Elektrik enerjisini depolamak neden bu kadar zor?

Bu sorulara genel bir cevap bilen var mı? (Onlara birlikte sordum çünkü hepsi birbiriyle bayağı bağlantılı görünüyor.)

  • Neden elektrik enerjisini depolamak bu kadar zor buluyoruz? Genel olarak depolaması zor bir enerji mi buluyoruz? (... elbette hayır, enerjiyi bir tepenin üstüne göndererek bir blokta depolayabiliriz.)

  • Etkili pillerin üretilmesini zorlaştıran şarj/elektrikle ilgili özel bir şey var mı, öyleyse ne?

  • Enerjiyi depolamakla ilgili sorunumuz sadece enerji kullanımımızın bir eseri mi, yoksa elektrik enerjisini kendi başına saklamak zor mu?

15
Neye göre zor?
katma yazar Ken, kaynak
Pil mi demek istiyorsun? Bu bir çeşit elektrik enerjisi değil ...
katma yazar user28745, kaynak
aslında elektrik depolamıyoruz, akülerde olduğu gibi elektrik üretmek için ihtiyaç duyulduğunda ileriye doğru takip edilebilen bir kimyasal reaksiyonu eritmek için elektrik kullanıyoruz
katma yazar cyan, kaynak
Şüpheniz, yukarıda verilen mükemmel cevapla açıklığa kavuşturuluyor mu, yoksa akıllı telefon boyutunda ve ağırlıklı bir cihazda mı demek istiyorsunuz?
katma yazar DarioP, kaynak

6 cevap

Evet, elektrik enerjisini depolamak zordur.

Bence aşağıdaki nedenlerden dolayı:

Spesifik durumlarda patlayıcı reaksiyonlarla hızlı bir şekilde dağılır, çünkü hava şartlarından veya kazalardan kolayca etkilenebilecek iletkenliğe bağlıdır. Ne kadar fazla elektrik enerjisi depolanırsa, yalıtımın bozulma olasılığı o kadar artar. Sanki biri baraj yapmış ve su kolayca yerde bir delik bulabilir ya da barajı kırabilirmiş gibi.

Kırılgan taşıyıcılarız ve güçlü bir elektrik akımını karşıladıktan sonra ölüme maruz kalırız; bu, küçük enerji ölçekleri ve gerilimleri gibi çok sayıda geri dönüş çözümü olması gerektiği anlamına gelir.

Piller zaman geçtikçe daha iyi hale gelir, ancak toplu enerji depolaması için değil.

Dökme elektrik enerjisi depoları için suyu daha yüksek seviyelere pompalamak ve hidroelektrik gücü olarak kullanmak düşünülebilir. Güneş ve rüzgar enerjisi baskın hale geldiğinde bu problemin çözülmesi gerekecektir.

4
katma
@justin Yüksek göllerde vb. biriken su yağmurdan gelir ve yağmur güneşten kaynaklanır (buharlaşma). Biri düşük rezervuardan yüksek olana ve yerçekimi deposuna pompalamak için güneş paneli elektriğini kullanarak dağ suyunu artırabilir
katma yazar Fernando Briano, kaynak
@justin Slayda düşme kelimesi, arizona'nın su düşmesi anlamına gelir. sonbaharda yapraklar dökülmez
katma yazar Fernando Briano, kaynak
güneş ışığı, gerektiğinde fazla enerjiyi depolamak için hidroelektrik jeneratörlerini besleyen göllerin üzerindeki su şebekelerine kadar su pompalar. Elektrik sadece benim cevabımda bahsettiğim gibi pillerde saklanabilir. Enerji başka bir enerjiye dönüştürülebilir ve gerektiğinde geri kazanılabilir.
katma yazar Fernando Briano, kaynak
@justin Görünüşe göre arizona hidroelektrik jeneratörüne güç veriyor. hangi enerjinin yararlı olduğunu phoenix.gov/artssite/Documents/059524.pdf klima talebinin yüksek olduğu yaz. Elektrik kaydedilmez. Düşen su, doğal yollarla, yağmur ve nehirlerle, yüksek düzeyde taşınır ve su düşerken hidroelektrik olarak elektrik üretir. Bulutlar için yağmurun düşmesi için güneş enerjisi girdi, bu nedenle güneş ışığı enerjisi, havuzda elektrik değil, depoda saklandı. Biri doğrudan elektrik almak için güneş panellerini kullanarak yaz aylarında olabilir
katma yazar Fernando Briano, kaynak
Bunu kastettiğinizden emin değilim, ancak fazla enerjinin fazlalık zamanlarının depolanmasının, hidroelektrik jeneratörlerinin hem hidro hem de diğer kuşakların aynı şebekede olduğu çoğu yerde geriye doğru çalıştırılmasıyla rutin olarak yapıldığını söylemeye değebilir. Bu, en az seksen yıldır böyle olmuştur ve çok büyük ve etkili bir depolama kapasitesi olabilir.
katma yazar WetSavannaAnimal aka Rod Vance, kaynak
@anna v: Rahatsız ettiğim için üzgünüm ama elektrik 'i saklamanın gerçekten zor olup olmadığını söyleyebilir misiniz? Bu anlatım (Slayt 52) ​​yaz aylarında düşüşlerde üretilen elektriğin depolanması hakkında bilgi verir. Bunu nasıl yaptığımızı söyleyebilir misiniz?
katma yazar Phill Healey, kaynak
katma yazar Phill Healey, kaynak
@ anna v: Evet anladın. Benim hatamdı ya da okuduğum cümleyi yanlış anlama demek. Son güneş enerjisinden neden bahsettin < cümle ders hidroelektrik hakkında bilgi verirken.
katma yazar Phill Healey, kaynak
@ anna v: Ah, bu gerçekten doğru. Arizona'nın tepeli bir yer olduğunu unutmuşum.
katma yazar Phill Healey, kaynak

