无碳能源载体
电力是最高的质量能量载体,越来越占主导地位的世界各地的能源基础设施。最终用电可以扩大有效满足几乎所有的固定能源应用,消除静止的最终使用碳排放。这种方法不太可能在运输工作,然而,由于高成本和低能量的电能存储密度。化学能量载体,如氢,可以更有效地服务于交通燃料和能源存储应用程序,以较低的成本提供更高的能量密度。电解氢,从蒸汽中提取可再生能源,存储为高压气体或低温液体,并在燃料电池电力,再转换或用于氢汽车,将减少排放的运输和发电。可再生资源和模块化的电解技术也允许分散制氢,绕过分布问题和市场准入壁垒。相比之下,sequestration-based化石燃料系统必须实现的规模经济依靠集中生产和等级输电和配电的电力,氢燃料和碳(二氧化碳)。
可再生能源和化石方法可能最终被证明是互补的。可再生能源的使用将限制封存负担适度数量使用最符合成本效益的方法和可靠的处置场所。先前的分析结论可再生电力成本有效的结合可分派无碳能源(如水力、裂变和生物量),以减少能源储存(忧思科学家联盟,1992;凯利和温伯格,1993)。只可分派无碳源产生电流的一小部分,然而,可能是有限的规模迅速增长的需求(和斯奇普迈耶斯,1992;羁绊,1999)。生物量的未来角色,特别是可能限制由于竞争用途的土地,水和其他农业投入(Smil, 1998)。替代裂变扩张、水力发电和生物质是使用温和的化石发电和对风能和碳封存作为补充太阳能。一个综合运输部门补充可再生氢系统通过提供一个大,但灵活,使用可再生电力过剩和通过启用两用的氢燃料作为公用事业能源储存和运输。
本章调查能源储存和氢汽车技术,分析了这些技术融入越来越多的可再生电力和运输行业。温室气体减排策略的影响研究使用积极的效率场景对美国2020年,最新的详细的行业预测的时间范围。
但是传统能源储存技术
资本成本低,但效率低下,燃气调峰发电厂是用来满足需求的波动呈现实用系统。需求波动也可以满足使用储能发电转向更划算的一天。实用程序存储采用今天,少量使用机械储能既定的原则:高水或压缩空气。
水力发电抽水蓄能是最广泛的成形工艺中的技术和成熟,然而抽水蓄能的理论能量密度很低,需要3.7吨(约1000加仑)的水穿越100米的海拔交付1千瓦时。注入大规模水电站是因此最可行的。当今世界最大的泵送水电设施使用密歇根湖和一个人工湖平均海拔85米。峰值发电量为2000兆瓦交付了15000000千瓦时的大约12小时,提供相当于电力需求约为二百万人。往返效率接近70%。目前2%的电力需求满足泵送水电系统(道林,1991)。
两个水力发电的缺点能量储存的上下文中出现的未来csgo雷竞技 。水电存储的大规模性质表明小如果存在任何成本节约将电力分配系统连接到一个泵水力发电设施。最后,在太阳能或风能密集型能源系统的背景下,似乎不太可能能找到足够的网站在方便的位置(即自然形成提供每千瓦时存储成本低)贡献超过总能量储存的次要角色。River-fed水库水力发电能力最好用来抵消太阳能或季节性的变化风能电的一代。
压缩空气能源储存(压缩空气蓄能)也是一个相当成熟的方法,虽然只在几个网站。压缩空气蓄能的能量密度大约50倍水电存储。空气压缩到100个大气压的压力在一个20加仑体积包含1千瓦时的能量。然而,这个能量密度仍然很低:同样体积的压缩ios版雷竞技官网入口 (CNG)包含近100倍的能量。压缩空气蓄能是经济在更大的尺度上(100 - 200兆瓦),依靠自然形成低成本的存储容量,限制普遍实现。压缩空气可以通过涡轮机产生峰值电力运行,虽然热扩张必须由蓄热器或燃料。由于经济原因,兴趣是最大的应用压缩空气蓄能如果额外燃料燃烧的预压缩空气,使较小的涡轮匹配峰值电力需求。在这个应用程序中,然而,绝大多数的能量从一个压缩空气蓄能系统实际上来自于燃料而不是压缩空气(戈登和,1995)。压缩空气蓄能系统也不是燃气发电的最有效的方法,和他们最大的好处是减少发电能力的成本,而不是能源存储本身。压缩空气蓄能几乎没有提供无碳能源系统不依赖ios版雷竞技官网入口 可再生能源,但需要存储。广泛应用的压缩空气蓄能碳封存温室气体上下文需要,或使用无碳燃料(如氢气)产生的其他地方。压缩空气存储压缩空气蓄能系统的能力将可能是更有价值的压缩储氢的无碳能源系统。泄漏没有困难时存储城镇天然气(含氢混合物)在巴黎附近的地下洞穴,法国(Ingersoll (1991)。
