Wie Funktioniert Der Energiespeicher?

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In diesem artikel von WordsSideKick.com wird der energiespeicher für netze beschrieben. Erfahren sie mehr über die speicherung von stromnetzen.

Der Ausfall begann in Ohio, der Verkehr in Michigan war durcheinander, die Lichter in Kanada wurden abgeschaltet, und New York City, die Stadt, die niemals schläft, wurde dunkel. Bis zum Ende des Northeast Blackout von 2003 verlor die Region etwa 6 Milliarden Dollar.

Was hat Ihrer Meinung nach einen so großen Blackout verursacht - etwas Außergewöhnliches? Hat jemand das Gitter sabotiert? Gab es ein Erdbeben? Nein - es gab keinen unheilvollen Plan oder eine Naturkatastrophe - nur ein paar Standardprobleme. Das Stromnetz in den USA funktionierte wie üblich, aber dann summierten sich die Störungen, unterstützt durch Computerausfälle und einige lästige Bäume und voilà - etwa 50 Millionen Menschen waren ohne Strom.

Laut Imre Gyuk, der das Energy Storage Research-Programm des US-Energieministeriums leitet, können wir massive Stromausfälle wie die großen im Jahr 2003 durch die Speicherung von Energie im Stromnetz vermeiden. Die Energie könnte in Kraftwerken, entlang von Übertragungsleitungen, in Umspannwerken und an Standorten in der Nähe von Kunden gespeichert werden. Auf diese Weise könnte die gespeicherte Energie bei kleinen Katastrophen überall entlang der Leitung Strom liefern.

Das hört sich nach einem großen Projekt an und ist es auch. Aber so gut wie jedes System, das erfolgreich viele Kunden bedienen kann, behält eine Reserve. Denk darüber nach. Banken behalten eine Reserve. Übergroße Geschäfte wie Target und Wal-Mart behalten eine Reserve. Könnte McDonald's Milliarden ausgegeben haben, ohne ständig Vorratskammern und Gefriergeräte auf Lager zu haben? Da das US-amerikanische Stromnetz nicht auf Reserven, sondern auf Verwürfelung arbeitet, ist es für Probleme ausgelegt. Sehen Sie auf der nächsten Seite, was wir meinen.

Wie funktioniert der Energiespeicher?: energiespeicher

Bedeutung der Speicherung von Netzenergie an gewöhnlichen Tagen

An jedem gewöhnlichen Tag planen Elektrizitätsunternehmen, wie viel Strom am nächsten Tag erzeugt werden soll. Sie versuchen vorhersagen zu können, was die Kunden tun werden, hauptsächlich durch Lesen der Nutzungsdatensätze am selben Tag des Vorjahres. Dann passen sie diese Zahlen an die aktuelle Wettervorhersage für den folgenden Tag an.

"Es ist unmöglich genau vorherzusagen, wie der Strombedarf zu einem bestimmten Zeitpunkt sein wird", sagt John Boyes, der das Energiespeicherungsprogramm der Sandia National Laboratories verwaltet. Durch dieses Szenario können Versorgungsunternehmen mehr oder weniger Strom erzeugen, als Kunden verbrauchen. Die Nichtübereinstimmung sendet Wellen durch das Netz, einschließlich Schwankungen der Wechselstromfrequenz, die, wenn sie nicht gesteuert werden, die Elektronik beschädigen können. Regionale Elektrizitätsmanager oder unabhängige Netzbetreiber (ISOs) stürzen ein und versuchen, die Lücke zu schließen, indem sie einige Kraftwerke bitten, die Stromerzeugung zu ändern. Aber Kernkraftwerke und fossile Brennstoffe können das nicht so schnell schaffen. Ihre Langsamkeit verschlechtert das Missverhältnis zwischen Stromversorgung und Nachfrage.

Nun, überlegen Sie, was an einem heißen Tag in Los Angeles passiert, wenn Menschen in der ganzen Stadt ihre Klimaanlagen betreiben. Diese sind Spitzennachfrage Bedingungen, wenn die meisten Kunden am meisten Strom verbrauchen, was an fünf bis zehn Tagen im Jahr einige Stunden dauert. An diesen Tagen Einrichtungen genannt Peak-Pflanzen werden zum Handeln aufgerufen. Diese teuren Anlagen für fossile Brennstoffe stehen das ganze Jahr über still und können mehr Luftverschmutzung verursachen als große Kohlekraftwerke. "Wir würden es nicht gerne in einer [smoggy] Stadt wie Los Angeles machen, aber wir machen es trotzdem", sagt Imre Gyuk. Wenn die Peaker-Anlagen nicht ausreichen, müssen Großunternehmen wie Aluminiumhütten weniger Strom verbrauchen. "Wenn nichts funktioniert, haben Sie Stromausfälle und Ausfälle", sagt Gyuk.

