Vid mörkläggningar, avbrott och strömavbrott inträffar, det är frustrerande att vara utan ström. Att lagra energi längs det amerikanska nätet kan hjälpa till att hålla strömmen på. © iStockphoto.com/TebNad Avbrottet började i Ohio, förstörde trafiken i Michigan, släcka lamporna i Kanada, förde sedan mörker till New York City, staden som aldrig sover. I slutet av Northeast Blackout 2003, regionen förlorade cirka 6 miljarder dollar.
Vad tror du orsakade en så stor blackout - något extraordinärt? Saboterade någon rutnätet? Var det en jordbävning? Nej - det fanns ingen olycklig plan eller naturkatastrof - bara några vanliga hicka. Det amerikanska elnätet fungerade som vanligt, men sedan ökade dess misslyckanden, hjälpt till av datorfel och några irriterande träd och voilà - cirka 50 miljoner människor var utan ström.
Enligt Imre Gyuk, som hanterar forskningsprogrammet för energilagring vid U.S. Department of Energy, vi kan undvika massiva strömavbrott som den stora 2003 genom att lagra energi på elnätet. Energi kan lagras i enheter vid kraftverk, längs överföringslinjer, vid transformatorstationer, och på platser nära kunder. På det sättet, när små katastrofer inträffar, den lagrade energin kan leverera el var som helst längs linjen.
Det låter som ett stort projekt, och det är. Men i stort sett varje system som lyckas betjäna många kunder behåller en reserv. Tänk på det. Bankerna håller en reserv. Superstora butiker som Target och Wal-Mart behåller en reserv. Kunde McDonald's ha tjänat miljarder utan att ha ständigt lagerhållna skafferier och frysar? Eftersom det amerikanska elnätet fungerar på kryptering, inte reserver, den är inställd för problem. Se vad vi menar på nästa sida.
Innehåll
Varje vanlig dag, elkraftsföretag planerar hur mycket el som ska genereras nästa dag. De försöker förutse vad kunderna kommer att göra, främst genom att läsa historiska uppgifter om användning samma dag föregående år. Sedan anpassar de dessa siffror till den aktuella väderprognosen för följande dag.
"Det är omöjligt att exakt förutse vad kravet på makt kommer att vara vid ett givet ögonblick, säger John Boyes, som hanterar energilagringsprogrammet på Sandia National Laboratories. Detta scenario ställer in verktyg för att göra mer eller mindre el än kunderna använder. Felanpassningen skickar krusningar genom rutnätet, inklusive variationer i AC -frekvens, som, om den inte kontrolleras, kan skada elektroniken. Regionala elchefer, eller oberoende systemoperatörer (ISO), svep in och försök att minska luckan genom att be några kraftverk att ändra hur mycket el de genererar. Men kärnkraft- och fossila bränsleverk kan inte göra det snabbt. Deras långsamhet förvärrar obalansen mellan elförsörjning och efterfrågan.
Nu, överväga vad som händer på en härlig dag i Los Angeles när människor i hela landet driver sina luftkonditioneringar. Dessa är högsta efterfrågan betingelser, när de flesta kunderna använder mest el, vilket sker i några timmar på fem till tio dagar varje år. Dessa dagar, anläggningar som kallas högtalare kallas till handling. Dessa dyra anläggningar för fossila bränslen sitter i viloläge hela året och kan avge mer luftföroreningar än en stor kolkraftverk. "Vi skulle inte vilja göra det i en [rökig] stad som Los Angeles, men vi gör det ändå "säger Imre Gyuk. Om de högtalande växterna blir korta, företag betalar stora kunder som aluminiumsmältverk för att använda mindre el. "Om ingenting fungerar, du har brownouts och avbrott, säger Gyuk.
Under tiden, gamla stationer överbelastas. De bär mer ström än de är avsedda att hantera, och metallstrukturerna värmer. "Det rekommenderas inte, säger Boyes.
Om det elektriska nätet låter stressat, du har inte sett något än. Läs vidare.
Det kanske inte är en vanlig dag. Kanske faller ett träd på en kraftledning eller blixtnedslag. Dessa störningar kommer att slå av spänningen från den avsedda mängden. Spänningsvariationer återställer datorer. Nu blinkar din väckarklocka 12:00. Eller ännu värre:"För alla automatiserade tillverkningsprocesser, om datorn återställs, det stänger av processen. Om du är en plasttillverkare, och dina maskiner svalnar, plast stelnar i dina maskiner, säger Boyes.