6.1.2先进能源存储技术
先进能源存储技术,与传统的能量储存,是典型的模块化的、精心设计的系统没有泵水力发电的规模和位置约束或压缩空气存储。储能包括热化学方法(化学夫妇)、热(相变材料)、机械(飞轮)和电化学(电池和电解燃料生产)。
热化学储能方法利用化学能存储的高能量密度和低成本的使用和丰富的材料。热能可以存储在可逆的化学反应(如2 so3 < - > 2二氧化硫+ O2或CH4 h2 + H2O < - >有限公司+ 3)反应物的传播虽然“热管”循环热来源和最终用途之间距离100英里(Vakil和羊群,1978)。静止的应用、热焓可以存储廉价的普通材料(水,油,或熔盐)。
而热化学和热存储预计低成本、热能存储价值不如电力或燃料能源。热能存储本身的主要缺点是热力学。与电力或燃料,热能不断“泄漏”,和有用的工作的比例提取(由卡诺循环)。今天,大量的能量以热能的形式用于低温空间和水加热,其中一些可以通过明智地使用可以说是得救的热能存储。然而,热力学再次现在处于劣势,未来空间和热水需求可以提供非常有效地使用热泵。减少碳排放的方法,热能存储在调制可能是最有用的太阳能发电生产更有效地满足下午高峰或夜间电力需求,使用太阳能热发电厂(De Laquil et al ., 1990)。
电力可以非常高效地存储相当简洁和飞轮的动能。飞轮储能在商业化的早期阶段,并针对不间断电源(UPS)、能源可靠性的价值远远超过能源的价值。飞轮可以以非常高的速度旋转(10000 - 100000 rpm)在真空中使用磁轴承。他们提供效率高(90%以上)的充电和放电,低功率相关费用(100美元/ kW)和很长的设备一生的前景
(文章和帖子,1973)。1千瓦时飞轮模块可能重达10公斤,占据20升。飞轮的可行性大大先进随着光和很强的碳纤维和其他复合材料。另一方面,所有的专业技术和材料(如磁轴承消除摩擦和提供转子的稳定性)会导致高成本的单位能量存储。成本估算目前100美元/ kW - 600美元/千瓦时的存储容量,尽管成本可能会下降到低于200美元/千瓦时(et al ., 1993)在成熟的大规模生产。飞轮存储相对少量的电力(1 - 300千瓦时),最好放在终端用户在电力系统中,宽松的负担分配,提供峰值功率和可靠性,并使未来的能源系统不间断。
的主要替代品是电化学储能飞轮。电池较重,低效率的周转效率(70 - 80%),但比飞轮更紧凑。电池有较低的资本成本(100 - 200美元/千瓦时),但也更低的循环寿命周期(1000年代)放置在一些散装电力存储怀疑他们的角色。常见的电池材料矿产资源的可用性(铅、镍、镉等)很可能不够用(安德森和条,1998)在全球范围内大量的能源储存(例如存储24小时,约1000亿千瓦时需要1 - 2数十亿吨的电池材料)在未来的电力系统。最引人注目的电池能量的应用是有效的电气化的适度范围(100 - 200英里)乘用车,如果电池质量和循环寿命可以充分提高。
鲜为人知的比电池是一个密切相关的选择:电解生产燃料。电解与电池存储的不同之处在于,在电解电极不是化学变化,不像电池储存能量。能量而不是存储在化学燃料生产。提出了电解的燃料(如锂、铝和锌)技术密切相关的金属气质(氧气)电池。电解燃料的一个优点是权力的分离(电极和电解质)和能源(燃料)函数相结合的电池。这减少了资本成本实现高功率或大的存储容量。电解燃料提供潜在的快速加油和重量低于传统电池,特别是当使用大气中的氧气作为反应物。
