Європейський альянс енергетичних досліджень випустив білий документ про дослідження та розробку технологій промислового накопичення тепла

Нещодавно Європейський альянс енергетичних досліджень (EERA) Спільна дослідницька програма енергоефективності промислових процесів (JP EEIP) випустив білий документ «Промислове акумулювання тепла: підтримка Трансформація до декарбонізованої промисловості», яка висуває поточний стан, виклики та пропозиції щодо досліджень і розробок технології промислового зберігання тепла. Основні моменти такі:

1. Потенційне застосування накопичувачів тепла в промисловості

1. Нагрівання або охолодження промислових процесів

Залежно від кліматичних умов промислові сонячні опалювальні системи можуть поєднуватися з системами накопичення тепла. Перспективні застосування включають: ① Для високотемпературного технологічного тепла (400°C) можна використовувати електричне опалення в поєднанні з накопиченням тепла пористого твердого тіла; ② Для потреб середньої температури гарячої води та технологічної пари (до 200°C) існує кілька варіантів, включаючи поєднання промислових теплових насосів і накопичувачів тепла, а також поєднання сонячних систем опалення та накопичувачів тепла; ③Для промислового холодильного зберігання (нижче 6°C), холодильних систем (таких як повітроохолоджувачі або кондиціонери), систем накопичення тепла з відчутним нагріванням або фазоперемінним матеріалом можна забезпечити низькотемпературну енергію для задоволення піків попиту на холод на початку нового холодильний цикл і використовувати недорогу відновлювану електроенергію.

2. Утилізація скидного тепла промисловості

Перспективні застосування включають: ① Короткострокове накопичення тепла, де залишкове тепло від пакетної обробки використовується для попереднього нагріву наступної партії, щоб зменшити споживання енергії та підвищити енергоефективність, а використовувана технологія зберігання тепла залежить від наявного залишкового тепла (Наприклад, екзотермічні процеси в хімічній промисловості, які вимагають достатньої початкової температури, такі як полімеризація або алкоксилювання), короткочасне накопичення тепла також може покращити потенціал централізованого опалення за допомогою коливань промислового надлишкового тепла; ② довгострокове зберігання тепла, промислове виробництво Тепло, що залишилося в процесі, зберігається для забезпечення обігріву приміщень промислової бази взимку або виведення в мережу централізованого теплопостачання, для чого температура зберігання тепла повинна бути 70-120°C , або для покращення збереженого низькотемпературного тепла,

3. Промисловий резервний теплоакумулятор

Промисловий резервний теплоакумулятор може використовуватися як безперебійне постачання теплової енергії в разі виникнення аварійних ситуацій, що вимагає швидкого реагування та високої надійності. В даний час промисловість здебільшого покладається на газові котли як резервне джерело тепла, а система зберігання тепла може забезпечити резервну пару, уникаючи використання парових котлів. Продукти, які зараз доступні на ринку, — це пароакумулятори, тоді як рішення для накопичення тепла з фазово-перехідного матеріалу та термохімічні рішення для зберігання тепла — у центрі майбутнього розвитку. Для високотемпературного зберігання тепла можна використовувати пористий твердий накопичувач тепла, а в майбутньому можна розробити високотемпературні матеріали з фазовою зміною та термохімічне зберігання тепла.

4. Промислове теплоенергопостачання

На додаток до батарей, накопичувач тепла може забезпечити недороге рішення для задоволення майбутнього попиту на високу потужність, високу ємність і довготривале зберігання енергії. Промислове теплопостачання потребує зосередження на розробці кількох технологій: ①Високотемпературна батарея Карно, що використовує електроенергію. Опалення зберігає тепло в пористих твердих речовинах до 800°C; ②Середньотемпературна батарея Карно, яка використовує тепловий насос для перетворення електроенергії в тепло, до 200°C, щоб покращити продуктивність, відпрацьоване промислове тепло можна використовувати як джерело тепла для теплового насоса; ③Адіабатична система стисненого повітря, вимагає зберігання тепла при високій температурі (часто з використанням пористих твердих керамічних матеріалів).

2. Сучасний стан і проблеми технології промислового зберігання тепла

1. Розумне зберігання тепла

Розумне накопичення тепла зберігає або виділяє тепло, підвищуючи або знижуючи температуру матеріалів. Типовими матеріалами для зберігання тепла є вода, термальне масло, камінь, піщаник, глина, цегла, сталь, бетон і розплавлена ​​сіль.

(1) Рівень технічної зрілості (TRL) накопичувача розумного тепла на основі рідини досяг рівня 9, і він в основному використовується в ситуаціях, коли вартість низька, простір не обмежений, а період зберігання тепла становить кілька годин до кілька днів. Основними технічними проблемами, з якими стикається цей тип технології, є: ① збільшення об’ємної щільності енергії, тим самим зменшуючи потреби в просторі; ② знизити температуру, тиск і сповільнити корозію розплавленої солі; ③ зменшити втрати тепла через відсутність компактності.