Och vad händer om en dags händelser överstiger verktygens ansträngningar att kompensera? Ja, du gissade det - du står inför en blackout. Det hände verkligen i nordöstra 2003.
Med nätet redan förvrängt, det är svårt att tänka sig att lägga till fler förnybara energikällor, som vind och solenergi, eftersom de är intermittenta energikällor. Vi vet att kunderna är oförutsägbara, men nu, så är elen. När vinden dör oväntat, en vindkraftpark kan förlora 1, 000 megawatt på några minuter och måste sedan snabbt köpa och importera el till sina kunder.
Alternativet är då att använda en fossilbränslefabrik i högtalartyp, men det tillför luftföroreningar till ren el. Eller så kan naturen härska. På vindkraftparker i Texas, vinden blåser nästan uteslutande på natten medan efterfrågan är låg, och elpriset blir negativt. "Det betyder att du måste betala nätet för att lägga el på det, "säger Gyuk." Jag pratade med någon som driver sin luftkonditionering hela natten för att kyla huset eftersom han får det gratis. Sedan stänger han fönstren. "
Enligt Gyuk, dessa problem kommer att förvärras när vi använder mer elektronik och mer el. Så vad kan vara svaret på dessa problem? Lagring av elnät.
Innan vi dyker in i ämnet, Det är viktigt att förstå vad det innebär att lagra energi. Nätets uppgift är att leverera el till varje kund med 120 volt och 60 hertz. Detta uppnås genom att lägga till eller ta bort ström från nätet. En lagringsenhet hjälper till genom att lägga till eller ta bort ström när det behövs.
Läs vidare för att lära dig hur energilagring kan stärka nätet.
Pumpad vattenkraft stationer använder fallande vatten för att producera el. Ett exempel på detta kan ses på Raccoon Mountain i Tennessee. Vid foten av berget, Tennessee Valley Authority (TVA) gjorde en sjö genom att sippra några av Tennessee River.
När kunderna inte använder mycket el, TVA avleder elektricitet från andra kraftstationer till ett krafthus inne i berget. Elen snurrar husets turbiner bakåt, skjuta sjövatten upp i en tunnel i berget till toppen. Efter 28 timmar, övre bassängen är full. För att göra el, TVA öppnar ett avlopp i det övre bassängen. Vatten faller rakt genom mitten av berget och snurrar turbinerna framåt, generera el. Den faller i 22 timmar, stadigt mata ut 1, 600 megawatt el, matchar produktionen från en stor kolkraftverk. TVA lägger denna elektricitet till bidraget från sina andra anläggningar på dagar med hög efterfrågan [källa:TVA].
Pumpade vattenkraftstationer fungerar över hela världen, utgång mellan 200 megawatt och 2, 000 megawatt effekt vid högsta efterfrågedagar [källa:Cole]. De avger ingen luftförorening, och en gång laddad, är online på 15 minuter, snabbare och grönare än en högtalaranläggning. Det enda problemet är "vi har slut på bra webbplatser för det, säger Gyuk.
Tryckluftsenergilagring ( CAES ) är lagring för naturgaskraftverk. I vanliga fall, dessa anläggningar bränner naturgas för att värma luft, som skjuter in en turbin i en generator. När naturgasanläggningar är nära ett underjordiskt hål, som en grotta eller en gammal gruva, de kan använda CAES. På långsamma dagar, anläggningen kan producera el för att driva en kompressor som komprimerar uteluft och skjuter in den i hålet under jorden. De dagar då kunderna behöver maximal el, kraftverket kan låta tryckluften rusa ut mot turbinen, trycker på det, tillsammans med normal uppvärmd luft. Denna tryckluft kan hjälpa till i timmar, stadigt lägga till 25 megawatt till 2, 700 megawatt el till anläggningens produktion på högsta efterfrågedagar [källa:Cole].
Fortsätt läsa för att lära dig var vi annars kan lagra energi på nätet.
Pumpa detLagringsenheter gör och använder strömmen smart - för en process som kan vändas för att ge strömmen tillbaka. Till exempel, pumpad vattenkraftlagring använder ström för att pumpa vatten till en höjd. När vi behöver strömmen tillbaka, vi låter vattnet falla ner på drivsystemet i en generator. Var finns energin i den här bilden? Den är där hela tiden, överförs som pengar mellan bankkonton. Energin börjar som elektrisk energi i nätet, förändringar av gravitationens potentiella energi när vattnet är högt, och när vatten faller för att driva generatorn, det blir elektrisk energi i nätet igen.