Bir yorumda Akash'in belirttiği gibi: bir pil şarj edildiğinde elektrik enerjisi (potansiyel fark) potansiyel kimyasal enerjiye dönüştürülür.

İdeal bir bataryada, sadece geri dönüşümlü kimyasal reaksiyonlar meydana gelir, böylece birçok boşalma/şarj döngüsü sağlayabilir. Ancak, hiçbir şekilde istenmeyen reaksiyonlar oluşmayacak şekilde bir pil tasarlamak mümkün değildir. Zaman içinde istenmeyen reaksiyonların ürünleri karışımı kirletir. Akü tasarımı, takaslar ile ilgilidir. Otomobillerde kullanılan kurşun-asit bataryalar, birçok çevrime iyi gelir (belirsiz kimyasal reaksiyonlara çok az kapasite kaybolduğunu gösterir), ancak kurşun-asit kimyası taşınabilir cihazlar için uygun değildir.


Ancak, onu dönüştürmeyen elektrik enerjisi depolama biçimleri de vardır. Bir kapasitör doğrudan elektrik enerjisini depolar.

Bir kapasitörde, iç kısmının bazı bölgelerinde bir miktar elektron bulunur ve diğer bölgeler (özel özelliklere sahip bir yalıtımla ayrılır) orantılı olarak elektron tükenir.

Elektrik kuvveti şaşırtıcı derecede güçlüdür ve uzun menzilli bir kuvvettir. Bu uzun menzilli büyük problem. Elektrik kuvvetinin yoğunlaşmasından kaçınmak için elektron bakımından zengin ve elektron tüketen bölgeler çok geniş bir yüzey alanına sahip olmalı ve bu yüzeyin tümü birbirine çok yakın olmalıdır. (Bir kondansatörü imal etmenin yaygın bir yolu, folyo şeritlerini istiflemek ve ardından o şeridi bir silindire sarmaktır.)

Bir kondansatör dahili olarak arıza yaptığında, kaçak etkisi olur. Bir kondansatör, başarısızlığa karşı çok güçlü korumalara sahip olmalıdır, çünkü eğer felaket bir başarısızlıksa.


Benzin gibi yakıtın yüksek yoğunluklu depolanan enerjinin bir aracı olarak çok etkili olmasının nedeni, bir molekülün atomları arasındaki kimyasal kuvvetin çok kısa menzilli olmasıdır>.

Yakıt yandıktan sonra çok fazla ısı mevcut olur. Bu ısı, havadan gelen oksijen atomları ile yakıttaki karbon ve hidrojen atomları arasındaki çekimden kaynaklanmaktadır. Ancak bir hava ve yakıt buharı karışımı bile hala çok kararlıdır; Oksijen oksijen moleküllerine bağlanır, karbon ve hidrojen yakıt moleküllerine bağlanır. Yanmaya başlamak için oldukça güçlü bir tetikleyici gerekir. Yakıt çok istikrarlıdır (karşılaştırmalı olarak) çünkü atomlar arasındaki kimyasal çekim gücü çok kısa menzillidir.

