나는 백서와 사양 시트를 읽는 데 너무 많은 시간을 보냈습니다.에너지 저장. 그리고 제가 알아낸 것은 다음과 같습니다. 전체 풍경은 대부분의 기사에서 설명하는 것보다 더 복잡하고 흥미롭습니다.
모두가 배터리에 대해 이야기합니다. 당연합니다.-지금은 어디에나 있습니다. 그런데 에너지 저장? 그것은 훨씬 더 큰 대화입니다. 우리는 산꼭대기에 있는 거대한 물 저장소부터 진공실에 있는 회전하는 금속 덩어리에 이르기까지 모든 것에 대해 이야기하고 있습니다. 이러한 기술 중 일부는 증조부모님이 어렸을 때부터 사용되어 왔습니다.- 다른 것들은 주로 연구실과 PowerPoint 프리젠테이션에 존재합니다.
실제로 무엇이 있는지 안내해 드리겠습니다.
아무도 이야기하지 않는 오래된 일꾼
양수식 수력 저장 장치. 지루할 것 같죠? 서로 다른 높이에 있는 두 개의 저수지, 일부 터빈, 위아래로 흐르는 물. 간단한 물리학.
하지만 여기에는{0}}이 "지루한" 기술이 전 세계 모든 그리드 규모 에너지 저장의 약 95%를 처리하는-사실이 있습니다. 90-5퍼센트입니다. 사람들이 배터리 화학에 대해 토론하고 리튬과 나트륨에 대해 논쟁할 때, 양수된 수력은 뒤에서 조용히 그 역할을 수행합니다.
개념은 당황스러울 정도로 간단합니다. 전기 요금이 저렴할 때(보통 밤, 또는 태양이 타오르고 태양 전지판이 작동할 때), 저수지에 물을 펌프질하여 언덕 위로 올립니다. 가격이 급등하거나 수요가 급증하면 그 물이 터빈을 통해 다시 흘러내리게 됩니다. 효율성은 70-85% 정도로 완벽하지는 않지만 저장 용량은 엄청납니다. 우리는 기가와트-시간의 에너지를 저장할 수 있는 시설에 대해 이야기하고 있습니다. 메가와트-시간이 아닙니다. 기가와트-시간. 리튬이온으로 시도해 보세요.
물론 문제가 있습니다. 지리가 필요합니다. 두 개의 저수지가 필요합니다. 적절한 고도차가 필요합니다. 캔자스에서는 이것들 중 하나를 정확하게 만들 수 없습니다. 환경 허가에만 수년이 걸립니다. 그리고 초기 비용은요? 천문학적. 하지만 일단 건설되면 이 발전소는 50년, 60년, 때로는 80년 동안 운영됩니다. 버지니아의 배스 카운티 시설은 1985년부터 운영되어 왔으며 중단될 기미가 보이지 않습니다.
압축 공기: 지하 접근 방식
압축 공기 에너지 저장 장치(CAES)는 펌핑 수력의 이상한 사촌입니다. 물을 이동시키는 대신, 지하 동굴-소금 돔, 고갈된 천연 가스전, 대수층, 사용 가능한 모든 지질 구조로 공기를 압축합니다.
사용량이 적은-시간에는 생각만 해도 귀가 터질 정도의 압력으로 전기 압축기가 지하 공간으로 공기를 밀어넣습니다. 전력이 필요할 때 압축 공기가 방출되어 가열되고(대개는 그다지 친환경적이지 않은 천연 가스를 사용하여) 터빈을 통과합니다.
현재 운영 중인 상업용 CAES 플랜트는 단 2개뿐입니다. 둘. 하나는 독일에서 1978년부터 운영되고 있고 다른 하나는 1991년부터 앨라배마에서 운영되고 있습니다. 기술은 확실히 작동합니다. 그러나 지질학적 요건은 엄격하고 많은 지역에서는 경제성이 제대로 반영되지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 연구자들은 압축 열을 포착하여 재사용하여 천연 가스가 필요 없는 고급 버전-단열 시스템을 계속 연구하고 있습니다. 현재로서는 대부분 파일럿 프로젝트에 존재합니다.