(2) Розумний накопичувач тепла на твердій основі досягає рівня 7, який в основному використовується в ситуаціях, коли вартість низька, простір не обмежений, а період зберігання тепла становить від кількох годин до кількох днів. Основними технічними проблемами, з якими стикається цей тип технології, є: ① зменшення ваги та збільшення об’ємної щільності енергії, тим самим зменшуючи вимоги до простору та вагу системи; ② покращити процес теплообміну.

(3) Розумне накопичення тепла TRL на основі підземних резервуарів, таких як водоносні горизонти, досягає рівня 7, який в основному використовується для великомасштабного сезонного зберігання тепла нижче 90°C, і тепло також може використовуватися під час зарядки. Основні технічні проблеми, з якими стикається цей тип технології: ①зменшити вимоги до площі; ②зменшити залежність від конкретних геологічних умов; ③зменшити високотемпературні втрати тепла; ④зменшити час запуску; ⑤збільшити діапазон температур.

(4) Шахтне накопичення тепла TRL досягає рівня 7, який в основному використовується для великомасштабного зберігання тепла в температурному діапазоні 60-80 °C протягом кількох тижнів до кількох місяців, і тепло також може використовуватися під час зарядка. Основні технічні проблеми, з якими стикається цей тип технології: ①зменшити вимоги до площі поверхні; ②підвищення ефективності накопичення тепла та покращення впливу рівня температури зберігання тепла та характеристик стратифікації.

2. Акумулювання прихованого тепла

Зберігання прихованого тепла використовує зміну фази накопичувальних матеріалів. Типові матеріали фазової зміни включають лід, парафін, жирні кислоти, цукрові спирти, гідрати солей, неорганічні солі та метали. TRL цієї технології становить 4-7, і вона в основному використовується в невеликих теплоакумулюючих пристроях, а період зберігання тепла становить від кількох годин до кількох днів. Основними технічними проблемами, з якими стикається цей тип технології, є: ① збільшення швидкості теплопередачі; ② покращити процес стандартизації та комерціалізації матеріалів зі зміною фази; ③ покращити універсальність рішень; ④ покращити довговічність матеріалів зі зміною фази; ⑤ покращити чистоту матеріалів для зберігання тепла.

3. Адсорбційне накопичення тепла

Адсорбційне накопичення тепла базується на оборотних реакціях газ-тверда речовина між адсорбатами (газами) і твердими або рідкими адсорбентами, зазвичай при температурах нижче 200 °C. Теплота адсорбції, яка бере участь у цьому оборотному процесі адсорбції/десорбції, як правило, більша, ніж відчутне та приховане накопичення тепла, перевага якого полягає в здатності зберігати тепло протягом тривалого часу з мінімальними тепловтратами. Типові тверді сорбенти включають пористі структуровані матеріали, такі як цеоліти, силікагель і активований оксид алюмінію, які можуть адсорбувати/десорбувати гази, такі як вода або пари аміаку; Типовими рідкими сорбентами є концентровані розчини солей, такі як хлорид літію, бромід літію та водний розчин гідроксиду натрію. TRL адсорбційного накопичення тепла становить 6-8, що в основному використовується у випадку обмеженого простору, а період збереження тепла від кількох годин до кількох місяців. Основними технічними проблемами, з якими стикається цей тип технології, є: ① збільшення комерційних матеріалів, які можна використовувати при температурі вище 200 °C; ② використовувати вироблену холодну енергію для підвищення ефективності; ③ зменшити різницю температур між заряджанням і розряджанням.

4. Термохімічне накопичення тепла

Термохімічне накопичення тепла також базується на оборотних реакціях газ-тверда речовина, подібно до адсорбційного накопичення тепла, і, таким чином, також має перевагу невеликих втрат тепла, але має вищу щільність зберігання тепла та нижчу вартість. Його основна відмінність від адсорбційного накопичення тепла полягає в тому, що газ безпосередньо поглинається твердою решіткою, тим самим змінюючи кристалічну структуру. Коли температура нижче 200 °C, використовуйте тверді неорганічні солі та гази для термохімічного накопичення тепла, такі як хлорид кальцію та водяна пара або хлорид стронцію та пари аміаку; у температурному діапазоні 250-600°C використовуйте гідроксид для формування (наприклад, оксид кальцію/гідроксид кальцію) та реакцію карбонізації (наприклад, оксид кальцію/карбонат кальцію) для накопичення тепла; в діапазоні температур 800-1800°C реакції окислення можуть бути використані для зберігання тепла, наприклад пероксид барію/оксид барію або залізо/оксид заліза. TRL термохімічного зберігання тепла становить 4-6, що в основному використовується у випадку обмеженого простору, а період зберігання тепла становить від кількох годин до кількох місяців. Основними технічними проблемами, з якими стикається цей тип технології, є: ① підвищення довговічності та стабільності матеріалів; ② усунення проблеми агломерації/агломерації; ③ зменшення різниці температур між заряджанням і розряджанням.

