Moderni dispositivi di accumulo di energia, i tipi più comuni di accumulo di energia

Dispositivi di accumulo di energia sono sistemi che immagazzinano energia in varie forme, come quella elettrochimica, cinetica, potenziale, elettromagnetica, chimica e termica, utilizzando ad esempio celle a combustibile, batterie, condensatori, volani, aria compressa, accumulatori idraulici, supermagneti, idrogeno, ecc. .

I dispositivi di accumulo dell'energia sono una risorsa importante e sono spesso utilizzati per fornire energia ininterrotta o per supportare il sistema di alimentazione durante periodi di instabilità a brevissimo termine, oltre a svolgere un ruolo importante nei sistemi autonomi di energia rinnovabile.

I criteri principali per i dispositivi di accumulo di energia richiesti per un'applicazione specifica sono:

• la quantità di energia in termini di energia specifica (in Wh · kg -1) e densità di energia (in Wh · kg -1 o Wh · l -1);
• energia elettrica, ad es. carico elettrico richiesto;
• volume e massa;
• affidabilità;
• durabilità;
• sicurezza;
• prezzo;
• riciclabile;
• impatto sull'ambiente.

Quando si scelgono dispositivi di accumulo di energia, è necessario considerare le seguenti caratteristiche:

• potere specifico;
• capacità di memoria;
• energia specifica;
• tempo di reazione;
• efficienza;
• tasso di autoscarica / cicli di ricarica;
• sensibilità al calore;
• durata carica-scarica;
• impatto sull'ambiente;
• capitale / costi operativi;
• servizio.

I dispositivi di accumulo di energia elettrica sono parte integrante dei dispositivi di telecomunicazione (telefoni cellulari, telefoni, walkie-talkie, ecc.), dei sistemi di alimentazione di riserva e dei veicoli elettrici ibridi sotto forma di componenti di accumulo (batterie, supercondensatori e celle a combustibile).

I dispositivi di accumulo dell'energia, sia elettrici che termici, sono riconosciuti come tecnologie fondamentali per l'energia pulita.

Lo stoccaggio di energia a lungo termine ha un grande potenziale per un mondo in cui l'energia eolica e solare dominano l'aggiunta di nuove centrali elettriche e sostituiscono gradualmente altre fonti di elettricità.

L'eolico e il solare producono solo in determinati periodi, quindi hanno bisogno di tecnologia aggiuntiva per aiutare a colmare le lacune.

In un mondo in cui la quota di generazione di elettricità intermittente, stagionale e imprevedibile è in aumento e il rischio di desincronizzazione con il consumo è in aumento, lo stoccaggio rende il sistema più flessibile assorbendo tutte le differenze di fase tra produzione e consumo di energia.

Gli accumulatori fungono principalmente da cuscinetto e consentono una più facile gestione e integrazione delle fonti di energia rinnovabile sia nella rete che negli edifici, offrendo una certa autonomia in assenza di vento e sole.

Nei sistemi di generazione, possono risparmiare carburante e aiutare a evitare le inefficienze del generatore servendo il carico durante i periodi di bassa richiesta di potenza quando il generatore è meno efficiente.

Tamponando le fluttuazioni nella generazione rinnovabile, lo stoccaggio di energia può anche ridurre la frequenza degli avviamenti del generatore.

Negli impianti eolici e diesel ad alto potere penetrante (dove la potenza eolica installata supera il carico medio), anche una piccolissima quantità di accumulo riduce drasticamente la frequenza degli avviamenti diesel.

I tipi più comuni di dispositivi di accumulo di energia industriale:

Dispositivi industriali di accumulo di energia

Dispositivi di accumulo di energia elettrochimica

Le batterie, in particolare le batterie al piombo, rimangono il dispositivo di accumulo di energia predominante.

Molti tipi di batterie della concorrenza (batterie al nichel-cadmio, al nichel-metallo idruro, agli ioni di litio, allo zolfo di sodio, al metallo-aria, a flusso continuo) superano le batterie al piombo in uno o più aspetti delle prestazioni come la durata, l'efficienza, la densità energetica , velocità di carica e scarica, prestazioni a basse temperature o manutenzione richiesta.

Nella maggior parte dei casi, tuttavia, il loro basso costo per chilowattora di capacità rende le batterie al piombo la scelta migliore.

Alternative come volani, ultracondensatori o stoccaggio dell'idrogeno potrebbero avere successo commerciale in futuro, ma oggi sono rare.

Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) sono ora una moderna fonte di alimentazione per tutti i moderni dispositivi elettronici di consumo. La densità energetica volumetrica delle batterie prismatiche agli ioni di litio per l'elettronica portatile è triplicata negli ultimi 15 anni.

Man mano che emergono diverse nuove applicazioni per le batterie agli ioni di litio, come i veicoli elettrici e i sistemi di accumulo di energia, il design delle celle e i requisiti prestazionali cambiano costantemente e presentano sfide uniche per i produttori di batterie tradizionali.

