Waktu telah berakhir ketika barisan pekerja yang kurus pergi ke mesin pada pukul tujuh pagi, dan pada pukul delapan malam mereka meninggalkan pabrik dalam urutan yang sama dan kemudian hampir secara bersamaan tertidur di depan TV. Sekarang kota-kota besar tidak pernah tertidur, dan bersama dengan mereka 24/7 dan semua umat manusia yang progresif, "burung hantu", industri hiburan, dan perusahaan jaringan global. Semuanya membutuhkan listrik, dan kapan saja, tanpa siklus yang jelas. Sementara dunia sedang bergeser ke sumber energi terbarukan yang produksinya bergantung pada kondisi alam yang tidak dikendalikan manusia. Bagaimana di dunia ini untuk menimbun dan kemudian berbagi listrik, menghindari pemadaman listrik? Mari kita bicara tentang contoh teknologi Toshiba.
Ditambah elektrifikasi seluruh planet
Konsumsi listrik akan meningkat. Arah utama dari proses ini adalah elektrifikasi kendaraan, perpindahan beberapa proses industri dari tenaga panas ke catu daya, serta pertumbuhan konsumsi arus listrik rumah tangga. Secara khusus, menurut perkiraan Badan Energi Internasional, 130 juta kendaraan listrik akan melaju di planet kita pada tahun 2040, meskipun pada tahun 2018 ada 5,1 juta unit. Secara total, jumlah mobil saat ini diperkirakan mencapai 1 miliar, dan pada tahun 2035 dapat tumbuh menjadi 2 miliar unit. Dalam industri makanan, farmasi, tekstil, kertas dan lainnya, listrik akan menggantikan batu bara dan gas dalam produksi panas bersuhu sedang dan rendah. Elektrifikasi negara-negara miskin juga akan terus berlanjut, dimana listrik akan lebih banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari.Dan porsi listrik dalam total konsumsi energi akan meningkat dari 19% pada 2018 menjadi 24% pada 2040.
Karenanya, risiko pemadaman akan meningkat - pemadaman listrik skala besar yang memengaruhi berbagai macam konsumen. Menurut Bank Dunia, pada 2019, rata-rata semua negara di dunia, berbagai organisasi mengalami 6,8 pemadaman listrik per bulan. Benar, di negara-negara OECD angka ini adalah 0,4 pemadaman, dan di Rusia - 0,2 pemadaman per bulan.
2003 Bencana Jaringan Listrik AS dan Kanada - Pemandangan dari Luar Angkasa. Pada 14 Agustus 2003, 10 juta orang di Kanada dan 40 juta orang di Amerika Serikat dibiarkan tanpa listrik. Sumber: Administrasi Kelautan dan Atmosfer Nasional, Program Satelit Meteorologi Pertahanan / Wikimedia Commons
Pada saat yang sama, pengenalan ke dalam produksi dan kehidupan sehari-hari teknologi seperti kecerdasan buatan dan Internet of Things (termasuk Industrial Internet of Things) membutuhkan pemadaman listrik minimal yang dapat mengganggu pengoperasian sistem cerdas yang kompleks secara serius.
Selain itu, pendekatan konsumsi energi akan berubah setelah diperkenalkannya sumber-sumber energi terbarukan, yang memberikan keluaran yang berbeda tergantung pada waktu dan cuaca. Pada siang hari atau cuaca berangin, panel surya dan ladang angin menghasilkan lebih banyak arus daripada pada malam hari dan dalam cuaca tenang. Karenanya, lebih baik menghemat energi berlebih untuk berjaga-jaga. Tapi bagaimana caranya?
Metamorfosis energi
Menghemat energi, terutama dalam skala industri, memang tidak mudah. Terlepas dari kenyataan bahwa sifat kelistrikan telah dipahami dengan baik, pelestariannya memerlukan solusi teknis yang rumit atau mahal (atau keduanya pada saat yang bersamaan). Jadi, apa yang akan melindungi dunia yang sangat berlistrik di masa depan dari pemadaman listrik?
Singkatnya, kimia dan mekanik. Hampir semua metode akumulasi listrik direduksi menjadi transformasinya menggunakan reaksi kimia atau gerakan mekanis.
Ide pertama yang dimiliki oleh setiap pengguna smartphone atau pemilik mobil listrik adalah: mengapa tidak menggunakan baterai lithium-ion yang sangat besar dalam skala industri? Sudah ada upaya untuk membuat drive besar dari jenis ini. Misalnya, Tesla sekarang bekerja untuk meningkatkan kapasitas (dari 100 menjadi 150 MW) penyimpanan lithium-ion terbesar di dunia, yang dikumpulkan pada tahun 2017 di negara bagian Australia Selatan di Benua Hijau. Ini terdiri dari baterai lithium-ion Tesla Powerpack yang dirancang untuk utilitas dan pengguna industri. Di dalamnya terdapat 16 kemasan baterai terpisah, masing-masing dengan konverter DC / DC terisolasi.