플라이휠: 순수한 기계적 아름다움
인정합니다.-플라이휠은 제가 가장 좋아하는 것입니다. 에너지를 회전 운동으로 저장하는 것에는 뭔가 우아한 점이 있습니다.
플라이휠 시스템은 기본적으로 마찰을 최소화하기 위해 자기 베어링에 매달려 진공 챔버에서 회전하는 무거운 로터입니다. 전력이 과잉되면 모터가 플라이휠을 더 빠르게 회전시킵니다. 다시 전력이 필요할 때 회전하는 질량이 발전기를 구동합니다. 물리학은 깨끗하고 직관적입니다.
플라이휠은 배터리가 싫어하는 것, 즉 빠른 충전-방전 주기, 수명 동안 수백만 번의 주기, 밀리초 단위로 측정되는 즉각적인 응답 시간 등의 장점이 뛰어납니다. 이는 주파수 조절에 적합합니다.{2}}그리드가 정확히 60Hz(또는 거주 지역에 따라 50Hz)에서 안정적으로 유지되어야 하는 작고 지속적인 조정입니다.
그 사람들이 잘 못하는 게 뭐야? 장기간 에너지를 저장합니다. 최고의 자기 베어링과 거의-완벽한 진공 상태를 사용하더라도 플라이휠은 시간이 지남에 따라 마찰로 인해 에너지를 잃습니다. 하루 동안 그대로 놔두면 저장된 에너지의 상당 부분을 잃게 됩니다. 일주일 동안 그대로 두십시오. 귀찮게하지 마십시오.
따라서 플라이휠은 짧은-기간, 고전력-애플리케이션이라는 특정한 틈새 시장을 점유합니다. 데이터 센터는 디젤 발전기가 작동하는 데 걸리는 몇 초 동안 이를 교량 전력으로 사용합니다. 일부 운송 시스템은 제동 에너지를 플라이휠로 회수하여 몇 초 내에 다시 세 번째 레일로 방전합니다. NASA는 우주선을 위해 그들과 함께 놀았습니다.
배터리: 모두가 실제로 관심을 갖는 카테고리
좋아, 배터리에 대해 이야기해보자. 최근 몇 년 동안 전기화학적 옵션이 폭발적으로 증가하여 솔직히 혼란스럽습니다.
리튬-이온정당한 이유로 대화를 지배합니다. 높은 에너지 밀도는 더 적은 공간에 더 많은 저장 공간을 의미합니다. 특히 최신 화학 물질의 경우 적절한 사이클 수명을 제공합니다. 비용은-2010년 이후로 90%나 급락했습니다. 휴대폰, 노트북, 전기 자동차 및 점점 더 늘어나는 그리드 스토리지는 모두 다양한 리튬-이온으로 실행됩니다.
하지만 "리튬-이온"은 한 가지가 아닙니다. 가족이에요. 인산철리튬(LFP)은 안전성을 높이고 수명을 연장하기 위해 에너지 밀도를 일부 희생합니다.{3}}윤리적으로나 경제적으로 중요한 코발트는 사용하지 않습니다. 중국 제조업체는-LFP에 올인했고 이제는 LFP가 그 자리를 차지하고 있습니다. 한편, 니켈-망간-코발트(NMC)는 킬로그램당 더 많은 에너지를 함유하고 있으며 이는 전기 자동차에 적절한 주행 거리를 제공하려고 할 때 중요합니다.
리튬-이온의 어두운 면은 무엇인가요? 열 폭주. 이러한 배터리는 손상되거나 과충전되거나 운이 좋지 않으면 엄청난 방식으로 화재가 발생할 수 있습니다. 제조는 에너지-집약적입니다. 리튬과 코발트 공급망에는 고유한 윤리적 수하물이 있습니다. 재활용 인프라가 개선되고 있지만 대부분의 사용한 배터리는 여전히 매립지에 버려지고 있습니다.