4
katma

Birincisi, elektrik, elektrik yüklerinin akışıdır. Yani, tanım gereği, depolanmış bir enerji biçimi değil akıdır. Sakladığınız şey her zaman iç enerjidir : çekirdekteki enerji, elektronik enerji, moleküller içindeki bağ enerjisi (çok elektronlu bir elektronik enerji biçimi) ve moleküller arası enerji (yine esas olarak elektronik enerji), veya yerçekimi potansiyeli enerjisi, elektrik potansiyeli enerjisi veya kinetik enerji gibi toplu dış enerji

Bu bizi bir sonraki konuya taşıyor: elektrik yüklerini bir şeyin iç/dış enerjisine ve daha özel olarak ne tür iç/dış enerjiye dönüştürüyoruz

Dış enerji

1) Kondansatörler: Gerçek ayrılmış elektrik yükleri olarak depolayın.

2) Pompalanan su deposu, bir tepenin üstündeki top: çekim potansiyeli olan enerji olarak depolama

3) Bir dönen volan: makroskobik kinetik enerji

Dahili enerji

1) Faz değişim deposu: Suyu buhara veya buza dönüştürün, yani enerjiyi moleküller arası enerji olarak depolayın), bir depolama ortamında hidrojeni adsorbe edin, vs.

2) Bir kimyasal/elektrokimyasal pil: Bir moleküldeki (molekül içi) atomlar arasındaki enerjiyi bağlar, örneğin suyu bir hidrokarbon yakıtına dönüştürerek depolamak. Elektrokimyasal, iyonları indirgeyici moleküllere indirgeyen.

3 Belki bir nükleer yakıt yaratın.

Peki zorluk nerede?

1) Hangi formu seçtiğinize bağlı olarak, her zaman iki geçişli yapıyorsunuz (Elektrik - başka bir biçime - elektriğe dönüş): Kayıp olan elektriği su ve CO2'yi metan haline getirip yakıp yakmak suretiyle elektriği kimyasal yakıta dönüştürmek istediğinizi söyleyin Metan istediğiniz zaman elektrik geri almak için. Metan giderken enerjiden tasarruf edersiniz ancak iş potansiyelini düşürürsünüz (enerjinin veya enerjinin faydalı kısmı). Bu, entropi oluşturduğunuz için olur. Bunu detaylı olarak açıklayabilirim, ancak bu, bu sorunun ana odağı değil. Temel olarak, elektrikten metan ve tekrar elektriğe geri dönerken tekrar daha küçük bir fraksiyon elde edeceğiniz şekilde, enerjinin faydalı bir fraksiyonunun termodinamik bir kaybı vardır.

2) Depolama sızdırabilir veya aşağılayıcı olabilir: Bataryada dahili enerji olarak sakladığınızı söyleyin. Bu elektrokimyasal sisteme elektron ekliyor ve bileşimini değiştiriyorsunuz. Her ileri geri gittiğinizde, birkaç aktif molekül daha kararlı halde kalır, öyle ki birkaç devirden sonra fazla depolamak için yeterli kalmaz. Esasen sebep, entropi oluşumundan öncekiyle aynı.

3) Depolama kapasitesinde bir sınırlama olabilir: Topları yokuş yukarı iterek ya da bir tankta su depolayarak enerjiyi depoladığınızı, sadece tepenizde boşluk kalmadığı için alabileceğiniz çok fazla top bulunduğunu varsayalım. Benzer şekilde, bir kapasitöre çok fazla yük yüklenirse, kapasitörün dielektrik arızası olabilir. Bir volanı çok hızlı döndürürseniz (daha fazla enerji depolamak için) dönme gerilmeleri nedeniyle onu parçalayabilirsiniz.

Bu üç problemin her biri, enerji depolama yöntemlerinin her birinde mevcuttur.

2
katma
Bu "tepenin tepesindeki top" olayında ne var? Pompalanan hidro depolama, tanım gereği su 'dır - bu, hidro ' nun anlamı budur.
katma yazar Adam Tegen, kaynak
Kütle çekim potansiyel enerjisini herhangi bir şekilde depolayabilirsiniz ... Su pompalayabilirsiniz, topları tepeye doğru itebilirsiniz. Suyun hidro olduğunu biliyorum! Lütfen böyle bir yorum yapmadan önce duraklatın.
katma yazar Dan Rosenstark, kaynak

Özel bir kullanımı olmayan genel bir cevap, elektrik enerjisinin ve içinde sakladığımız formların tipik olarak çok düşük entropi sistemleri olduğudur. Entropi ne kadar düşük olursa, dağılmak için o kadar çok "ister" ve o kadar zorlaşır (nihayetinde) ısıya dönüşme eğilimini durdurmak. Aynı şekilde, ortamın 10 ° C üzerinde, 100 ° C'den daha fazla su depolaması çok daha kolaydır.