Inzwischen sind alte Unterstationen überlastet. Sie transportieren mehr Strom, als sie bewältigen sollen, und die Metallstrukturen heizen. "Das wird nicht empfohlen", sagt Boyes.

Wenn das Stromnetz gestresst klingt, haben Sie noch nichts gesehen. Weiter lesen.

Bedeutung der Speicherung von Netzenergie an aussergewöhnlichen Tagen

Vielleicht ist es kein gewöhnlicher Tag. Vielleicht fällt ein Baum auf eine Stromleitung oder ein Blitz schlägt ein. Durch diese Unterbrechungen wird die Spannung der Leitung um den beabsichtigten Betrag geknickt. Spannungsschwankungen setzen Computer zurück. Jetzt blinkt Ihr Wecker um 12:00 Uhr. Oder noch schlimmer: "Wenn der Computer bei allen automatisierten Fertigungsprozessen zurückgesetzt wird, wird der Prozess heruntergefahren. Wenn Sie Kunststoffhersteller sind und Ihre Maschinen abkühlen, verfestigt sich Kunststoff in Ihren Maschinen", sagt Boyes.

Und was ist, wenn die Ereignisse eines Tages die Bemühungen der Versorgungsunternehmen zum Ausgleich übersteigen? Ja, Sie haben es erraten - Sie stehen vor einem Blackout. Es ist sicherlich im ganzen Nordosten im Jahr 2003 passiert.

Da das Netz bereits in Schwierigkeiten geraten ist, ist es schwer vorstellbar, weitere erneuerbare Energien wie Wind- und Sonnenenergie hinzuzufügen, da es sich um intermittierende Stromquellen handelt. Wir wissen, dass Kunden unvorhersehbar sind, aber jetzt auch der Strom. Wenn der Wind unerwartet verstummt, kann ein Windpark 1.000 Megawatt in Minuten verlieren und muss dann schnell Strom für seine Kunden kaufen und importieren.

Die Alternative ist dann die Verwendung einer fossilen Brennstofffabrik, die jedoch die saubere Elektrizität mit Luft verschmutzt. Oder die Natur kann herrschen. In Windparks in Texas weht der Wind fast ausschließlich nachts, während die Nachfrage niedrig ist und der Strompreis negativ wird. "Das bedeutet, dass Sie das Netz bezahlen müssen, um Elektrizität zu erzeugen", sagt Gyuk. "Ich habe mit jemandem gesprochen, der die ganze Nacht mit der Klimaanlage arbeitet, um das Haus zu kühlen, weil er es kostenlos bekommt. Dann schließt er die Fenster."

Laut Gyuk werden sich diese Probleme verschlimmern, wenn wir mehr Elektronik und mehr Strom verwenden. Was könnte also die Antwort auf diese Probleme sein? Energiespeicherung

Bevor wir in das Thema eintauchen, ist es wichtig zu verstehen, was es bedeutet, Energie zu speichern. Die Aufgabe des Netzes ist es, jeden Kunden mit 120 Volt und 60 Hertz mit Strom zu versorgen. Dies wird durch Hinzufügen oder Entfernen von Strom aus dem Netz erreicht. Ein Speichergerät hilft, Strom genau hinzuzufügen oder zu entfernen, wenn dies erforderlich ist.

Lesen Sie weiter, um zu erfahren, wie Energiespeicher das Netz stärken können.

Arten der Netzenergiespeicherung: Gepumpte Wasserkraft

Gepumpte Wasserkraft Die Stationen nutzen fallendes Wasser zur Stromerzeugung. Ein Beispiel dafür ist am Raccoon Mountain in Tennessee zu sehen. Am Fuße des Berges machte die Tennessee Valley Authority (TVA) einen See, indem sie einen Teil des Tennessee River absaugte.

