Sådan fungerer netopbevaring af net

Afbrydelsen startede i Ohio, ødelagde trafikken i Michigan, slukke lyset i Canada, bragte derefter mørket til New York City, byen, der aldrig sover. Ved udgangen af ​​den nordøstlige blackout i 2003, regionen tabte cirka 6 milliarder dollars.

Hvad tror du forårsagede en så stor blackout - noget ekstraordinært? Saboterede nogen gitteret? Var der et jordskælv? Nej - der var ingen uhyggelig plan eller naturkatastrofe - bare et par standardhikke. Det amerikanske elnet fungerede som normalt, men derefter tilføjede dets fejl, hjulpet af computerfejl og nogle irriterende træer og voilà - omkring 50 millioner mennesker var uden strøm.

Ifølge Imre Gyuk, der administrerer Energy Storage Research Program ved det amerikanske energiministerium, vi kan undgå massive blackouts som den store i 2003 ved at lagre energi på elnettet. Energi kan lagres i enheder på kraftværker, langs transmissionslinjer, på transformerstationer, og på steder i nærheden af ​​kunder. Den vej, når der sker små katastrofer, den lagrede energi kunne levere elektricitet overalt på linjen.

Det lyder som et stort projekt, og det er. Men stort set alle systemer, der lykkes med at betjene mange kunder, beholder en reserve. Tænk over det. Bankerne beholder en reserve. Store butikker som Target og Wal-Mart beholder en reserve. Kunne McDonald's have serveret milliarder uden at have bestandigt lagerført pantries og frysere? Fordi det amerikanske elnet opererer på kryptering, ikke reserver, det er sat op til problemer. Se, hvad vi mener på den næste side.

1. Betydningen af ​​netopbevaring på nettet på almindelige dage
2. Betydningen af ​​netopbevaring på nettet på ekstraordinære dage
3. Typer af netopbevaring af net:Pumpet vandkraft
4. Typer af gitterenergilagring:Hjul, Plader og sløjfer
5. Typer af netopbevaring af net:Celler
6. Economics of Grid Energy Storage

Betydningen af ​​netopbevaring på nettet på almindelige dage

Enhver almindelig dag, elkraftselskaber planlægger, hvor meget elektricitet de skal producere den næste dag. De forsøger at forudsige, hvad kunderne vil gøre, hovedsageligt ved at læse historiske optegnelser over brug på samme dag i det foregående år. Derefter justerer de disse tal til den aktuelle vejrudsigt for den følgende dag.

"Det er umuligt at forudsige præcist, hvad efterspørgslen efter magt vil være på et givet tidspunkt, "siger John Boyes, der administrerer Energy Storage Programmet på Sandia National Laboratories. Dette scenario sætter forsyningsselskaber i stand til at producere mere eller mindre elektricitet, end kunderne bruger. Uoverensstemmelsen sender krusninger gennem nettet, herunder variationer i AC frekvens, hvilken, hvis den ikke kontrolleres, kan beskadige elektronik. Regionale elforvaltere, eller uafhængige systemoperatører (ISO'er), sving ind og prøv at lukke hullet ved at bede nogle kraftværker om at ændre, hvor meget elektricitet de genererer. Men atom- og fossile brændselsanlæg kan ikke gøre det hurtigt. Deres langsomhed forværrer uoverensstemmelsen mellem elforsyning og efterspørgsel.

Nu, overvej, hvad der sker på en svær dag i Los Angeles, når folk i hele landet kører deres klimaanlæg. Disse er højeste efterspørgsel betingelser, når de fleste kunder bruger mest elektricitet, hvilket sker i et par timer på fem til 10 dage hvert år. På disse dage, faciliteter kendt som højttalerplanter kaldes til handling. Disse dyre fossile brændselsanlæg sidder inaktiv hele året og kan udsende mere luftforurening end et stort kulfyret anlæg. "Vi ville ikke lide at gøre det i en [røget] by som Los Angeles, men vi gør det alligevel, "siger Imre Gyuk. Hvis de højttalende planter mangler, forsyningsselskaber betaler store kunder som aluminiumsmeltere for at bruge mindre elektricitet. "Hvis intet virker, du har brownouts og rullestop, "siger Gyuk.

I mellemtiden, gamle understationer overbelaster. De bærer mere strøm, end de er beregnet til at håndtere, og metalstrukturerne varme. "Det er ikke anbefalet praksis, «siger Boyes.