2
katma

Aynı anda çok miktarda elektrik depolayabilen bir pil oluşturmamız gerekiyor. Ör. Bir cıvata aydınlatması çarptığında, çok büyük miktarda güç verir. Ancak bir bataryanın bu enerjiyi almak ve depolamak için bir kimyasalla değiştirmek için zamana ihtiyacı vardır.

Diyelim ki bir yıldırım cıvatası 500 galon su ve şu anda kullandığımız batarya 5 galon kova. 500 galonluk su alırsak ve 5 galonluk bir kovaya hızlıca dökersek, anında yere akar. Bu nedenle, bu durumda bir araya geldiğinde tüm bu etkiyi bir arada tutabilen bataryaya yetecek kadar büyük bir kovaya veya bir cıvataya ihtiyacımız var.

1
katma
Ya da büyük bir kapasitöre ihtiyacımız var.
katma yazar Brandon Enright, kaynak

Tüm enerji sadece eletrik değil, depolanması zordur. Aslında, büyük resmi düşündüğünüzde elektrik enerjisini depolamak oldukça kolaydır.

Bir benzin tankına bakarsanız, "vay, enerji için ne kadar iyi bir depolama!" Görebilirsiniz. Ancak, bir kere benzin aldığınızda harika olsa da, ilk etapta nasıl yaratıldığını düşünün:

  • Güneş içindeki füzyon reaksiyonları, birkaç protonun potansiyel enerjisinin bir kısmını serbest bıraktı
  • Serbest kalan enerji Güneş'e yayılır (bu çok uzun zaman alır) yüzeye ulaşana kadar ...
  • ... Dünya'ya seyahatlerinde başlayan fotonlardan oluştuğu yer
  • Sadece atmosfer ve su vb. tarafından kısmen absorbe edilip dağılması.
  • Bitkiler tarafından absorbe edilen çok küçük bir parça ile

Şimdi ikinci bölüm başlıyor:

  • Bitkiler, olay enerjisinin küçük bir bölümünü emer ve onu şekerler ve yağlar şeklinde depolar. Bu işlemin verimliliği ölçmek için oldukça karmaşık bir işlemdir, ancak kullanılan tipik sayı% 3-6 arasında bir yerdedir - bu, insan makinelerinin yaptığı her şeye kıyasla çok korkunç .
  • Şanslıysanız, bu bitkiler öldüğünde, bir tür bataklığa düşerler, burada oksijen olmadan yavaşça parçalanabilirler.
  • Sonra da daha derine itilirler, sadece yağ oluşturmak için gerekenlere baskı ve ısı artar.

Ve son, insan kısmı:

  • Petrol mayınlı (kuyu giderek azaldıkça daha fazla enerji girişi gerektiren - çoğu kuyu sadece tahliye edilmeden çok önce terk ediliyor çünkü bu çok pahalı hale geliyor).
  • ... ve orijinal yağın küçük bir kısmı harika yakıt olan benzine rafine edildi. Ayrıca diğerlerinin çoğunda da kullanım alanı buluyoruz, ancak sadece benzin ve dizele baktığımızda, onlar için doğru bileşim olmayan rafine yağın çoğunu atıyorsunuz.

Tüm sürecin verimliliği korkunç . Benzin bugün çok iyi bir enerji kaynağıdır, ancak bunun nedeni sadece zaten burada olmasıdır. Başlangıçta oluşturduğu şekilde yeniden yaratmak, büyük bir enerji ve zaman kaybı olacaktır. İlk başta gerekli enerjinin sadece% 1-2'si gibi bir şey alıyoruz. Ve bir kere benzininiz varsa, aslında parçalanır - eğer arındırmazsanız, bir veya iki yılda bir arabaya güç vermek için artık yeterli olmayacaktır. Elektrik nasıl karşılaştırılır?

Tipik bir lityum-iyon pil, makul koşullarda ayda yaklaşık% 8'lik bir deşarj ile birlikte% 80-90 civarında bir verime sahiptir. Bir hidroelektrik kondansatör (temel olarak, elektrik kullanarak suyu pompalayabilen veya geri inerken elektrik üreten bir pompanın birleştirdiği iki göl)% 70-80 civarındadır. Burası, elektriğin çoğunun dünya genelinde depolandığı yerdir - gündüz taleplerindeki farklılıklarla başa çıkmak için% 99 (!) Yedek elektriğin bildirildiği bildiriliyor.

Benzin daha ucuzdur, ancak yalnızca geçmişte milyonlarca yıldan beri yapıldığından. Milyonlarca yıllık çalışmayı geri alıyoruz.

