Die Zeiten sind vorbei, in denen schlanke Arbeiter um sieben Uhr morgens zu den Maschinen gingen und um acht Uhr abends die Fabriken in derselben Reihenfolge verließen und dann fast gleichzeitig vor dem Fernseher einschliefen. Jetzt schlafen Megacities nie mehr ein und zusammen mit ihnen und der ganzen fortschrittlichen Menschheit rund um die Uhr "Eulen", die Unterhaltungsindustrie und globale Netzwerkunternehmen. Alle von ihnen benötigen Strom und dies jederzeit ohne ausgeprägte Zyklizität. Inzwischen verlagert sich die Welt auf erneuerbare Energiequellen, deren Produktion von natürlichen Bedingungen abhängt, die nicht vom Menschen kontrolliert werden. Wie in dieser Welt kann man sich eindecken und dann Strom teilen, um Stromausfälle zu vermeiden? Lassen Sie uns über das Beispiel der Toshiba-Technologien sprechen.
Plus die Elektrifizierung des gesamten Planeten
Der Stromverbrauch wird steigen. Die Hauptrichtungen dieses Prozesses sind die Elektrifizierung von Fahrzeugen, die Übertragung einiger industrieller Prozesse von der Wärmeenergie auf die Stromversorgung sowie das Wachstum des Stromverbrauchs der Haushalte. Insbesondere werden nach der Prognose der Internationalen Energieagentur bis 2040 130 Millionen Elektrofahrzeuge auf unserem Planeten fahren, obwohl es 2018 5,1 Millionen Einheiten gab. Insgesamt wird die Zahl der Autos jetzt auf 1 Milliarde geschätzt und bis 2035 auf 2 Milliarden Einheiten anwachsen. In der Lebensmittel-, Pharma-, Textil-, Papier- und anderen Industriezweigen wird Elektrizität Kohle und Gas bei der Erzeugung von Wärme mittlerer und niedriger Temperatur ersetzen. Die Elektrifizierung armer Länder wird auch fortgesetzt, wo Elektrizität im Alltag häufiger eingesetzt wird.Und der Anteil des Stroms am Gesamtenergieverbrauch wird von 19% im Jahr 2018 auf 24% im Jahr 2040 steigen.
Dementsprechend wird das Risiko von Stromausfällen zunehmen - große Stromausfälle, die eine Vielzahl von Verbrauchern betreffen. Nach Angaben der Weltbank kam es im Jahr 2019 im Durchschnitt aller Länder der Welt zu 6,8 Stromausfällen pro Monat. In den OECD-Ländern waren es zwar 0,4 Stromausfälle und in Russland 0,2 Stromausfälle pro Monat.
2003 US- und kanadische Stromnetzkatastrophe - Blick aus dem Weltraum. Am 14. August 2003 waren 10 Millionen Menschen in Kanada und 40 Millionen Menschen in den USA ohne Strom. Quelle: National Oceanic and Atmospheric Administration, Verteidigungsprogramm für meteorologische Satelliten / Wikimedia Commons
Gleichzeitig erfordert die Einführung von Technologien wie künstlicher Intelligenz und dem Internet der Dinge (einschließlich des industriellen Internet der Dinge) in die Produktion und den Alltag die Minimierung von Stromausfällen, die den Betrieb komplexer intelligenter Systeme ernsthaft stören können.
Darüber hinaus wird sich der Ansatz zum Energieverbrauch nach der Einführung erneuerbarer Energiequellen ändern, die je nach Tageszeit und Wetter unterschiedliche Leistungen erbringen. Tagsüber oder bei windigem Wetter erzeugen Sonnenkollektoren und Windparks mehr Strom als nachts und bei ruhigem Wetter. Dementsprechend ist es für alle Fälle besser, überschüssige Energie zu sparen. Aber wie?
