Οικονομική, περιβαλλοντική, θερμοδυναμική σύγκριση μεθόδων αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε.

Abstract

Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έχει παρουσιάσει αξιοπρόσεκτη αύξηση παγκοσμίως. Μπορεί σπάνια όμως να ανταποκριθεί άμεσα στις απαιτήσεις των καταναλωτών και στις αιχμές των φορτίων μιας και η ενέργεια που παράγεται δεν είναι σταθερή. Το πρόβλημα σταθερότητας φορτίων των δικτύων απαιτεί την ενεργειακή αποθήκευση, χρησιμοποιώντας γενικά τις μπαταρίες μολύβδου, οι οποίες όμως δεν μπορούν να αποθηκεύσουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας σε μικρό όγκο.

Γι’ αυτό αναπτύσσονται και εφαρμόζονται άλλοι τύποι τεχνολογιών αποθήκευσης. Υπάρχουν διάφοροι τύποι μεθόδων αποθήκευσης, μερικοί από τους οποίους είναι ήδη σε λειτουργία, ενώ άλλοι είναι ακόμα στην ανάπτυξη. Τέτοιες είναι η αντλησιοταμίευση, η μέθοδος αποθήκευσης θερμικής ενέργειας, η μέθοδος αποθήκευσης συμπιεσμένου αέρα, η αποθήκευση ενέργειας με μπαταρίες ροής, οι κυψέλες καυσίμου, η αποθήκευση χημικής ενέργειας, η αποθήκευση ενέργειας μέσω σφονδύλου, η αποθήκευση ενέργειας μέσω μαγνητικών υπεραγωγών και μέσω υπερπυκνωτών.

Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στα κύρια χαρακτηριστικά των διαφορετικών τεχνικών αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας και του τομέα εφαρμογής τους (αποδοτικότητα, ανθεκτικότητα, αυτονομία, διαθέσιμη ισχύς, αποθηκευτική ικανότητα, ενεργειακή πυκνότητα). Αυτά τα χαρακτηριστικά θα χρησιμεύσουν για να γίνουν οι συγκρίσεις προκειμένου να καθοριστεί η πιο κατάλληλη τεχνική για κάθε τύπο εφαρμογής. Ακολούθως γίνεται λόγος για την ανάλυση κύκλου ζωής, τα στάδιά της, τη μεθοδολογία της και αναλύονται η μπαταρία ιόντος λιθίου, η κυψέλη ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cell PEMFC) και κυψέλη στερεών οξειδίων (Solid Oxide Fuel Cell SOFC), ένας συμπιεστής και ακολουθεί η ανάλυση κύκλου ζωής υπερπυκνωτή.

Παρουσιάζεται στη συνέχεια η εξέργεια και γίνεται εξεργειακή ανάλυση συστήματος αποθήκευσης κρύας θερμικής ενέργειας, συστήματος συμπιεσμένου αέρα και θερμικής ενέργειας και ανάλυση κυψέλης καυσίμου. Τέλος παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν και γίνονται οι ανάλογες προτάσεις.

Electricity produced from renewable sources has shown remarkable growth worldwide. However, these sources can rarely provide immediate response to consumer‘s demand and peak loads as the produced energy is intermittent. Thus, the electrical network load stability problem requires energy storage, generally via the use of lead batteries, which cannot store large amounts of energy in a small volume .

Various types of storage technologies are being developed and implemented in order to overcome the main disadvantage of lead batteries, some of which are already in use, while others are still in development. Such methods are the pumped hydro storage, the thermal energy storage, the compressed air energy storage, the energy storage through flow batteries, the fuel cells, the storage of chemical energy, the flywheel energy storage, the superconducting magnetic energy storage and the energy storage via the use of supercapacitors.

In addition, the main characteristics of the different electricity storage techniques and their field of application are discussed with regards to their efficiency, robustness, autonomy, available power, storage capacity as well as their energy density. These characteristics will be assessed in order to make comparisons for the determination of the most appropriate technique for each type of application.

Moreover, the basic stages and the methodology of a complete Life Cycle Analysis (LCA) are presented. For a better understanding, the LCA of a lithium-ion battery, a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), a compressor and a supercapacitor are demonstrated.

The next section of the specific study includes a fundamental investigation of exergy, where an exergetic analysis of a cold thermal energy storage system, a Compressed Air Energy Storage (CAES) system, a Thermal Energy Storage (TES) system and a fuel cell system are presented.Finally, the conclusions of the study as well as the relevant proposals are summarized.