Hvis det elektriske net lyder stresset, du har ikke set noget endnu. Læs videre.

Betydningen af ​​netopbevaring på nettet på ekstraordinære dage

Måske er det ikke en almindelig dag. Måske falder et træ på en elledning, eller lynet slår det. Disse forstyrrelser vil slå ledningens spænding fra den påtænkte mængde. Spændingsvariationer nulstiller computere. Nu blinker dit vækkeur 12:00. Eller værre:"For alle automatiserede fremstillingsprocesser, hvis computeren nulstilles, det lukker processen ned. Hvis du er en plastproducent, og dine maskiner køler ned, plast størkner i dine maskiner, «siger Boyes.

Og hvad hvis en dags begivenheder overstiger forsyningsselskabernes bestræbelser på at kompensere? Ja, du gættede det - du står over for et blackout. Det skete bestemt i hele Nordøst i 2003.

Med nettet allerede i færd, det er svært at forestille sig at tilføje flere vedvarende energikilder, som vind og solenergi, fordi de er intermitterende energikilder. Vi ved, at kunderne er uforudsigelige, men nu, det er elektriciteten også. Når vinden dør uventet, en vindmøllepark kan miste 1, 000 megawatt på få minutter og skal derefter hurtigt købe og importere elektricitet til sine kunder.

Alternativet er så at bruge et fossilt brændselsanlæg i høj stil, men det tilføjer luftforurening til ren elektricitet. Eller naturen kan herske. På vindmølleparker i Texas, vinden blæser næsten udelukkende om natten, mens efterspørgslen er lav, og elprisen bliver negativ. "Det betyder, at du skal betale nettet for at sætte strøm på det, "siger Gyuk." Jeg talte med en, der driver sit klimaanlæg hele natten for at nedkøle huset, fordi han får det gratis. Så lukker han vinduerne. "

Ifølge Gyuk, disse problemer vil blive værre, efterhånden som vi bruger mere elektronik og mere elektricitet. Så hvad kunne svaret på disse problemer være? Gitterenergilagring.

Inden vi dykker ned i emnet, Det er vigtigt at forstå, hvad det vil sige at lagre energi. Netets opgave er at levere elektricitet til hver kunde ved 120 volt og 60 hertz. Dette opnås ved at tilføje eller fjerne strøm fra nettet. En lagerenhed hjælper med at tilføje eller fjerne strøm nøjagtigt, når det er nødvendigt.

Læs videre for at lære, hvordan energilagring kan styrke nettet.

Typer af netopbevaring af net:Pumpet vandkraft

Pumpet vandkraft stationer bruger faldende vand til at lave elektricitet. Et eksempel på dette kan ses på Raccoon Mountain i Tennessee. Ved foden af ​​bjerget, Tennessee Valley Authority (TVA) lavede en sø ved at hæfte nogle af Tennessee -floden.

Når kunderne ikke bruger meget strøm, TVA omdirigerer elektricitet fra andre kraftværker til et kraftværk inde i bjerget. Elektriciteten drejer husets møller baglæns, skubber søvand op af en tunnel i bjerget til toppen. Efter 28 timer, det øverste bassin er fyldt. For at lave elektricitet, TVA åbner et afløb i det øvre bassin. Vand falder lige gennem midten af ​​bjerget og drejer møllerne fremad, producerer elektricitet. Den falder i 22 timer, konstant udsender 1, 600 megawatt el, matcher produktionen af ​​et stort kulfyret anlæg. TVA tilføjer denne elektricitet til bidraget fra sine andre fabrikker på dage med stor efterspørgsel [kilde:TVA].

Pumpede vandkraftværker kører verden over, yde mellem 200 megawatt og 2, 000 megawatt strøm på spidsbelastningsdage [kilde:Cole]. De udsender ingen luftforurening, og en gang ladet, er online om 15 minutter, hurtigere og grønnere end et højttaleranlæg. Det eneste problem er "vi er ved at løbe tør for gode sider til det, "siger Gyuk.

