Gravitační baterie - Gravity battery

A gravitační baterie je typ elektrického úložného zařízení, které ukládá gravitační energie, energie uložená v objektu v důsledku změny výšky v důsledku gravitace, nazývaná také potenciální energie. Gravitační baterie pracuje s využitím přebytečné energie z mřížky ke zvýšení hmotnosti za účelem generování gravitační potenciální energie, která je poté vypuštěna k přeměně potenciální energie na elektřinu prostřednictvím elektrický generátor. Energie vyrobená z gravitační baterie je formou udržitelné energie. Jednou z forem gravitační baterie je ta, která uvolňuje hmotu, například blok betonu, k výrobě elektřiny. Nejběžnější gravitační baterie se používá v přečerpávací vodní elektrárna, kde je voda čerpána do vyšších nadmořských výšek za účelem akumulace energie a uvolňována vodními turbínami za účelem výroby elektřiny.[1]

Rozvoj

Nejstarší formou zařízení, které využívalo gravitaci k napájení mechanického pohybu, byla kyvadlové hodiny, vynalezený v roce 1656 Christiaan Huygens. Hodiny byly poháněny gravitační silou, díky níž se kyvadlo pohybovalo tam a zpět. Od té doby gravitační baterie pokročily v systémy, které dokáží využít gravitační sílu a přeměnit ji na elektřinu pro skladování energie ve velkém měřítku.

První gravitační přečerpávací vodní elektrárna (PSH) byla vyvinuta v roce 1907 ve Švýcarsku. V roce 1930 přečerpávací zařízení přišlo do Spojených států společností Connecticut Electric and Power Company. Od roku 2019 je celková světová kapacita PSH 168 GW (gigawattů).[2] USA mají kapacitu 23 GW od PSH, což představuje téměř 2% systému dodávek energie a 95% skladování energie v USA v USA. Gravitační přečerpávací elektřina je v současné době největší formou skladování energie v síti na světě.[3][4][5][6]

V roce 2012 vyvinuli Martin Riddiford a Jim Reeves první funkční prototyp Gravitační světlo, malá gravitační baterie, která je nyní komerčně dostupná v některých zemích.[7]

EnergyVault, společnost pro skladování energie, také v současné době pracuje na výzkumu a testování pro vývoj gravitačních baterií ve větším měřítku. Společnost EnergyVault, kterou v roce 2017 založili Bill Gross, Andewa Pedretti a Robert Piconi, je v současné době uprostřed toho, co ve větší míře využívá toho, co GravityLight vytvořil. Společnost EnergyVault vyvíjí jeřáb, který vyrábí elektřinu spíše z padajících bloků betonu než z vody. EnergyVault nespecifikoval datum vydání svého produktu, ale prototypy jsou v provozu a koncept skládaných bloků EnergyVault se staví jako slibná technologie dlouhodobého ukládání.[8][9][10]

Gravitricita, další společnost vyrábějící gravitační baterie, pracuje na dalším přístupu k novému systému skladování energie. Společnost Gravitricity, kterou v roce 2011 založil vynálezce Peter Fraenkel, v současné době staví ve Skotsku prototyp gravitační baterie o délce 10 metrů 250 kilowattů, který plánuje zahájit zkušební provoz a připojení k síti v roce 2021.[11]

Mechanismy a díly

Gravitační baterie mohou mít různé konstrukce a struktury, ale všechny gravitační baterie používají ke generování energie stejné vlastnosti fyziky. Gravitační potenciální energie je práce potřebná k pohybu objektu v opačném směru gravitace Země, vyjádřená rovnicí

kde U je gravitační potenciální energie, m je hmotnost objektu, g je gravitační zrychlení objektu (9,8 m / s na Zemi) a h je výška objektu. Za použití princip pracovní energie, lze celkové množství generované energie vyjádřit rovnicí

kde E je celkové množství generované energie a h1 a h2 představují počáteční a konečnou výšku objektu. Změna energie přímo koreluje se svislým posunem hmoty; čím vyšší je hmota zvednuta, tím více gravitační potenciální energie je uloženo. Změna energie také přímo koreluje s hmotou objektu; čím těžší je hmota, tím větší je změna energie.

V gravitační baterii je hmota přemístěna nebo zvednuta, aby se vytvořila gravitační potenciální energie, která se transformuje na elektřinu. Gravitační baterie ukládají gravitační potenciální energii zvedáním hmoty do určité výšky pomocí čerpadla, jeřábu nebo motoru. Poté, co je hmota zvednuta, nyní ukládá určitou gravitační potenciální energii na základě hmotnosti objektu a toho, jak vysoko byla zvednuta. Uložená gravitační potenciální energie se poté přenáší na elektřinu. Hmota se sníží nebo uvolní, aby spadla zpět do své původní výšky, což způsobí točení generátoru a vytváření elektřiny.