Leta efter reverseringar och energiöverföring i varje lagringsmetod som vi beskriver i den här artikeln.
Läs mer
Nu är det dags att titta på lagring som ger en stor utbrott av stor el eller mindre längre. Dessa system kan inte skicka stor el till kunder hela dagen, som pumpad vattenkraft och CAES kan.
Svänghjul lagra energi genom att snurra. De snabbaste består av en motor, en svävande magnet, ett vakuum för nix -friktion och ett skal för säkerheten. När det finns extra el tillgänglig på nätet, den kan köra motorn, som snurrar magneten. När el behövs, svänghjulen kan snurra ut det på några minuter till timmar, som situationen kräver.
På elnätet, svänghjul gör kontroller av god kvalitet. De är bra på jämn frekvens, som, som vi har nämnt, vinglar över och under 60 hertz i USA idag. Det spikar när verktyg gör mer el än kunderna använder och sjunker när verktyg gör mindre. Svänghjul förändrar situationen eftersom ISO:er kan styra dem direkt - så småningom, de kommer att vara automatiska - så att ingen behöver ringa Jane vid kraftverk A och vänta på att hon ska höja eller sänka generationen för att rätta till frekvensproblemet. Med snabb respons, frekvensen kan jämnas ut innan kunden känner det. Faktiskt, flera amerikanska I.S.O:er testar svänghjulskuddar [källa:Beacon Power 1, Beacon Power 2, Beacon Power 3].
En annan användning för svänghjul är konstant spänning på nätet. Vad kan möjligen ändra spänningen på de robusta högspänningsledningarna? Prova dominoeffekter från strömavbrott, nedfällda träd och elektriska tåg. När tunnelbana eller spårväg tåg bromsar, de genererar el, höja spänningen och göra strömökning lokalt. När tåg accelererar ut från stationen, de drar el, gör spänningsdoppen och suger ström från någon annanstans. Svänghjul kan absorbera och släppa strömmen, lämnar resten av gallret ostört. Faktiskt, de har testats på New York Citys tunnelbanetåg [källa:Kennedy].
Svänghjul är också bra för vindkraftsparker, där de kan snurra upp extra elektricitet under vindbyar och spotta ut den under nedstängningar, så att kunderna inte drabbas av svängningarna.
Superkondensatorer , ännu snabbare än svänghjul, lagra energi genom att separera laddningar. De är "super" eftersom de lagrar mer energi än traditionella kondensatorer, men de fungerar på samma sätt. När det finns extra el, den kan användas för att skjuta av laddningar från vissa metallplattor och till andra, lämnar vissa positivt och andra negativt laddade. När el behövs, plattorna neutraliseras, och laddningsflöden, göra en ström. I Madrid, Peking och andra städer, skåp fulla av superkondensatorer buffrar elektriska tåg [källa:Siemens].
Superledande magnetisk energilagring, eller SMF, är ett annat sätt att bli av med spänningsdippar och spikar på nätet. Under spikar, slingor av tråd tar upp extra ström, och under dips, slingorna återför strömmen till nätet. Eftersom tråden nästan inte har något motstånd, den lagrar ström med nästan ingen förlust.
Nästa upp - energilagringssystem som många av oss använder dagligen:batterier.
Batterier är perfekta för energibackup och energilagring. Självklart, de som används för lagring av elnät är en tonåring lite större. Tim Boyle/Getty Images
Batterier är som Lego -set för rutnätet. De finns i många typer, kan staplas eller förstoras för att lagra mer energi och kan driva elektricitet i sekunder till timmar. I slutet av livslängden, du hittar trailer-storlek flödesbatterier tycka om vanadin redox och zinkbromid och högtemperaturbatterier tycka om natriumsvavel . Dessa kan leverera upp till 20 megawatt ström i timmar [källa:Gyuk]. I slutet av maktutbrottet, blybatterier används ofta idag. Andra batterier inkluderar metall-luft , litiumjon , nickel-kadmium och bly-kol . Alla batterier använder och släpper ut energi genom kemiska reaktioner.
Batterier finns över hela USA:s elnät, vanligtvis på kundsidan, där fabriker, och kanske datorerna på ditt kontor, använda en avbrottsfri strömförsörjning , eller POSTEN att köra elektronik som körs under avbrott.
