi e le prestazioni attuali di una gamma di tecnologie di stoccaggio dell'elettricità in applicazioni stazionarie, nonché il loro potenziale di riduzione dei costi e miglioramento delle prestazioni attraverso 2030 entro il 2030. "

Il rapporto ha concluso che la capacità totale di stoccaggio dell'elettricità potrebbe triplicare in termini di energia entro il 2030. Con la rapida adozione delle rinnovabili, questo dovrebbe essere sufficiente a raddoppiare la quota di rinnovabili nel mix energetico globale in meno di 15 anni. L'accumulo di carica della batteria potrebbe 17-piegarsi e il costo della tecnologia di accumulo della batteria potrebbe diminuire fino al 66% .

Questa ricerca mostra che i sistemi di accumulo della batteria hanno un enorme potenziale per l'implementazione e la riduzione dei costi. I costi totali installati potrebbero diminuire dal 50% al 60% entro il 2030, con un ulteriore calo dei costi delle batterie. Tutto ciò è guidato dall'ottimizzazione degli impianti di produzione, nonché da una migliore composizione e da un ridotto utilizzo di materiale.

Tecnologia del sistema di accumulo di energia

I sistemi di accumulo di energia (ESS) offrono un'ampia gamma di approcci tecnologici alla gestione della nostra fornitura di elettricità per creare un'infrastruttura energetica più resiliente e risparmiare sui costi per servizi pubblici e consumatori. I vari approcci attualmente utilizzati in tutto il mondo sono discussi di seguito.