Typy gravitačních baterií

Jedna struktura gravitační baterie používá velmi vysokou strukturu s těžkou hmotou. Tuto vysokou konstrukci lze postavit nad zemí, například vysokou budovu nebo věž, nebo lze do zemského povrchu vyvrtat hlubokou díru do určité hloubky nezbytné pro splnění specifikací baterie. Hmota se zvedne na vrchol věže nebo na vrchol díry pomocí systému kladek. Energie je potřebná k životu hmoty, ale tato energie je obvykle přebytečná energie, která se používá v době, kdy je produkce energie větší než poptávka. Když přebytečná energie vyčerpá, hmota se poté sníží, aby se generátor generoval elektřinou.[12]

EnergyVault pracuje na vývoji gravitačních baterií velkého rozsahu. Gravitační baterie, kterou vyvíjejí, je věž pro skladování energie postavená z betonových bloků. 120metrové jeřáby využívají přebytečnou energii z elektrické sítě ke zvedání a stohování betonových bloků, z nichž každý váží 32 tun. Energie se získává při pádu cihel a generuje energii otáčením generátoru. Jedna komerční jednotka může ukládat 20 MWh nebo energii nebo tolik, aby mohla napájet 2 000 švýcarských domácností denně.[9]

Gravitricitní gravitační bateriová jednotka se skládá z konvertibilního elektrického navijáku / generátoru, kabelů, velké hmotnosti a svislé šachty vedoucí 150 až 1500 metrů pod zemí. Elektrický naviják zvedá váhu od 500 do 5 000 tun na vrchol šachty. Po uvolnění závaží rotuje elektrický naviják v magnetickém poli a generuje energii. Systém generuje 10 MWh, což je dostatek energie pro 2 000 domácností po dobu dvou hodin. Baterii lze také ovládat tak, aby rychle poklesla hmotnost pro malý výbuch vysoce výkonné energie.[11]

Další formou gravitační baterie je přečerpávací vodní elektrárna (PSH), největší forma akumulace energetické sítě. PSH používá místo pevné hmoty vodu, která je čerpána z nižší nádrže do vyšší nádrže předtím, než je uvolněna turbínami, aby vytvořila energii.

Gravitační baterie byly také vyvinuty pro práci v menším měřítku. GravityLight je malé gravitační světlo, které funguje tak, že ručně zvedne vak s kameny nebo pískem a poté jej sám nechá spadnout, aby vytvořil energii. GravityLight byl navržen tak, aby pomohl téměř jedné miliardě lidí na světě, kteří nemají smrk elektřiny, protože by to eliminovalo potřebu lidí, kteří nemají přístup k elektřině, spoléhat se na petrolejové lampy, které jsou drahé a nebezpečné, a znečišťuje. [7][13][14]

Těžké vlaky, které běžely do kopce, mohou uvolnit svou potenciální energii pomocí rekuperační brzdění jít z kopce a chovat se tak jako gravitační baterie.[15]

Ekonomika a účinnost

Náklady na gravitační baterie se liší podle provedení.

Přečerpávací vodní energie stojí za provoz 165 USD / kWh, přičemž vyrovnané náklady na skladování (LOCS), 0,17 $ / kWh.[16][17] Čerpadla a turbíny systémů PSH pracují s 90% účinností. [18]

Energetický gravitační bateriový systém navržený společností EnergyVault se pohybuje v rozmezí od 7 do 8 milionů v ceně budovy, ale má LOCS 0,05 $ / kWh a účinnost zpáteční cesty 88-92%. To je o 50% levnější ve srovnání s LOCS lithium-iontových baterií, které jsou 0,25 USD / kWh - 0,35 USD / kWh. [19]

Očekává se, že demonstrátor Gravitricity o výkonu 250 kW bude 1,25 milionu dolarů, což slibuje 50letou životnost a účinnost 80-90%. Relativní náklady na gravitační skladovací zařízení, která by používala 2 000t závaží zavěšená na navijácích v nepoužívaných minových hřídelích, ve srovnání s lithium-iontové baterie, naznačují, že ačkoliv „počáteční náklady jsou vysoké“, 25letá životnost těchto zařízení - bez zhoršení kapacity během používání - představuje „přesvědčivý návrh“ pro účely vyvažování velké sítě.[20]

Na rozdíl od PSH, solárních panelů a větrných turbín, které mohou fungovat pouze za určitých podmínek nebo v určitých oblastech, lze gravitační baterie, jako jsou baterie navržené společnostmi EnergyVault a Gravitricity, stavět kdekoli na světě a používat materiály ze staveniště.[12][21]

Přenosná gravitační baterie GravityLight je k dispozici pro komerční použití a stojí 119 $.[14]

Dopady na životní prostředí

Gravitační baterie jsou formou udržitelné energie.