Energiemetamorphose
Energieeinsparung, insbesondere im industriellen Maßstab, ist nicht einfach. Trotz der Tatsache, dass die Natur der Elektrizität gut verstanden ist, erfordert ihre Erhaltung entweder umständliche oder teure (oder beides gleichzeitig) technische Lösungen. Was schützt die stark elektrifizierte Welt der Zukunft vor Stromausfällen?
Kurz gesagt, Chemie und Mechanik. Fast alle Methoden zur Akkumulation von Elektrizität werden durch chemische Reaktionen oder mechanische Bewegungen auf ihre Umwandlung reduziert.
Die erste Idee, die jeder Smartphone-Benutzer oder Besitzer eines Elektroautos hat, lautet: Warum nicht riesige Lithium-Ionen-Batterien im industriellen Maßstab verwenden? Es wurden bereits Versuche unternommen, große Laufwerke dieses Typs zu erstellen. Zum Beispiel arbeitet Tesla jetzt daran, die Kapazität (von 100 auf 150 MW) des weltweit größten Lithium-Ionen-Speichers für Elektrizität zu erhöhen, der 2017 im Bundesstaat South Australia auf dem Grünen Kontinent gesammelt wurde. Es besteht aus Lithium-Ionen-Batterien von Tesla Powerpack, die für Nutz- und Industrieanwender entwickelt wurden. Im Inneren befinden sich 16 separate Akkus mit jeweils einem isolierten DC / DC-Wandler.
Die Leistung von jedem von ihnen erreicht 130 kW und der Energieverbrauch beträgt 232 kWh. Ein südaustralischer Speicher auf Basis von Tesla Powerpack hilft, Energie aus einem nahe gelegenen Windpark zu sparen. Bei voller Ladung kann diese "Batterie" mit einer Kapazität von 129 MWh 30.000 Haushalte mit Strom versorgen.
Unterschrift: Jedes Powerpack ist wie ein Ziegelstein, aus dem ein Energiespeicher aufgebaut ist. Ein Wechselrichter kann an ein bis 20 Powerpacks angeschlossen werden. Mit solchen Akkus und Wechselrichtern kann ein Speicher mit enormer Energieintensität geschaffen werden. Quelle: Tesla
Zusätzlich zu den bekannten Nachteilen solcher Batteriengibt es auch dies: Indem wir Lithium-Ionen-Batterien auf industriellen Maßstab erhöhen, erhöhen wir gleichermaßen das Problem ihrer Entsorgung. Während sie während des Betriebs umweltfreundlich bleiben, stellen große Batterien in Zukunft eine Gefahr für die Umwelt dar und sind problematisch, wenn sie abgeschrieben werden.
Eine andere Möglichkeit, Energie umzuwandeln, ist die Elektrolyse.
Lassen Sie uns am Beispiel unserer H2One-Installation erklären, über die wir bereits gesprochen haben.: Sonnenkollektoren ermöglichen den Prozess der Wasserelektrolyse, wodurch Wasserstoff freigesetzt wird; Wasserstoff wird entweder gespeichert oder dem Verbraucher zugeführt, und Wasserstoff kann sofort Wärme, mechanische Energie oder Elektrizität liefern, wenn er in einer Brennstoffzelle oxidiert wird. Das einzige Problem ist bisher, dass die Energie einer H2One-Station nur für kleine Objekte ausreicht, beispielsweise für den Bahnhof in der Stadt Kawasaki (Japan). Industrieller Maßstab in der Zukunft.
Die einfachsten, aber komplexesten Optionen sind mechanisch. Das allgemeine Schema lautet wie folgt: Während der Spitzenproduktionszeit wird Strom gespeichert, indem Gas oder Wasser in spezielle Tanks gepumpt, Lasten auf eine Höhe gehoben oder eine Feder zusammengedrückt werden. Während einer Zeit des Stromausfalls wird Energie mechanisch freigesetzt, indem die Substanz, das Gewicht oder die Feder gelöst werden. Das Prinzip ist einfach, umweltfreundlich, industriell skalierbar und sehr langlebig. Aus diesem Grund sind laut Vygon Consulting 95% der Energiespeichersysteme weltweit Pumpspeicherkraftwerke (PSPPs), die nur das nutzen, was uns die Natur gegeben hat - Wasser und Gebirgslandschaften zur Energiespeicherung.
