Η ανάγκη αποθήκευσης ενέργειας - μέθοδοι αποθήκευσης και εφαρμογές

Abstract

Στο σύγχρονο κόσμο, υπάρχει μια συνεχής παγκόσμια ανάγκη για περισσότερη ενέργεια, η οποία ταυτόχρονα πρέπει να είναι «καθαρότερη» από την ενέργεια που παράγεται από τις συμβατικές μονάδες ηλεκτροπαραγωγής. Η ανάγκη αυτή διευκόλυνε την αυξανόμενη διείσδυση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ), η εκτεταμένη χρήση των οποίων στα σημερινά ηλεκτρικά δίκτυα μπορεί αδιαμφισβήτητα να ελαχιστοποιήσει την απειλή του φαινομένου του θερμοκηπίου και της κλιματικής αλλαγής. Παρόλα αυτά, η ποσότητα της ισχύος που παράγεται από τις διατάξεις τέτοιων πηγών δεν προσαρμόζεται εύκολα στις διακυμάνσεις της ζήτησης, δημιουργώντας την ανάγκη για ενεργειακή αποθήκευση. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση των σημαντικότερων διατάξεων ενεργειακής αποθήκευσης για εφαρμογές ηλεκτροπαραγωγής, που είτε είναι εμπορικά διαθέσιμες είτε βρίσκονται ακόμα υπό εντατική έρευνα και ανάπτυξη. Ανάλογα με την εφαρμογή τους, οι διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε διατάξεις βραχυπρόθεσμης και μακροπρόθεσμης αποθήκευσης. Τεχνολογίες με υψηλή πυκνότητα ισχύος και ικανότητα ανταπόκρισης στα αιτήματα σε μικρά χρονικά πλαίσια, όπως οι σφόνδυλοι, οι υπερ-πυκνωτές και τα υπεραγώγιμα μαγνητικά πηνία ανήκουν στην πρώτη κατηγορία. Διατάξεις ενεργειακής αποθήκευσης με ικανότητα να απορροφούν και να αποδεσμεύουν την ηλεκτρική ενέργεια για περιόδους μακράς διάρκειας, όπως οι μπαταρίες, τα συστήματα αντλησιοταμίευσης, τα συστήματα ενεργειακής αποθήκευσης συμπιεσμένου αέρα και οι τεχνολογίες ενεργειακής αποθήκευσης υδρογόνου εντάσσονται στη δεύτερη κατηγορία. Επιπρόσθετα, μια σύγκριση των διαφόρων τεχνολογιών κάθε κατηγορίας αποθήκευσης παρουσιάζεται υπό το πρίσμα των σημαντικότερων τεχνικών και οικονομικών χαρακτηριστικών της κάθε τεχνολογίας, όπως είναι για παράδειγμα η πυκνότητα ισχύος και ενέργειας, η ενεργειακή απόδοση, η διάρκεια ζωής και τα κόστη. Η σύγκριση δείχνει ότι προκειμένου να επιτύχουμε βέλτιστα αποτελέσματα, τα τεχνικά και οικονομικά χαρακτηριστικά των τεχνολογιών αποθήκευσης πρέπει να μελετηθούν λεπτομερώς, πριν ληφθεί μια απόφαση για την επιλογή της καταλληλότερης τεχνολογίας αποθήκευσης.

In today’s world, there is a continuous global need for more energy which, at the same time, has to be cleaner than the energy produced from the traditional generation units. This need has facilitated the increasing penetration of Renewable Energy Sources (RES), the extensive use of which in today’s electricity networks can indisputably minimize the threat of global warming and climate change. However, the quantity of power produced by such sources doesn’t adjust easily to changing demand cycles, creating the need for energy storage. Subject of this diploma thesis is the analysis of the most significant energy storage devices for electric power applications, which are either commercial available or they are still under intensive research and development. Depending on their application, energy storage devices can be classified into short and long term storage. Technologies with high power density and with the ability to respond to the requests in short time fractions like flywheels, supercapacitors or superconducting magnetic coils belong to the first category. Energy storage devices with the capability to absorb and supply electrical energy for long periods of time like batteries, pumping hydro, compressed air energy storage systems and technologies of hydrogen energy storage place among the second category. In addition, a comparison between the various storage technologies of each storage category is presented in terms of the most important technical and economical characteristics of each technology, as it is for example power and energy density, energy efficiency, lifetime and costs. The comparison shows that in order to achieve optimum results, the technical and economical characteristics of energy storage devices have to be studied thoroughly, before a decision for the most suitable storage technology to be selected is taken.