Pertanto, l'elevata domanda di funzionamento sicuro e affidabile delle batterie agli ioni di litio ad alta energia e densità di potenza diventa inevitabile.

Applicazione di dispositivi di accumulo di energia elettrochimica nell'industria energetica:

Impianti di accumulo, utilizzo di batterie per immagazzinare energia elettrica

Supercondensatori elettrochimici

I supercondensatori sono dispositivi di accumulo di energia elettrochimica che possono essere completamente caricati o scaricati in pochi secondi.

Con la loro maggiore densità di potenza, i minori costi di manutenzione, l'ampio intervallo di temperature e il ciclo di lavoro più lungo rispetto alle batterie secondarie, i supercondensatori hanno ricevuto un'attenzione significativa dalla ricerca nell'ultimo decennio.

Hanno anche una maggiore densità di energia rispetto ai condensatori dielettrici elettrici convenzionali.La capacità di immagazzinamento di un supercondensatore dipende dalla separazione elettrostatica tra gli ioni dell'elettrolita e gli elettrodi di grande superficie.

La minore energia specifica dei supercondensatori rispetto alle batterie agli ioni di litio è un ostacolo al loro uso diffuso.

Migliorare le prestazioni dei supercondensatori è necessario per soddisfare le esigenze dei sistemi futuri, dall'elettronica portatile ai veicoli elettrici e alle grandi apparecchiature industriali.

Supercondensatori in dettaglio:
Ionisti (supercondensatori): dispositivo, applicazione pratica, vantaggi e svantaggi

Accumulo di energia ad aria compressa

Lo stoccaggio di energia ad aria compressa è un modo per immagazzinare l'energia prodotta in un dato momento per utilizzarla in un altro momento. A livello di utilità, l'energia generata durante i periodi di bassa domanda di energia (non di punta) può essere rilasciata per soddisfare i periodi di alta domanda (carico di punta).

Lo stoccaggio isotermico ad aria compressa (CAES) è una nuova tecnologia che tenta di superare alcuni dei limiti dei sistemi tradizionali (diabatici o adiabatici).

Accumulo di energia criogenica

La Gran Bretagna prevede di costruire 250 MWh di stoccaggio di aria liquefatta. Sarà abbinato a un parco di fonti energetiche rinnovabili e ne compenserà le interruzioni.

La messa in servizio è prevista per il 2022. Le unità di accumulo di energia criogenica funzioneranno in collaborazione con il Trafford Energy Park vicino a Manchester, dove parte della produzione di elettricità proviene da pannelli fotovoltaici e turbine eoliche.

Questo impianto di stoccaggio compenserà le interruzioni nell'uso di queste fonti energetiche rinnovabili.

Il principio di funzionamento di questa installazione si baserà su due cicli di sostituzione del condizionatore d'aria.

L'energia elettrica verrà utilizzata per aspirare aria e poi raffreddarla a temperature molto basse (-196 gradi) fino a renderla liquida. Verrà quindi immagazzinato in grandi serbatoi isolati a bassa pressione appositamente adattati per questo uso.

Il secondo ciclo avverrà quando ci sarà bisogno di energia elettrica. Il liquido criogenico viene riscaldato da uno scambiatore di calore per continuare la vaporizzazione e riportarlo allo stato gassoso.

L'evaporazione del liquido criogenico provoca l'espansione del volume del gas, che aziona le turbine che generano elettricità.

Dispositivi di accumulo dell'energia cinetica

Un volano è un dispositivo meccanico rotante utilizzato per immagazzinare l'energia rotazionale. Il volano può catturare energia da fonti energetiche intermittenti nel tempo e fornire una fornitura continua di energia elettrica alla rete.

I sistemi di accumulo dell'energia del volano utilizzano l'energia elettrica in ingresso che viene immagazzinata come energia cinetica.

Sebbene la fisica dei sistemi meccanici sia spesso abbastanza semplice (come girare un volano o sollevare pesi), le tecnologie che consentono di utilizzare queste forze in modo efficace ed efficiente sono particolarmente avanzate.

Materiali high-tech, i più recenti sistemi di controllo computerizzato e un design innovativo rendono questi sistemi adatti ad applicazioni reali.

I sistemi UPS per lo stoccaggio cinetico commerciale sono costituiti da tre sottosistemi:

• dispositivi di accumulo di energia, solitamente un volano;
• dispositivi di distribuzione;
• un generatore separato che può essere avviato per fornire potenza tollerante ai guasti sulla capacità di accumulo di energia.

Il volano può essere integrato con un generatore di backup, che migliora l'affidabilità collegando direttamente i sistemi meccanici.

Ulteriori informazioni su questi dispositivi:

Dispositivi di accumulo di energia cinetica per l'industria energetica

Come sono disposti e funzionano i dispositivi di accumulo dell'energia (cinetica) del volano

Immagazzinamento di energia magnetica superconduttiva ad alta temperatura (SMES) per reti elettriche:

Come funzionano e operano i sistemi di accumulo di energia magnetica superconduttori