Wenn Kunden nicht viel Strom verbrauchen, leitet TVA den Strom von anderen Kraftwerken in ein Krafthaus im Berg. Durch die Elektrizität werden die Turbinen des Hauses zurückgedreht und das Seewasser durch einen Tunnel im Berg nach oben geschoben. Nach 28 Stunden ist das obere Becken voll. Um Strom zu erzeugen, öffnet TVA einen Abfluss im oberen Becken. Das Wasser fällt direkt durch die Mitte des Berges und dreht die Turbinen vorwärts und erzeugt Strom. Sie fällt 22 Stunden lang und produziert kontinuierlich 1.600 Megawatt Strom, was der Leistung eines großen Kohlekraftwerks entspricht. TVA fügt diesen Strom an Tagen hoher Nachfrage dem Beitrag seiner anderen Anlagen hinzu [Quelle: TVA].

Pump-Wasserkraftwerke sind weltweit in Betrieb und liefern an Spitzenlasttagen zwischen 200 Megawatt und 2.000 Megawatt Leistung [Quelle: Cole]. Sie emittieren keine Luftverschmutzung und sind nach dem Aufladen in 15 Minuten online, schneller und umweltfreundlicher als eine Peak-Anlage. Das einzige Problem ist "wir haben keine guten Websites dafür", sagt Gyuk.

Druckluftspeicher (CAES) ist Speicher für Erdgaskraftwerke. Normalerweise verbrennen diese Anlagen Erdgas, um Luft zu erwärmen, was eine Turbine in einen Generator drückt. Wenn sich Erdgasanlagen in der Nähe eines unterirdischen Lochs befinden, wie eine Höhle oder eine alte Mine, können sie CAES nutzen. An langsamen Tagen kann die Anlage Strom erzeugen, um einen Kompressor zu betreiben, der Außenluft komprimiert und in die unterirdische Bohrung schiebt. An Tagen, an denen Kunden maximalen Strom benötigen, kann das Kraftwerk die Druckluft gegen die Turbine strömen lassen und sie zusammen mit der normalen Heizluft drücken. Diese Druckluft kann stundenlang helfen und an den Spitzenlasttagen der Leistung der Anlage kontinuierlich 25 Megawatt auf 2.700 Megawatt Strom zuführen [Quelle: Cole].

Lesen Sie weiter, um zu erfahren, wo wir sonst Energie im Netz speichern können.

Pump es

Speichergeräte erzeugen und verwenden Strom geschickt - für einen Prozess, der umgekehrt werden kann, um den Strom zurückzugeben. Zum Beispiel, gepumpte Wasserkraftspeicher verwendet Strom, um Wasser auf eine Höhe zu pumpen. Wenn wir den Strom zurück brauchen, lassen wir das Wasser auf das Antriebssystem eines Generators fallen. Wo ist Energie in diesem Bild? Es ist die ganze Zeit da und wird wie Geld zwischen Bankkonten transferiert. Die Energie beginnt als elektrische Energie im Netz, ändert sich in schwerkraftpotenzielle Energie, wenn das Wasser hoch ist, und wenn Wasser fällt, um den Generator anzutreiben, wird es wieder elektrische Energie im Netz.

Achten Sie bei jeder in diesem Artikel beschriebenen Speichermethode auf Rückschläge und Energietransfer.

Arten der Energiespeicherung von Gittern: Räder, Platten und Schleifen

Jetzt ist es an der Zeit, Speicher zu betrachten, die einen großen Stromstoß oder länger für längere Zeit liefern. Diese Systeme können nicht den ganzen Tag über großen Strom an die Kunden senden, wie gepumpte Wasserkraft und CAES.

Schwungräder Speichern Sie Energie durch Drehen. Die schnellsten bestehen aus einem Motor, einem schwebenden Magneten, einem Vakuum gegen Reibung und einer Schale für die Sicherheit. Wenn im Netz zusätzlicher Strom zur Verfügung steht, kann der Motor mit dem Magneten betrieben werden. Wenn Elektrizität benötigt wird, können die Schwungräder je nach Situation innerhalb von Minuten bis Stunden auslaufen.

Auf dem elektrischen Netz bilden Schwungräder Regler von guter Qualität. Sie sind gut darin, die Frequenz zu stabilisieren, die, wie wir bereits erwähnt haben, in den USA heute über und unter 60 Hertz schwankt. Wenn Versorgungsunternehmen mehr Strom erzeugen, als von den Verbrauchern verbraucht wird, kommt es zu Spitzenwerten. Schwungräder verändern die Situation, weil ISOs sie direkt steuern können - schließlich werden sie automatisch sein -, so dass niemand Jane im Kraftwerk A anrufen und warten muss, bis sie die Erzeugung erhöht oder verringert, um das Frequenzproblem zu beheben. Mit einer schnellen Reaktion kann die Frequenz eingestellt werden, bevor der Kunde dies spürt. Tatsächlich testen mehrere US-I.S.O.s Schwungradauflagen [Quelle: Beacon Power 1, Beacon Power 2, Beacon Power 3].