Güvenlik bir başka zor şey. Enerji tehlikelidir - ve verimli bir enerji depolama da bu enerjiyi kazara boşaltmada çok iyidir. Barajlar kırıldı. Benzin yanar. Piller patlar (ve yavaş yavaş kendiliğinden boşalır). Nükleer enerji, karşılaştırmalı olarak neredeyse önemsiz gibi gözüküyor, etkilerinin başarısızlık üzerindeki etkisi ne kadar konsantre olmasaydı (tipik teknolojiler kullanılarak, 1500 kilogram kadar enerji üretmek için bir kilogram yakıt-uranyum kullanılıyordu). > ton ton kömür. Tabii ki, uranyum ilk önce bir yerde bir süpernovada yaratıldı, patlamada salınan enerjinin sadece küçük bir kısmını kullanarak - süpernova'yı "üretmek" için süpernova kullanmak istiyorsanız, verim kömürden bile daha kötü olurdu :)

Mesele şu ki, ne benzin ne de dizel kolayca tutuşabiliyor, bu yüzden büyük miktarlarda depolamak nispeten güvenli (ve basit). Ancak bu onları nispeten güvenli kılarken, aynı zamanda depolanan enerjiyi serbest bırakmanın daha zor olduğu anlamına gelir - bir elektrikli motoru dizel motorla karşılaştırın. Elektrikli motorları gerektiği kadar küçük yapabilirsiniz ( yalnızca birkaç ayrı atoma kadar , sonuçta ortaya çıkar!) - aslında, kendi ATP sentazını ("insanın gücünü" düşünebilirsiniz). hücre ") küçük bir elektrikli motor olmak. Cep telefonunuzdaki batarya muhtemelen aynı hacme sahip benzinin enerji kapasitesinin onda biri kadar - cep telefonunuzu güçlendirmek için çok daha pratik.

Sonuç olarak, herhangi bir enerji deposunun birçok rakip özelliği vardır:

  • Şarj/deşarj verimliliği - elektrikli depolama bu konuda çok iyidir (genellikle "gerçek" depolama mekanizması olarak kimyasal potansiyel kullanılır)
  • Uzun süreli depolama - şarj edilemeyen piller için harika, şarj edilebilirler için çok iyi değil - ancak yine de genel benzinle karşılaştırılabilir.
  • Çevre koşulları - benzin, verimli olması için büyük makine ve yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duyar, piller oda sıcaklığında harika çalışır (ve çok soğuk veya çok sıcak olduğunda genellikle verimi kaybeder) ve kendi kendine yetendir.
  • Güvenlik - benzin kolayca yanmaz ve depolamak için nispeten güvenli yollarımız vardır. Bazı piller güvenlidir, ancak en yüksek kapasiteli/verimli piller ölüm tuzaklarıdır. Umarım LiPols'unuzu saygın üreticilerden satın alırsınız - mekanik hasar, aşırı şarj, fazla dis şarj, sıcaklık, uygun olmayan voltaj/akım boşalması ... özellikle elektronik aksaklıklarında felaketle sonuçlanabilecek birçok yol vardır. güvenlik önlemleri eksik ya da değil :)
  • Maliyet - benzin bir bataryadaki aynı enerjiden çok daha ucuzdur (karşılaştırma hiç de basit olmasa da - ölçekleme sorunlarını göz önünde bulundurarak bir AA bataryasının karşılaştırılması pek de adil değil; tek bir AA pil olarak). Şarj edilebilir piller daha pahalıdır, ancak yüksek verimleri ve nispeten uzun ömürleri nedeniyle birçok şarj/deşarj döngüsünde hızlıca benzin tüketirler. Ve elbette, fosil birikintilerinden ziyade “evde” sıfırdan (su + karbon dioksit) yapmayı düşünüyorsanız, benzin çok daha pahalı hale gelir.

Elbette, elektrik enerjisinin en doğrudan depolanması bir kapasitördür. Hem şarj/deşarj verimliliği hem de en yüksek güçte inanılmazdırlar, ancak yalnızca küçük miktarlarda enerji yoğunluğu ile uğraşırlar - bunun nedeni temel olarak dengesiz şarjlarla çalışmaktır, bu nedenle deneyen elektronların nasıl tutulacağı konusunda oldukça sıkı sınırlamalar vardır. kendilerini birbirlerinden ayırmak çok zor (elektromanyetik kuvvet oldukça kuvvetlidir). Elektriği doğrudan süper iletken döngülerde depolamakla ilgili bazı deneyler de oldu, ancak bazı belirgin dezavantajları var :) Daha önce de belirttiğim gibi, toplu şebeke enerji depolaması için, pompalanan su, bugüne kadar en pratik olanıydı. Tüketici cihazları için, şu an için kimyasal enerji kazanır.

0
katma