Ich drehe, wirbele, ich möchte magnetisieren
In der Schweiz wurde erstmals die Nutzung von Wasser und Gebirgslandschaften zur Energiespeicherung erfunden. 1909 wurde in der Nähe der Stadt Schaffhausen im gleichnamigen Kanton die weltweit erste Pumpspeicherstation Engeweiher mit einer Leistung von 1,5 MW gebaut. Das in dieser Installation enthaltene Funktionsprinzip der PSPP ist bis heute als Ganzes erhalten geblieben.
Die Station besteht aus einer Pumpe, zwei Reservoirs in unterschiedlichen Höhen und einer Turbine. Bei einem Stromüberschuss pumpt die Pumpe Wasser in den oberen Vorratsbehälter. Wenn im Netz nicht genügend Strom vorhanden ist, wird das Wasser über eine Turbine, die Strom liefert, zum unteren Speicher geleitet. Die Einfachheit und Zuverlässigkeit dieses Prinzips wurde sowohl durch die Zeit als auch durch die Geschichte des noch in Betrieb befindlichen Engeweiher-Werks selbst bewiesen - seine Kapazitäten erwiesen sich vor dem Hintergrund der Entwicklung erneuerbarer Energien in der Schweiz als sehr nützlich.
Das Speicherwasserkraftwerk ist eine der ältesten erneuerbaren Energiequellen der Welt. Quelle: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation
Der nächste Schritt in der Entwicklung der Technologie wurde in den 1930er Jahren unternommen. Es wurde verstanden, dass Wasserturbinen, die an Generatoren gekoppelt sind, mit einem höheren Wirkungsgrad arbeiten könnten, wenn ihre Drehzahl gesteuert würde. Aus diesem Grund entwickelte Toshiba 1930 einen asynchronen Hydrogenerator-Motor mit 750 kVA, der an der Yoshino-Station in der Stadt Kanazawa (Präfektur Ishikawa, Japan) installiert wurde. Die Drehzahl der Turbine könnte geändert werden, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen.
Diese Technologie fand zu diesem Zeitpunkt jedoch keine breite Anwendung, und anschließend wurden hauptsächlich synchrone Hydrogeneratormotoren verwendet, die mit einer konstanten (synchronen) Drehzahl arbeiten, weshalb die Eingangsleistung nicht geändert werden kann. Dies bedeutet, dass es nicht einfach war, den Betrieb der Station an den sich ändernden Bedarf anzupassen (z. B. nachts, wenn mehr Energie für das Pumpen von Wasser und weniger für die Versorgung des Netzwerks aufgewendet werden musste) - die Effizienz der Einspritzung oder der Produktion nahm ab.
1990 wandte sich Toshiba erneut der asynchronen Hydrogenerator-Motor-Technologie zu: In Zusammenarbeit mit der Tokyo Electric Power Company (TEPCO) wurde an der Yagasawa-Pumpstation die weltweit erste Pumpeinheit mit variabler Drehzahl unter Verwendung eines Wechselstrommotorgenerators mit sekundärer Erregung entwickelt und installiert. Niederfrequenz. Es wird von einer digitalen Hochgeschwindigkeits-Hochleistungssteuerung gesteuert, die die Eingangs- und Ausgangsleistung viel schneller als bei herkömmlichen Hydraulikeinheiten ändern kann. Dies ermöglicht eine schnellere Stabilisierung von Leistungsschwankungen im Netzwerk, beispielsweise in Notfallsituationen. Seitdem werden asynchrone Generatormotoren in Pumpspeicherkraftwerken immer häufiger eingesetzt und sind heute das vielversprechendste Modell für Pumpspeicher.