Zavádění gravitačních baterií ve větším měřítku by snížilo potřebu fosilních paliv a výrazně snížilo emise CO2.

Gravitační baterie jsou ekologičtější než lithium-iontové baterie, protože lithium-iontové baterie mají kratší životnost a při jejich likvidaci vznikají problémy.[1]

Gravitační (chemická) baterie

Od roku 1870 do roku 1930[22] termín „gravitační baterie“ se používal k popisu souboru populárních typů baterií, kde se gravitace používala k oddělení chemických složek odděleně na základě jejich příslušných hustot.[23]

Viz také

Reference

  1. ^ A b Chaturvedi, D.K .; Yadav, Shubham; Srivastava, Tamanna; Kumari, Tanvi (27. července 2020). „Systém skladování elektřiny: gravitační baterie“. Čtvrtá světová konference o inteligentních trendech v systémech, bezpečnosti a udržitelnosti (WorldS4) v roce 2020. Londýn, Velká Británie: IEEE: 412–416. doi:10.1109 / WorldS450073.2020.9210321. ISBN  978-1-7281-6823-4.
  2. ^ „International - U.S. Energy Information Administration“. Správa energetických informací. Citováno 30. října 2020.
  3. ^ „Většina přečerpávacích generátorů elektřiny v USA byla postavena v 70. letech - dnes v energetice - US Energy Information Administration (EIA)“. www.eia.gov. Citováno 16. listopadu 2020.
  4. ^ „Přečerpaná vodní energie“. Asociace pro skladování energie. Citováno 16. listopadu 2020.
  5. ^ „Přečerpávací vodní energie“. Energie.gov. Citováno 16. listopadu 2020.
  6. ^ „Zpráva o přečerpání 2018 (PDF). Národní asociace pro vodní energii. 1. ledna 2018. Citováno 3. listopadu 2020.
  7. ^ A b „Když se gravitace rovná světlu“. 3. července 2018. Citováno 28. října 2020.
  8. ^ Spector, Julian (3. dubna 2020). „5 nejslibnějších dlouhodobých úložných technologií zůstalo stát“. Greentech Media. Citováno 28. října 2020.
  9. ^ A b „EnergyVault“. EnergyVault: Umožnění obnovitelného světa. EnergyVault. 2020.
  10. ^ Kelly-Detwiler, Peter (14. října 2019). „Energy Vault obdržela od společnosti SoftBank 110 milionů dolarů za úložiště energie s gravitací“. Forbes. Citováno 30. října 2020.
  11. ^ A b „Rychlé skladování energie s dlouhou životností“. Gravitricita. Citováno 28. října 2020.
  12. ^ A b říká, Len Gardiner (20. února 2020). „Co jsou gravitační baterie?“. TheGreenAge. Citováno 29. října 2020.
  13. ^ „GravityLight - světlo ze zvedání závaží“. deciwatt.global. Citováno 29. října 2020.
  14. ^ A b "GravityLight". Deciwatt. Citováno 1. listopadu 2020.
  15. ^ Massey, Nathanael. „Skladování energie naráží na kolejnice na západ“. Scientific American. Archivováno od originálu 4. prosince 2017. Citováno 31. prosince 2017.
  16. ^ „Zpráva o technologii skladování energie a charakteristice nákladů“ (PDF). Americké ministerstvo energetiky. 1. července 2019. Citováno 1. listopadu 2020.
  17. ^ „Skladování přečerpávané vodní energie - odhady nákladů na proveditelný systém“. Statečné nové podnebí. 5. dubna 2010. Citováno 16. listopadu 2020.
  18. ^ „Napumpujte úložiště | Matematika“. Citováno 16. listopadu 2020.
  19. ^ „Tower of power: gravitační úložiště se vyvíjí za přečerpávanou hydro“. www.power-technology.com. Citováno 29. října 2020.
  20. ^ O'Neill, Neasan (23. dubna 2018). „Je gravitace a staré minové hřídele dalším průlomem v ukládání energie?“. Imperial College News. Imperial College London.
  21. ^ „Full Page Reload“. IEEE Spectrum: Technology, Engineering, and Science News. Citováno 16. listopadu 2020.
  22. ^ „Vyhledávání Google Ngram pro popularitu termínu gravitační baterie“. Archivováno od originálu 8. dubna 2020.
  23. ^ „Gravitační baterie od Roberta Murray-Smitha“.