플로우 배터리완전히 다른 접근 방식을 취하십시오. 고체 전극에 에너지를 저장하는 대신 외부 탱크에 액체 전해질을 사용합니다. 더 많은 에너지 용량을 원하시나요? 그냥 더 큰 탱크를 구입하세요. 힘과 에너지가 분리되어 전체 디자인 철학이 바뀌었습니다.
VRFB(바나듐 산화환원 흐름 배터리)는 가장 성숙한 버전입니다. 거의 영원히 지속됩니다.-15,000~20,000주기, 어쩌면 그 이상일 수도 있습니다. 깊은 방전으로 인한 성능 저하가 없습니다. 전해질은 마모되지 않습니다. 단지 셀 스택을 통해 앞뒤로 출렁거릴 뿐입니다. 20-년이 지나면 전해질을 빼내고 다른 곳으로 보내서 계속 사용할 수 있습니다.
그러나 흐름 배터리는 부피가 큽니다. 낮은 에너지 밀도는 차량이나 휴대용 응용 분야에 적합하지 않음을 의미합니다. 바나듐도 가격이 저렴하지 않습니다. 설치 공간은 중요하지 않고 수명도 중요한 그리드-규모의 스토리지를 원하십니까? 그들은 점점 더 매력적입니다.
납-산1859년 이래로 기본적으로 변하지 않은 원래의 충전식 배터리입니다. 자동차는 배터리 하나로 시작됩니다. 가격이 저렴하고-이해가 쉬우며 98% 재활용이 가능합니다. 그러나 사이클 수명은 평범하고 에너지 밀도가 낮으며 무겁습니다. 그리드 애플리케이션의 경우 대부분 대체되었지만 비용이 무엇보다 중요한 백업 전력 시스템에서는 여전히 지배적입니다.
나트륨-이온새로 온 사람이 심각한 관심을 받고 있습니다. 나트륨은-말 그대로 바닷물 어디에나 존재하므로-공급망 문제는 기본적으로 사라집니다. 제조 공정에서는 기존 리튬{4}}이온 공장 장비를 재사용할 수 있습니다. 성능은 아직 리튬-이온 수준은 아니지만 그 격차를 빠르게 좁히고 있습니다. CATL은 2023년에 대량 생산을 시작했습니다. 5년 안에 나트륨-이온은 고정식 저장 분야에서 상당한 시장 점유율을 차지할 수 있습니다.
나는 언급해야한다니켈-카드뮴(카드뮴은 독성이 있어 EU에서 이를 제한했지만 일부 산업 응용 분야에서는 여전히 사용됩니다.)니켈-금속 수소화물(리튬이 되기 전의 프리우스를 기억하시나요?) 그리고나트륨-황(2000년대 일본 기업이 열심히 추진한 고온-시스템) 하지만 이 시점에서는 단지 나열하기 위해 나열하고 있습니다. 실제 현실은 리튬{4}}이온 및 플로우 배터리가 작동하는 곳이며 나트륨-이온이 빠르게 발생한다는 것입니다.
축열: 배터리로서의 열
여기에 충분한 관심을 받지 못하는 카테고리가 있습니다: 에너지를 열(또는 냉기)로 저장하는 것입니다.
용융염 저장집광형 태양광 발전소가 밤에 작동하는 방식입니다. 거울은 햇빛을 탑에 집중시켜 용융염을 500~600도까지 가열합니다. 그 소금은 단열 탱크에 저장되어 전기가 필요할 때 이를 사용하여 증기를 만들고 터빈을 가동합니다. 스페인 게마솔라 발전소는 일몰 후 15시간 동안 전력을 생산할 수 있다. 네바다주의 초승달 언덕은 10시간 동안 생성될 수 있는 충분한 열을 보유하고 있습니다.