Daya masing-masing mencapai 130 kW, dan konsumsi energinya 232 kWh. Fasilitas penyimpanan Tesla Powerpack Australia Selatan membantu menghemat energi dari ladang angin terdekat. Saat terisi penuh, "baterai" berkapasitas 129 MWh ini mampu menyalurkan listrik ke 30 ribu rumah tangga.
Tanda tangan: Setiap Powerpack seperti batu bata tempat penyimpanan energi dibangun. Satu inverter dapat dihubungkan dari satu hingga 20 Powerpack. Paket baterai dan inverter seperti itu dapat digunakan untuk membuat fasilitas penyimpanan dengan intensitas energi yang sangat besar. Sumber: Tesla
Namun, selain kerugian yang diketahui dari baterai tersebut, ada juga ini: dengan meningkatkan baterai lithium-ion ke skala industri, kami sama-sama meningkatkan masalah pembuangannya. Oleh karena itu, tetap ramah lingkungan selama masa pengoperasian, baterai yang sangat besar di masa mendatang akan menimbulkan ancaman bagi lingkungan dan merepotkan bila dihapus.
Cara lain untuk mengubah energi adalah elektrolisis.
Mari kita jelaskan menggunakan contoh instalasi H2One kita, yang telah kita bicarakan.: panel surya menyediakan proses elektrolisis air, yang menghasilkan hidrogen; hidrogen disimpan atau disuplai ke konsumen, dan hidrogen dapat segera memberikan panas, energi mekanik, atau listrik ketika teroksidasi dalam sel bahan bakar. Satu-satunya masalah sejauh ini adalah bahwa energi satu stasiun H2One hanya cukup untuk benda-benda kecil, misalnya stasiun kereta api di kota Kawasaki (Jepang). Skala industri di masa depan.
Pada prinsipnya paling sederhana, tetapi kompleks dalam penerapannya, opsi bersifat mekanis. Skema umumnya adalah sebagai berikut: selama periode produksi puncak, listrik disimpan dengan memompa gas atau air ke dalam tangki khusus, mengangkat beban ke ketinggian atau menekan mata air. Selama periode kekurangan daya, energi dilepaskan secara mekanis dengan memberi makan kembali zat, berat, atau dengan melonggarkan pegas. Prinsipnya sederhana, ramah lingkungan, dapat diskalakan secara industri, dan sangat tahan lama. Itulah sebabnya, menurut Vygon Consulting, 95% sistem penyimpanan energi di dunia adalah stasiun penyimpanan yang dipompa (PSPP) yang hanya menggunakan apa yang telah diberikan alam kepada kita - air dan lanskap pegunungan - untuk penyimpanan energi.
Saya memelintir, memutar, saya ingin menarik
Untuk pertama kalinya, penggunaan air dan lanskap pegunungan untuk penyimpanan energi ditemukan di Swiss. Pada tahun 1909, dekat kota Schaffhausen, di kanton dengan nama yang sama, dibangun stasiun penyimpanan terpompa pertama di dunia Engeweiher dengan kapasitas 1,5 MW. Prinsip pengoperasian PSPP yang terkandung dalam instalasi tersebut telah dipertahankan secara umum hingga hari ini.
Stasiun tersebut terdiri dari sebuah pompa, dua buah reservoir yang terletak pada ketinggian yang berbeda, dan sebuah turbin. Ketika ada kelebihan listrik, pompa memompa air ke reservoir atas. Ketika tidak ada cukup listrik di jaringan, air dialihkan ke reservoir bawah melalui turbin, yang menyediakan listrik. Kesederhanaan dan keandalan prinsip ini telah dibuktikan oleh waktu, demikian pula dengan sejarah stasiun Engeweiher itu sendiri yang hingga saat ini masih beroperasi - kapasitasnya ternyata sangat berguna dengan latar belakang perkembangan sumber energi terbarukan di Swiss.
Pembangkit listrik tenaga air penyimpanan adalah salah satu sumber energi terbarukan tertua di dunia. Sumber: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation
Langkah selanjutnya dalam pengembangan teknologi diambil pada tahun 1930-an. Telah dipahami bahwa turbin air yang digabungkan dengan generator dapat beroperasi pada efisiensi yang lebih tinggi jika kecepatan rotasinya dikendalikan. Oleh karena itu, pada tahun 1930, Toshiba mengembangkan motor hidrogenerator asinkron 750 kVA, yang dipasang di Stasiun Yoshino di Kota Kanazawa (Prefektur Ishikawa, Jepang). Kecepatan putaran turbin di dalamnya dapat diubah untuk mencapai efisiensi maksimum.
Namun, teknologi ini tidak menemukan aplikasi yang luas pada saat itu, dan selanjutnya, sebagian besar motor hidrogenerator sinkron digunakan, yang beroperasi dengan kecepatan putaran konstan (sinkron), itulah sebabnya daya input tidak dapat diubah. Ini berarti bahwa tidak mudah untuk menyesuaikan pengoperasian stasiun dengan permintaan yang berubah (katakanlah, pada malam hari, ketika lebih banyak energi yang dibutuhkan untuk memompa air dan lebih sedikit untuk memberikannya ke jaringan) - efisiensi injeksi atau produksi menurun.