Men batterierna backar också upp tarmarna i nätet. I Charleston, W. Va., en transformatorstation som används för att överhettas varje gång för många kunder drar ström genom den. Sedan installerade American Electric Power ett batteri för att leverera el under högsta efterfrågedagar, och transformatorstationen slutade överhettas. Alaskaner brukade drabbas av avbrott med varje glitch på kraftledningen mellan Anchorage och Fairbanks tills de installerade ett fotbollsbatteri som täcker linan under fel och reparation.
Batterier kan också hjälpa vindparker på platser där vinden bara blåser på natten och kunderna använder energi under dagen.
Det pratas om att en dag använda plug-in hybrid elbilar, eller PHEV , med batterier som laddas genom att ansluta till vägguttaget, för kommersiell el. Med rätt ledningar i ditt hus, din parkerade bil kan köra din diskmaskin. Långt fram i tiden, många bilar som är anslutna till många garage kan skicka el till vart det än behövs på nätet i en app som kallas fordon till nätet , eller V2G . Men det är många år ledigt, eftersom vägguttaget inte kan ta el från batteriet, och bilarna är inte kommersiella.
Låter detta praktiskt? Fortsätt läsa för att ta reda på hur mycket det kostar.
"När det gäller faktiska kostnader, energilagring är inte billig, säger Imre Gyuk.
Vi kan se var kostnaderna står idag, men de kommer att sjunka när mer lagring går in på nätet. Låt oss börja med lagring vid kraftverk. Som vi lärt oss tidigare, ett elföretag kan lagra energi vid ett kraftverk för att leverera ström på högkravsdagar. Anläggningen kommer att behöva stor kraft hela dagen, och endast tryckluft och pumpad vattenkraft kan leverera det. För varje $ 700 betalar det för ett tryckluftssystem, verktyget får 1 kilowatt el, levereras i mer än 20 timmar, tillräckligt för att köra en kaffebryggare hela dagen [källa:EAC, NSTAR]. Pumpad vattenkraft kostar mer - $ 2, 250 per kilowatt.
För effekt som varar minuter till timmar, litiumjonbatterier kostar $ 1, 100 per kilowatt (eller kaffebryggare), svänghjul kostar $ 1, 250 per kilowatt, flödesbatterier kostar $ 2, 500 per kilowatt, och högtemperaturbatterier som natriumsvavel kostar $ 3, 100 per kilowatt [källa:EAC]. Och lagring i superkondensatorer kostar ännu mer.
Men, enligt Gyuk, vi får mycket för vår investering i lagring. Vi får ett nät som klarar fler vind- och solkraftverk, utan mardrömmar. Vi får färre högtalare, vilket innebär mindre koldioxidutsläpp och luftföroreningar. Och vi får skydd mot avbrott, som, enligt Gyuk, kostar 33 cent av varje dollar vi spenderar på el [källa:Gyuk 2008].
Elkraftsföretag och ISO kommer att betala för lagring, om de bestämmer sig för att installera det. "Lagringspriset sjunker. Priset för att lösa problemen på andra sätt stiger. Ganska snart, dessa priser kommer att korsa, "konstaterar Boyes, tyder på att kostnader kan leda till att lagring läggs till i nätet.
Kommer konsumenternas elpriser att falla i slutändan? Kanske. Med tillräckligt med förvaring, företag kommer att kunna producera el på ett mer kontrollerat sätt. De använder bättre hårdvaran i rutnätet, som överföringsledningar och transformatorstationer, istället för att byta ut eller förstora dem.
Även om konsumenternas elpriser stiger, "Vi får ett bättre system, säger Gyuk.
FrekvensregleringFör att se en animation om hur det amerikanska elnätet reglerar frekvensen idag och hur det kan göras i framtiden med svänghjul, Klicka här, välj sedan "Svänghjul och frekvensreglering." (Varning:den intressanta animationen lindas runt en annons för lagringssystemet.)
VetenskapGrön vetenskap Hur det smarta nätet kommer att fungeraScienceEnergiproduktionFörstå Smart Grid TechnologyScienceBärbar teknik i samhälletHow Grid Energy Storage WorksScienceGreen ScienceHow Living from the grid WorksScienceEnergy ProductionHow to Sell Electric Back to the gridScienceEnergy ProductionTop 5 Energy GridCraft UnderhållningBrain GamesHow Power Grid Works AutoFuel EconomyGas vs.Grid:Bensin och elektricitet vetter mot AutoPlug-in-hybriderLaddningsplugghybrider på ett smart nät