용융염의 멋진 점은 열 저장 비용이 저렴하다는 것입니다. 배터리보다 kWh당 비용이 훨씬 저렴합니다. 좋지 않은-점은 왕복-효율성-입니다. 열을 전기로 변환하고 다시 변환하는 과정에서 많은 손실이 발생합니다.
얼음 저장시간 이동과-열적으로 동일합니다. 상업용 건물은 전기 요금이 낮은 밤새 물을 얼린 다음, 그 얼음을 사용하여 피크 시간대에 에어컨을 제공합니다. 화려하지는 않지만 효과가 있습니다. 디즈니 월드가 그것을 사용합니다. 더운 기후의 많은 사무실 건물에서 이를 사용합니다. 기본적으로 얼음을 냉각 수요를 위한 배터리로 사용하고 있습니다.
새로운 개념도 있습니다:카르노 배터리전기를 열로 저장했다가 열 엔진을 사용해 다시 변환하는 장치,{0}}전기 난방 장치를 시간 이동시키는 온수 탱크, 동네 전체를 위한 계절별 열 저장 장치 등이 있습니다. 열우주는 놀라울 정도로 깊습니다.
수소: 와일드카드
수소 에너지 저장에는 열정적인 옹호자와 가혹한 비판자가 있는데, 솔직히 둘 다 타당한 주장을 가지고 있습니다.
매력은 간단합니다. 잉여 재생 가능 전기를 사용하여 물을 수소와 산소로 분리하는 것입니다(전기분해). 수소를 저장하세요. 전력이 필요할 때는 연료전지를 통해 구동하거나 터빈에서 연소시키세요. 수소는 매우 오랜 기간-주, 달, 심지어 계절에 걸쳐 엄청난 양의 에너지를 저장할 수 있습니다.
비판도 마찬가지로 간단합니다. 왕복 효율성이 -끔찍합니다. 전기분해로 인해 30%의 손실이 발생합니다. 압축이나 액화 시 더 많은 손실이 발생합니다. 전기로 다시 전환하는 데 더 많은 손실이 발생합니다. 처음부터 끝까지--원래 에너지의 30{11}}40%를 돌려받을 수도 있습니다. 리튬이온의 경우 85~90%인 것과 비교해보세요.
그렇다면 수소는 언제 의미가 있습니까? 장기간 동안 엄청난 양의 에너지를 저장해야 하는 경우. 높은 열이 필요한 산업 공정을 탈탄소화할 때. 장거리 운송이 가능한 에너지 운반체가 필요한 경우. 다른 옵션으로는 문자 그대로 작업을 수행할 수 없는 경우.
독일은 수소에 크게 투자했습니다. 일본도 마찬가지다. 호주는 그린수소를 아시아로 배송하기 위한 수출 인프라를 구축하고 있습니다. 이 베팅의 성공 여부는 배터리 개선보다 비용이 더 빨리 낮아지고-배터리가 빠르게 개선되는지에 달려 있습니다.
매우-짧은-기간 관련 항목
슈퍼커패시터전기화학적으로 에너지를 저장하는 것이 아니라 정전기적으로 에너지를 저장합니다. 거의 순간적으로 충전 및 방전할 수 있고 수백만 번의 주기를 처리하며 엄청난 전력 밀도를 제공할 수 있습니다. 그들이 할 수 없는 것은 많은 에너지를 저장하는 것입니다. 선적 컨테이너 크기의 슈퍼커패시터 뱅크에는 여행 가방 크기의 배터리 팩이 담을 수 있는 양을 저장할 수 있습니다.
가장 좋은 점은 초단기 버스트입니다. 즉, 대중교통 시스템의 회생 제동, 재생 가능 설비의 원활한 전력 공급, 배터리가 작동하기 전에 UPS에 필요한-초 단위의 전력 공급이 가능합니다.