Trykluftsenergilagring ( CAES ) er lager til naturgasværker. Normalt, disse anlæg forbrænder naturgas for at opvarme luft, som skubber en turbine i en generator. Når naturgasanlæg er i nærheden af ​​et underjordisk hul, som en hule eller gammel mine, de kan bruge CAES. På langsomme dage, anlægget kan producere elektricitet til at køre en kompressor, der komprimerer udeluft og skubber den ned i hullet under jorden. På dage, hvor kunderne har brug for maksimal elektricitet, kraftværket kan lade trykluften sive ud mod møllen, skubber den, sammen med den normale opvarmede luft. Denne trykluft kan hjælpe i timevis, konstant tilføjer 25 megawatt til 2, 700 megawatt elektricitet til anlæggets produktion på spidsbelastningsdage [kilde:Cole].

Fortsæt med at læse for at lære, hvor vi ellers kan gemme energi på nettet.

Lagerenheder laver og bruger strøm smart - til en proces, der kan vendes for at give strømmen tilbage. For eksempel, pumpet vandkraftlager bruger strøm til at pumpe vand til en højde. Når vi har brug for strømmen tilbage, vi lader vandet falde ned på drivsystemet i en generator. Hvor er energien i dette billede? Det er der hele tiden, overføres som penge mellem bankkonti. Energien starter som elektrisk energi i nettet, ændringer i tyngdekraftens potentielle energi, når vandet er højt, og som vand falder for at drive generatoren, det bliver til elektrisk energi i nettet igen.

Se efter vendinger og energioverførsel i hver lagringsmetode, vi beskriver i denne artikel.

Typer af gitterenergilagring:Hjul, Plader og sløjfer

Nu er det tid til at se på lager, der leverer et stort udbrud af stor elektricitet eller mindre i længere tid. Disse systemer kan ikke sende stor elektricitet til kunder hele dagen, som pumpet vandkraft og CAES kan.

Svinghjul gemme energi ved at spinde. De hurtigste består af en motor, en svævende magnet, et vakuum til nix -friktion og en skal til sikkerhed. Når der er ekstra elektricitet tilgængelig på nettet, den kan køre motoren, som snurrer magneten. Når der er brug for elektricitet, svinghjulene kan dreje det ud på få minutter til timer, som situationen kræver.

På elnettet, svinghjul gør controllere af god kvalitet. De er gode til at stabilisere frekvensen, hvilken, som vi har nævnt, vingler over og under 60 hertz i USA i dag. Det stiger, når forsyningsselskaber laver mere elektricitet, end kunderne bruger, og dips, når forsyningsselskaber laver mindre. Svinghjul ændrer situationen, fordi ISO'er kan kontrollere dem direkte - i sidste ende, de vil være automatiske - så ingen skal ringe til Jane på kraftværk A og vente på, at hun skal hæve eller sænke generationen for at rette frekvensproblemet. Med hurtigt svar, frekvensen kan nivelleres, før kunden føler det. Faktisk, flere amerikanske I.S.O.er tester svinghjulspuder [kilde:Beacon Power 1, Beacon Power 2, Beacon Power 3].

En anden anvendelse til svinghjul er konstant spænding på nettet. Hvad kan muligvis ændre spændingen på de robuste højspændingsledninger? Prøv dominoeffekter fra strømafbrydelser, væltede træer og elektriske tog. Når metro- eller letbanetog bremser, de producerer elektricitet, øge spændingen og få strøm til at stige lokalt. Når tog accelererer ud af stationen, de trækker strøm, gør spændingsfaldet og suger strøm andre steder fra. Svinghjul kan absorbere og frigive strømmen, efterlader resten af ​​nettet uforstyrret. Faktisk, de er blevet testet på New Yorks metrotog [kilde:Kennedy].

Svinghjul er også gode til vindmølleparker, hvor de kan spinde ekstra elektricitet op under vindstød og spytte det ud under nedlukninger, så kunderne ikke lider udsvingene.

Superkapacitorer , endnu hurtigere end svinghjul, lagre energi ved at adskille ladninger. De er "super", fordi de gemmer mere energi end traditionelle kondensatorer, men de fungerer på samme måde. Når der er ekstra strøm, det kan bruges til at skubbe ladninger af nogle metalplader og over på andre, efterlader nogle positivt og andre negativt ladede. Når der er brug for elektricitet, pladerne neutraliserer, og ladestrømme, lave en strøm. I Madrid, Beijing og andre byer, kabinetter fulde af superkapacitorer buffer elektriske tog [kilde:Siemens].