氢几十年来一直被认为是作为一个普遍的电解燃料和能量载体(考克斯和威廉姆森,1977;Bockris, 1980;冬季和尼奇,1988;奥格登和威廉姆斯,1989;奥格登和尼奇,1993)。历史上,氢的可行性是有限的客运车辆的燃油经济性和相应的重量的机载燃料存储系统能达到良好的旅游范围。在复合材料的最新进展,以及混合动力车电动汽车解决这些问题,使未来氢汽车燃油效率的2 - 3倍比20年前的设想。作为可再生能源载体以电解产生丰富的水、氢能够无限期地推动所有交通行业。氢谱的储氢方法允许系统根据个人应用的经济学。电解氢燃料预计生产较低的资本成本(电解),存储(压缩气体、低温液体或化学存储),利用(或燃料电池混合动力引擎)。估计在一个实用程序背景下500 - 1000美元/千瓦,不到5美元/千瓦时。的主要缺点是,每一步在氢系统的累积过程效率导致往返的效率30 - 40%,大约一半的更直接的存储技术。分权可以抵消这种在某种程度上,可能使废热用于空间和热水。
很明显从上面的讨论,储能技术是最适合不同的角色。飞轮可以提高输电和配电可靠性、储存和交付电力也许每天两次。在光谱的另一端时间,缓冲水电代可能最有用的调整季节性电力供应和需求的变化。电池,最有用的贡献将使高效短程运输。热能存储技术的最重要的作用是让太阳能为夜间电力生产。电解氢可以作为主要能源储存和环球运输燃料,即使有些能源密集。
每种技术的有效性将取决于这些角色如何满足未来电力供应的需求混合使增加使用间歇性发电,以及不断发展的交通行业可能直接由电力驱动或间接通过电解燃料。
6.1.3传输技术
传播技术的进步也可以在无碳能源系统中发挥作用,可能缓解当地通过使太阳能和可再生资源约束风能利用在更大的城市距离负荷中心。传输有望逐步提高到更高的电压,与直流传动取代交流输电线路很长一段距离。从长远来看高功率或者地下cryoresistive和/或超导输电线路最终可能允许批发长距离输电,减少所需的能量储存季节性和全球的日夜变化。另一个未来的选项可以通过中继卫星传输的能量,提出了卫星或相似月球太阳能功率(Hoffert, 1998)。资本成本的传播通常是相对温和的配电和可再生电力生产。在未来能源系统中,然而,充分利用电力传输容量可能会变得更加困难,如果大,但断断续续,太阳能或风能设施远离人口中心。
替代电气传动是氢传输通过管道或低温油轮,正如今天天然气传输。管道系统提供一些缓冲能力减少他们对短期波动的敏感性供给或需求。氢气管道运营数十年,有可能今天的天然气管道运输氢气,尽管减压和更高的成本比今天的天然气(CRC出版社,1977年;Bockris, 1980;冬季和尼奇,1988;奥格登和威廉姆斯,1989;奥格登和尼奇,1993)。等于投资,新氢管道也提供更多的能量比电力输电线路,虽然转换损失(电能氢能源和电力)可能会抵消这一优势。主要因素决定传输能量的功效是氢能源需求的规模必须证明管道,和运输燃料和电力需求的一部分。
在不久的将来,能量存储或者传输改进可以提高配电和可靠性随着电力市场管制,但这不会影响整体能源使用或排放。从中期来看,越来越依赖间歇(太阳能、风能),和/或不灵活(核)电力能源将在某种程度上需要大量存储,不同于电力存储。这个存储需要匹配不可调度的电力来源不同电力需求(Iannucci et al ., 1998)。最后,能量储存为电解燃料可以扩展的无碳能源交通行业。这尤其重要,因为交通部门的最高价值使用化石燃料(Berry, 1996),碳排放的最大来源,最适合封存方法。
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