초전도 자기 에너지 저장(SMES)는 훨씬 더 이국적입니다. 극저온으로 냉각된 초전도 코일에 의해 생성된 자기장에 에너지를 저장합니다. 거의-즉각적인 응답, 성능 저하 없음, 본질적으로 무한한 주기 수명. 그러나 초전도 온도를 유지하는 데 드는 비용과 복잡성으로 인해 SMES는 틈새 애플리케이션-주로 순간적인 전압 강하에도 수백만 달러가 소요되는 반도체 제조 시설 및 기타 시설의 전력 품질에 사용되었습니다.
중력 저장: 새롭고 오래된 아이디어
언급할 가치가 있는 카테고리가 하나 더 있습니다. 수력을 펌핑하지 않는 중력-기반 시스템입니다.
에너지 금고거대한 콘크리트 블록을 쌓고 푸는 크레인 시스템을 구축합니다. 에너지가 저렴할 때 블록을 들어올리고, 전력이 필요할 때 발전기를 통해 블록을 낮추십시오. 본질적으로 물 없이 펌핑된 수력발전소입니다.
다른 회사에서는 폐광을 탐색하고 있습니다.-수갱 아래로 무게를 낮추고 다시 들어올립니다. 아니면-특수 목적으로 타워를 지었습니다. 또는 경사진 선로에 암석을 실은 철도 차량과 관련된 개념도 있습니다.
배심원단은 이들 제품이 경제적으로 경쟁할 수 있는지 여부에 대해서는 아직 판단하지 않고 있습니다. 중력 저장 장치의 에너지 밀도는 본질적으로 낮습니다.-의미 있는 에너지를 저장하려면 많은 질량과 높이가 필요합니다. 그러나 지지자들은 값싼 재료(콘크리트, 자갈)와 단순한 기계 장치를 사용하면 장기간 사용 시 배터리보다 비용이 더 많이 들 수 있다고 주장합니다.-
그렇다면 실제로 중요한 것은 무엇입니까?
여기까지 읽으셨다면 어떤 기술이 승리할지 궁금하실 것입니다.
질문이 잘못되었습니다.
에너지 저장 장치는 모든 시장을-점유-하는 승자는 아닙니다. 다양한 기술은 기간, 응답 시간, 위치, 비용 구조 및 애플리케이션에 따라 다양한 틈새 시장에 적합합니다.
밀리초 단위의 주파수 조정이 필요합니까? 플라이휠 또는 배터리. 태양광 발전소를 위해 4시간의 백업이 필요합니까? 리튬-이온 또는 플로우 배터리. 계절별 재생 가능 잉여분을 전환해야 합니까? 아마도 지리학적으로 허용된다면 수소이거나 펌핑된 수력일 것입니다. 수요가 가장 많을 때 건물을 냉각해야 합니까? 얼음 저장.
미래의 그리드는 단일 스토리지 기술로 실행되지 않습니다. 즉각적인 반응을 위한 다양한 기술-슈퍼커패시터, 몇 분에서 몇 시간 동안 사용 가능한 배터리, 일일 사이클링을 위한 펌핑 수력, 장기간 지속되는 수소 또는 열을 계층화합니다. 기간 스펙트럼의 각 슬롯은 해당 특정 애플리케이션에 대해 최고의 경제성을 제공하는 기술로 채워질 가능성이 높습니다.
흥미로운 점은 거의 모든 범주에서 비용이 감소하고 있다는 것입니다. 리튬-이온 배터리 가격이 하락했습니다. 전해조도 비슷한 학습 곡선을 따르고 있습니다. 플로우 배터리 생산량이 확대되고 있다. 양수 수력조차도 폐쇄형-루프 시스템과 지하 저수지를 통해 혁신을 보이고 있습니다.
10년 전에는 이 중 어떤 것도 경제적으로 대규모로 실행 가능해 보이지 않았습니다. 지금? 스토리지는 에너지 부문에서 가장 빠르게 성장하는-부문입니다.