Superledende magnetisk energilagring, eller SMV'er, er en anden måde at slippe af med spændingsfald og pigge på nettet. Under pigge, sløjfer af ledning optager ekstra strøm, og under dips, sløjferne returnerer strømmen til nettet. Fordi tråden næsten ikke har nogen modstand, den gemmer strøm med næsten ingen tab.

Næste op - strømlagringssystemer mange af os bruger til daglig:batterier.

Typer af netopbevaring af net:Celler

Batterier er som Lego -sæt til gitteret. De findes i mange typer, kan stables eller forstørres for at gemme mere energi og kan drive elektricitet i sekunder til timer. På lang levetid, finder du trailer-størrelse flow batterier synes godt om vanadium redox og zinkbromid og høj temperatur batterier synes godt om natrium-svovl . Disse kan levere op til 20 megawatt strøm i timevis [kilde:Gyuk]. I kraft-burst-enden, blybatterier er almindeligt anvendt i dag. Andre batterier inkluderer metal-luft , lithium-ion , nikkel-cadmium og bly-kulstof . Alle batterier bruger og frigiver energi gennem kemiske reaktioner.

Batterier findes overalt i det amerikanske elnet, normalt på kundesiden, hvor fabrikker, og måske computerne på dit kontor, bruge en Uafbrydelig strømforsyning , eller UPS at køre elektronik kørende under afbrydelser.

Men batterier bakker også op om tarmene på nettet. I Charleston, W. Va., en understation bruges til at overophedes hver gang for mange kunder trak strøm igennem den. Derefter installerede American Electric Power et batteri til at levere elektricitet på spidsbelastningsdage, og understationen stoppede med at blive overophedet. Alaskanerne led tidligere med afbrydelser med hver fejl på strømledningen mellem Anchorage og Fairbanks, indtil de installerede et batteri i størrelse fodbold til at dække linjen under fejl og reparation.

Batterier kan også hjælpe vindmølleparker på steder, hvor vinden kun blæser om natten, og kunderne bruger energi i løbet af dagen.

Der er tale om en dag at bruge plug-in hybrid elbiler, eller PHEV'er , med batterier, der oplades ved at tilslutte til stikkontakten, til kommerciel elektricitet. Med de rigtige ledninger i dit hus, din parkerede bil kunne køre din opvaskemaskine. I den fjerne fremtid, mange biler, der er tilsluttet mange garager, kunne sende elektricitet til, hvor det er nødvendigt på nettet i en applikation, der kaldes køretøj til net , eller V2G . Men det er mange år fri, da stikkontakten ikke kan tage strøm fra batteriet, og bilerne er ikke kommercielle.

Lyder dette praktisk? Fortsæt med at læse for at finde ud af, hvor meget det hele koster.

Economics of Grid Energy Storage

"Når det kommer til de faktiske omkostninger, energilagring er ikke billig, "siger Imre Gyuk.

Vi kan se, hvor omkostningerne står i dag, men de falder, efterhånden som mere lagerplads går på nettet. Lad os starte med opbevaring på kraftværker. Som vi lærte tidligere, et el-selskab kan lagre energi på et kraftværk for at levere strøm på dage med høj efterspørgsel. Anlægget har brug for stor strøm hele dagen, og kun trykluft og pumpet vandkraft kan levere det. For hver $ 700 betaler det for et trykluftsystem, strømforsyningen får 1 kilowatt elektricitet, leveret i mere end 20 timer, nok til at køre en kaffemaskine hele dagen [kilde:EAC, NSTAR]. Pumpet vandkraft koster mere - $ 2, 250 pr kilowatt.

For strøm, der varer minutter til timer, lithium-ion batterier koster $ 1, 100 pr. Kilowatt (eller kaffemaskine), svinghjul koster $ 1, 250 pr. Kilowatt, flowbatterier koster $ 2, 500 pr. Kilowatt, og højtemperaturbatterier som natrium-svovl koster $ 3, 100 pr. Kilowatt [kilde:EAC]. Og opbevaring i superkapacitorer koster endnu mere.

Men, ifølge Gyuk, vi får meget for vores investering i lager. Vi får et net, der kan håndtere flere vind- og solenergianlæg, uden mareridt. Vi får færre højttaleranlæg, hvilket betyder mindre kuldioxidemissioner og luftforurening. Og vi får beskyttelse mod afbrydelser, hvilken, ifølge Gyuk, koste 33 øre ud af hver dollar, vi bruger på elektricitet [kilde:Gyuk 2008].