Pada tahun 1990, Toshiba kembali beralih ke teknologi motor hidrogenerator asinkron: bekerja sama dengan Tokyo Electric Power Company (TEPCO), unit pemompaan kecepatan variabel pertama di dunia dikembangkan dan dipasang di stasiun pompa Yagasawa, menggunakan generator motor AC eksitasi sekunder. frekuensi rendah. Ini dikendalikan oleh pengontrol digital berkecepatan tinggi dan berkinerja tinggi yang dapat mengubah daya input dan output jauh lebih cepat daripada unit hidrolik konvensional, yang memungkinkan stabilisasi fluktuasi daya yang lebih cepat dalam jaringan, misalnya, dalam keadaan darurat. Sejak itu, motor-generator asinkron di pembangkit listrik penyimpanan yang dipompa mulai lebih sering digunakan, dan sekarang mereka adalah model yang paling menjanjikan untuk penyimpanan yang dipompa.
Pada bulan Juni 2014, unit pemompaan kecepatan variabel terbesar di dunia dengan kapasitas 475 MVA mulai beroperasi untuk blok keempat dari Kazunogawa PSP (Prefektur Yamanashi, Jepang), yang juga memiliki kepala pompa terbesar di dunia (785 m). untuk turbin pompa satu tahap. Stasiun ini juga dioperasikan oleh TEPCO. Sumber: Toshiba Energy Systems Co., Ltd / YouTube
Unit hidraulik kecepatan variabel meningkatkan efisiensi mode pemompaan dan turbin, sehingga meningkatkan efisiensi siklus lengkap pembangkit listrik penyimpanan yang dipompa, serta mengurangi getaran dan keausan mekanis sistem. Selain itu, mesin semacam itu dapat langsung merespons perubahan mendadak dalam permintaan listrik, terkait, misalnya, dengan penggunaan sumber energi terbarukan yang tidak stabil atau pemadaman listrik.
Dan kami berkata: "Pembangkit listrik penyimpanan yang dipompa dengan generator mesin asinkron, jadilah berbuah dan berkembang biak!" Sumber: Abubakirov Sh. I. Pengalaman dan prospek penggunaan hidrogenerator asinkron dalam proyek JSC "Institute Hydroproject" // Hydroenergetics. - 2010.— No. 2 (19).
Menemukan keseimbangan
Solusi yang dijelaskan, seperti yang Anda lihat, memiliki skala industri besar. Tetapi seberapa masuk akal sentralisasi seperti itu? Dan bukankah lebih baik menerapkan solusi terdistribusi yang dapat menyelesaikan masalah ketidakseimbangan leveling dalam sistem catu daya? Tidak ada yang menghalangi penggabungan kedua pendekatan ini, menggabungkan sistem penyimpanan energi besar dan sistem lokal, yang dibangun berdasarkan baterai individu yang dipasang pada objek tertentu dan bahkan di gedung tempat tinggal, dalam satu sistem catu daya.
Baterai isi ulang, terutama SCiBTM Toshiba, lebih cocok untuk mengatasi masalah tersebut. Anodanya didasarkan pada lithium titanium oxide (LTO), yang memungkinkan kapasitas efektif yang lebih besar, dan juga memberikan masa pakai yang lama, operasi pada suhu rendah, pengisian cepat, input dan output daya tinggi. Toshiba SCiBTM dapat diterapkan dalam berbagai macam aplikasi, mulai dari penyimpanan stasioner kecil (kW) untuk aplikasi perumahan hingga mobil, bus, gerbong kereta, lift, pembangkit listrik, dan penyimpanan energi skala besar (MW) untuk jaringan listrik, jaringan pintar, dan pembangkit listrik tenaga surya. Sumber: Toshiba
Selain itu, fasilitas penyimpanan listrik lokal individu dapat, pada gilirannya, juga digabungkan menjadi struktur besar - pembangkit listrik virtual, yang sudah kita bicarakan di blog ini. Dan solusi semacam itu sudah diterapkan.
Misalnya, di Jerman, TenneT, perusahaan distribusi terbesar, bersama dengan produsen sistem penyimpanan rumah, Sonnen, mengumumkan pembuatan sejenis blockchain energi: mereka berencana untuk menghubungkan perangkat penyimpanan energi rumah ke dalam jaringan untuk menyamakan ketidakseimbangan dalam sistem energi di tingkat negara. Namun, sejauh ini jumlah pemilik perangkat penyimpanan yang cocok untuk ini jauh lebih sedikit dibandingkan pemilik stasiun rumah yang menggunakan sumber energi terbarukan.
Kombinasi fasilitas penyimpanan energi besar dan fasilitas lokal kecil, yang dihubungkan bersama, akan membantu mengatasi ketidakseimbangan konsumsi dan pembangkit, yang telah kita bicarakan di awal, dan meminimalkan kemungkinan pemadaman listrik.