Eine weitere Anwendung für Schwungräder ist die Aufrechterhaltung der Spannung am Netz. Was könnte die Spannung an diesen robusten Hochspannungsleitungen ändern? Versuchen Sie Dominoeffekte bei Stromausfällen, abgestürzten Bäumen und elektrischen Zügen. Wenn U-Bahnen oder Stadtbahnen bremsen, erzeugen sie Strom, erhöhen die Spannung und erzeugen lokal einen Stromstoß. Wenn Züge aus dem Bahnhof heraus beschleunigen, ziehen sie Elektrizität, lassen die Spannung fallen und saugen den Strom von anderswo. Schwungräder können die Strömung aufnehmen und wieder abgeben, so dass der Rest des Gitters ungestört bleibt. Tatsächlich wurden sie in New Yorks U-Bahn-Zügen getestet [Quelle: Kennedy].

Schwungräder eignen sich auch hervorragend für Windparks, wo sie während Böen zusätzlichen Strom aufspeisen und bei Absenkungen ausspucken können, sodass die Kunden nicht unter den Schwankungen leiden.

SuperkondensatorenNoch schneller als Schwungräder speichern Sie Energie, indem Sie Ladungen trennen. Sie sind "super", weil sie mehr Energie speichern als herkömmliche Kondensatoren, aber sie arbeiten auf dieselbe Weise.Wenn es zusätzlichen Strom gibt, kann es verwendet werden, um Ladungen von einigen Metallplatten auf andere zu drücken, wobei einige positiv und andere negativ geladen bleiben. Wenn Strom benötigt wird, neutralisieren sich die Platten und der Ladestrom fließt, wodurch ein Strom entsteht. In Madrid, Peking und anderen Städten puffern Schränke voller Superkondensatoren elektrische Züge [Quelle: Siemens].

Supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES) bieten eine weitere Möglichkeit, Spannungseinbrüche und -spitzen im Netz zu beseitigen. Während der Spitzen nehmen Drahtschleifen zusätzlichen Strom auf, und während der Einbrüche bringen die Schleifen den Strom in das Netz zurück. Da der Draht fast keinen Widerstand hat, speichert er Strom nahezu verlustfrei.

Next up - power - Speichersysteme, die viele von uns täglich verwenden: Batterien.

Arten der Netzenergiespeicherung: Zellen

Batterien eignen sich hervorragend zur Stromversorgung und Energiespeicherung. Natürlich sind diejenigen, die für die Speicherung von Netzenergien verwendet werden, ein bisschen größer.

Batterien eignen sich hervorragend zur Stromversorgung und Energiespeicherung. Natürlich sind diejenigen, die für die Speicherung von Netzenergien verwendet werden, ein bisschen größer.

Batterien sind wie Lego-Sets für das Raster. Sie sind in vielen Ausführungen erhältlich, können gestapelt oder vergrößert werden, um mehr Energie zu speichern, und sie können Strom für Sekunden bis Stunden treiben. Am Ende der Langlebigkeit finden Sie Anhängergröße fluss batterien mögen Vanadium-Redox und Zinkbromid und Hochtemperaturbatterien mögen Natrium-Schwefel. Diese können stundenlang bis zu 20 Megawatt Leistung liefern [Quelle: Gyuk]. Am Ende der Macht, Blei-Säure-Batterien werden heute häufig verwendet. Andere Batterien enthalten Metall-Luft, Lithiumion, Nickel-Cadmium und Blei-Kohlenstoff. Alle Batterien nutzen und setzen Energie durch chemische Reaktionen frei.

Batterien befinden sich im gesamten US-Stromnetz, in der Regel auf Kundenseite, wo Fabriken und möglicherweise die Computer in Ihrem Büro einen Computer verwenden unterbrechungsfreie Stromversorgung, oder UPS bei Ausfall der Elektronik laufen zu lassen.

Aber Batterien sichern auch die Eingeweide des Gitters. In Charleston, W. Va., Überhitzte eine Umspannstation jedes Mal, wenn zu viele Kunden Strom zogen. Dann installierte American Electric Power eine Batterie, um an Bedarfstagen Strom zu liefern, und das Umspannwerk hörte auf, sich zu erwärmen. Bei Alaskanern kam es bei jedem Störfall auf der Stromleitung zwischen Anchorage und Fairbanks zu Ausfällen, bis sie eine fußballfeldgroße Batterie installierten, um die Leitung während eines Ausfalls und einer Reparatur abzudecken.