El -virksomheder og ISO'er betaler for opbevaring, hvis de beslutter at installere det. "Prisen på opbevaring falder. Prisen for at løse problemerne på andre måder stiger. Ret hurtigt, disse priser vil krydse, "bemærker Boyes, tyder på omkostninger kan anspore til tilføjelse af lager til nettet.

Vil forbrugernes elpriser falde i sidste ende? Måske. Med nok lagerplads, forsyningsselskaber vil kunne producere elektricitet på en mere kontrolleret måde. De vil bedre bruge hardwaren i gitteret, som transmissionslinjer og understationer, i stedet for at udskifte eller forstørre dem.

Selvom forbrugernes elpriser stiger, "Vi får et bedre system, "siger Gyuk.

For at se en animation om, hvordan det amerikanske elnet regulerer frekvensen i dag, og hvordan det kan gøres i fremtiden med svinghjul, Klik her, vælg derefter "Svinghjul og frekvensregulering". (Advarsel:den interessante animation er pakket rundt om en annonce til lagersystemet.)

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Sådan fungerer frosset brændstof
• Sådan fungerer forgasning
• Sådan fungerer PlayPump
• Hvad er øko-plast?

Kilder

• Beacon Power. "Beacon Power tildelte $ 2 millioner til støtte for implementering af svinghjulsfabrik i New York." 10. juni kl. 2009. (6/14/2009) http://phx.corporate-ir.net/phoenix.zhtml?c=123367&p=irol-newsArticle&ID=1298055&highlight=
• Beacon Power. "Beacon Power og American Electric Power Sign -aftale om et Megawatt -svinghjulreguleringsanlæg i Ohio." 23. februar kl. 2009. (6/14/2009) http://phx.corporate-ir.net/phoenix.zhtml?c=123367&p=irol-newsArticle&ID=1258834&highlight=
• Beacon Power. "Beacon Power rapporterer fremskridt med implementering af frekvensreguleringssystemer." 22. januar kl. 2009. (6/14/2009) http://phx.corporate-ir.net/phoenix.zhtml?c=123367&p=irol-newsArticle&ID=1247291&highlight=
• Boyes, John. Personligt interview. Udført 2.6.2009.
• Cole, Stijn et al. "Energilagring på produktions- og transmissionsniveau:
• en SWOT -analyse. "WSEAS Transactions on Power Systems. 2006. http://www.esat.kuleuven.be/electa/publications/fulltexts/pub_1515.pdf
• Elektricitetsrådgivende udvalg. "Tappning af elektricitet:Opbevaring som et strategisk værktøj til håndtering af bekymringer vedrørende variation og kapacitet i det moderne net." December 2008. http://www.oe.energy.gov/DocumentsandMedia/final-energy-storage_12-16-08.pdf
• Gyuk, Imre. "Opbevaring af elektrisk energi:applikationer til erhverv og forsyningsselskaber." 2007. https://touchstoneenergy.cooperative.com/public/programs/NewTech/documents/CandI-NewTechPotpourri-Gyuk.ppt#257, 1, ELEKTRISK ENERGILAGRING Kommercielle applikationer og forsyningsselskaber ________________________________ IMRE GYUK, PROGRAMLEDER ENERGI OPBEVARING AF FORSKNING, DOE
• Gyuk, Imre. "Energilagring til et grønnere net" i fysik for bæredygtig energi:Brug energi effektivt og producer den vedvarende. AIP -konferenceprocedurer. Vol. 1044. 2008.
• Gyuk, Imre. Personligt interview. Udført 3.6.2009.
• Kennedy, Randy. "Amazing Secrets of the Third Rail." New York Times. 30. juli kl. 2002. (14.6.2009) http://www.nytimes.com/2002/07/30/nyregion/30TUNN.html
• NSTAR. "Appliance Operating Calculator." http://www.nstar.com/residential/energy_efficiency/energy_calculator.asp
• Siemens. "Sitras SES:Energilagringssystem til massetransitsystemer." http://www.transportation.siemens.com/shared/data/pdf/ts_el/produkte/sitras-ses_ws_76.pdf
• Tennessee Valley Authority. "Raccoon Mountain Pumped-Storage Plant." http://www.tva.gov/sites/raccoonmt.htm