Im Juni 2014 wurde die weltweit größte Pumpeinheit mit variabler Drehzahl und einer Kapazität von 475 MVA für den vierten Block der PSP Kazunogawa (Präfektur Yamanashi, Japan) in Betrieb genommen, die auch über den weltweit größten Pumpenkopf verfügt (785 m). für eine einstufige Pumpenturbine. Diese Station wird ebenfalls von TEPCO betrieben. Quelle: Toshiba Energy Systems Co., Ltd. / YouTube
Das Hydraulikaggregat mit variabler Drehzahl erhöht den Wirkungsgrad des Pump- und Turbinenbetriebs und damit den Wirkungsgrad des gesamten Zyklus des Pumpspeicherkraftwerks sowie die Vibrationen und den mechanischen Verschleiß des Systems. Darüber hinaus kann eine solche Maschine sofort auf plötzliche Änderungen des Strombedarfs reagieren, die beispielsweise mit der Verwendung instabiler erneuerbarer Energiequellen oder Stromausfällen verbunden sind.
Und wir sagten: "Pumpspeicherkraftwerke mit einem Asynchronmotorgenerator, seien Sie fruchtbar und vermehren Sie sich!" Quelle: Abubakirov Sh. I. Erfahrung und Perspektiven der Verwendung von asynchronisierten Hydrogeneratoren in Projekten des JSC "Institute Hydroproject" // Hydroenergetics. - 2010. - Nr. 2 (19).
Gleichgewicht finden
Wie Sie sehen, haben die beschriebenen Lösungen einen großen industriellen Maßstab. Aber wie vernünftig ist eine solche Zentralisierung? Und ist es nicht besser, verteilte Lösungen zu implementieren, die das Problem des Ausgleichs von Ungleichgewichten im Stromversorgungssystem lösen können? Nichts hindert daran, diese beiden Ansätze zu kombinieren und große Energiespeichersysteme mit lokalen zu kombinieren, die auf der Grundlage einzelner Batterien gebaut werden, die an bestimmten Objekten und sogar in Wohngebäuden in einem Stromversorgungssystem installiert sind.
Wiederaufladbare Batterien, insbesondere SCiBTM von Toshiba, eignen sich besser zur Lösung solcher Probleme. Seine Anode basiert auf Lithiumtitanoxid (LTO), das eine größere effektive Kapazität ermöglicht und außerdem eine lange Lebensdauer, Betrieb bei niedrigen Temperaturen, schnelles Laden, hohe Leistungsaufnahme und -ausgabe bietet. Toshiba SCiBTM kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, von kleinen (kW) stationären Speichern für Wohnanwendungen bis hin zu Automobilen, Bussen, Schienenfahrzeugen, Aufzügen, Kraftwerken und großen Energiespeichern (MW) für Stromnetze, intelligente Netze und Solarkraftwerke. Quelle: Toshiba
Darüber hinaus können einzelne lokale Stromspeicher wiederum zu großen Strukturen zusammengefasst werden - virtuellen Kraftwerken, über die wir bereits in diesem Blog gesprochen haben. Und solche Lösungen werden bereits umgesetzt.
In Deutschland beispielsweise kündigte TenneT, das größte Vertriebsunternehmen, zusammen mit dem Hersteller von Hausspeichersystemen, Sonnen, die Schaffung einer Art Energieblockkette an: Sie planen, Hausenergiespeicher in ein Netzwerk einzubinden, um Ungleichgewichte im Energiesystem auf Länderebene auszugleichen. Bisher ist die Anzahl der Besitzer von dafür geeigneten Speichergeräten jedoch viel geringer als die der Besitzer von Heimstationen, die erneuerbare Energiequellen nutzen.
Die Kombination von großen Energiespeichern und kleinen lokalen Speichern, die miteinander verbunden sind, wird dazu beitragen, die Ungleichgewichte bei Verbrauch und Erzeugung, über die wir zu Beginn gesprochen haben, auszugleichen und die Möglichkeit von Stromausfällen zu minimieren.