Batterien können auch Windparks an Orten helfen, an denen der Wind nur nachts weht und die Kunden tagsüber Energie verbrauchen.

Man spricht von einem Tag mit Plug-in-Hybrid-Elektroautos oder PHEVsmit Batterien, die durch Einstecken in die Steckdose aufgeladen werden, für gewerblichen Strom. Mit der richtigen Verkabelung in Ihrem Haus kann Ihr geparktes Auto Ihre Spülmaschine betreiben. In der fernen Zukunft könnten viele Autos, die an vielen Garagen angeschlossen sind, in einer so genannten Anwendung Strom dorthin schicken, wo sie im Netz benötigt werden Fahrzeug zum Netz, oder V2G. Aber es ist viele Jahre frei, da die Steckdose keinen Strom aus der Batterie entnehmen kann und die Autos nicht kommerziell sind.

Klingt das praktisch? Lesen Sie weiter, um herauszufinden, wie viel es kostet.

Wirtschaftlichkeit der Speicherung von Stromnetzen

"Wenn es um die tatsächlichen Kosten geht, ist die Energiespeicherung nicht billig", sagt Imre Gyuk.

Wir können sehen, wo die Kosten heute stehen, aber sie werden sinken, wenn mehr Speicher in das Netz eingespeist wird. Beginnen wir mit der Speicherung in Kraftwerken. Wie wir bereits erfahren haben, kann ein Elektrizitätsunternehmen Energie an einem Kraftwerk speichern, um an Tagen mit hohem Bedarf Strom zu liefern. Die Anlage benötigt den ganzen Tag viel Strom, und nur Druckluft und gepumpte Wasserkraftwerke können das liefern. Für jeden 700 US-Dollar, der für ein Druckluftsystem bezahlt wird, erhält der Versorger 1 Kilowatt Strom, der für mehr als 20 Stunden bereitgestellt wird - genug, um den ganzen Tag über eine Kaffeemaschine zu betreiben [Quelle: EAC, NSTAR]. Pump-Wasserkraft kostet mehr - 2.250 USD pro Kilowatt.

Lithium-Ionen-Akkus kosten für Minuten bis Stunden 1.100 USD pro Kilowatt (oder Kaffeemaschine), Schwungräder 1.250 USD pro Kilowatt, Flow-Akkus 2.500 USD pro Kilowatt und Hochtemperaturbatterien wie Natrium-Schwefel 3.100 USD pro Kilowatt [Quelle: EAC]. Und die Lagerung in Superkondensatoren kostet noch mehr.

Laut Gyuk bekommen wir viel für unsere Investitionen in die Lagerung. Wir erhalten ein Netz, das mehr Wind- und Solarkraftwerke ohne Albträume versorgen kann. Wir erhalten weniger Spitzenanlagen, was weniger Kohlendioxidemissionen und Luftverschmutzung bedeutet. Und wir erhalten Schutz vor Ausfällen, die laut Gyuk jeden Dollar, den wir für Strom ausgeben, 33 Cent kosteten [Quelle: Gyuk 2008].

Elektrizitätsunternehmen und ISOs zahlen für die Speicherung, wenn sie sich für die Installation entscheiden. "Die Kosten für die Speicherung sinken. Die Kosten für die Lösung der Probleme auf andere Weise steigen. In Kürze werden diese Preise sich überschreiten", stellt Boyes fest, der darauf hinweist, dass die Kosten den Speicher zusätzlich ins Netz bringen könnten.

Sinken die Stromtarife der Verbraucher am Ende? Könnte sein. Mit genügend Speicher können Versorgungsunternehmen Strom kontrolliert erzeugen. Sie nutzen die Hardware im Netz, wie Übertragungsleitungen und Unterstationen, anstatt sie zu ersetzen oder zu vergrößern.

Selbst wenn die Strompreise der Verbraucher steigen, "erhalten wir ein besseres System", sagt Gyuk.

Frequenzregulierung

Um eine Animation zu sehen, wie das US-amerikanische Stromnetz die Frequenz heute reguliert und wie dies in Zukunft mit Schwungrädern geschehen könnte, klicken Sie hier und wählen Sie dann "Schwungräder und Frequenzregulierung". (Achtung: Die interessante Animation wird um eine Werbung für das Speichersystem gewickelt.)


Videoergänzungsan: Kondensator als Energiespeicher.




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