3. Нові технологічні рішення для накопичення тепла

1. Розумне зберігання тепла в твердому тілі

Суцільні розумні системи зберігання тепла забезпечують надійний і безпечний спосіб зберігання високотемпературного тепла, а нещодавно нові технології включають бетонне накопичення тепла та накопичення тепла з упакованим шаром. Норвезька компанія EnergyNest розробила та продемонструвала модульну систему накопичення тепла на основі високопровідного бетону під назвою Heatcrete®, яку нещодавно застосували до мережі паропроводів хімічного заводу в Норвегії та використовуватимуть на цегельному заводі та компанії Senftenbacher у м. Австрія в майбутній електростанції комбінованого циклу Sloecentrale в Нідерландах. У експериментальному акумуляторному заводі Kano компанії Siemens Gamesa використовується теплоакумулююча система з базальтовим шаром із температурою 740 °C і потужністю акумуляції тепла 130 МВт·год; Сталепереробний завод компанії ArcelorMittal в Іспанії також використовує систему рекуперації відпрацьованого тепла.

2. Фазозмінні матеріали для зберігання тепла

Нова розробка фазоперехідних матеріалів для зберігання тепла - це високотемпературні фазоперехідні теплоакумулюючі матеріали, температура плавлення яких перевищує 100°C, такі як нітратна евтектика, дикарбонова кислота, цукровий спирт і навіть металеві матеріали. В останні роки було проведено багато досліджень щодо покращення теплоакумулюючої здатності матеріалів із зміною фази, наприклад підвищення теплопровідності шляхом додавання провідних наповнювачів, що підвищує швидкість заряду/розряду. Зменшивши площу поверхні теплопередачі (наприклад, металеві ребра), можна створити більш компактні та недорогі системи зберігання тепла. Крім того, розробляються нові стійкі до високих температур пакувальні матеріали, щоб покращити перспективи застосування високотемпературних матеріалів для зберігання тепла зі зміною фаз.

3. Термохімічне та адсорбційне теплоакумулювання

Термохімічні та адсорбційні технології зберігання тепла створюють композитні матеріали з високою щільністю енергії та стабільністю. Відділ досліджень і розробок вивчає композитний матеріал і технологію його приготування з додаванням солі в пористу матрицю, щоб збільшити щільність накопичення енергії, підвищити стабільність адсорбції/реакції та одночасно продовжити термін служби. Крім того, були розроблені технології покриття для запобігання злежуванню або розпилюванню термохімічних матеріалів. Шведська енергетична компанія SaltX Technology підтвердила здійсненність цієї схеми. Компанія розробила сіль з нанопокриттям для термохімічної системи зберігання тепла під назвою EnerStore, яка досягла багаторазового заряджання/розряджання за допомогою недорогих матеріалів. Тираж, система, заснована на термохімічній реакції між оксидом кальцію та водою/парою, була випробувана для Power-To-Heat на когенераційній станції Vattenfall у Берліні та працює з березня 2019 року. Його теплоакумулююча потужність становить 10 МВт-год, загальна ефективність електричного опалення становить 72%-85%, а теоретичний максимум становить 92%, що дозволяє контролювати швидкість і рівень тепловиділення з високою точністю.

4. Розширене моделювання

Розробка імітаційних моделей може ефективно підтримувати застосування систем зберігання тепла в інтегрованих промислових енергетичних системах, а також може швидко проектувати системи зберігання тепла та проводити аналіз чутливості для інноваційних конфігурацій. Наприклад, нещодавно була розроблена оцінка продуктивності проектів систем на основі моделювання в області накопичення прихованого тепла. Особливо для промислових термохімічних систем накопичення тепла кінетику термохімічних реакцій у реакторі та конструкції процесу можна передбачити за допомогою передових непараметричних моделей. Ефективність загальної системи можна підвищити шляхом заміни оригінального адсорбційного блоку на частину гібридного адсорбційно-компресійного охолоджувача. Схема збільшує використання відновлюваної енергії шляхом поєднання теплової та електричної енергії,

4. Інтеграція промислової системи зберігання тепла

1. Електричне опалення та виробництво електроенергії (Power-to-Heat-to-Power)

Електрифікація промислового виробництва стала центром досліджень і застосування, але заміна промислового палива електричною енергією спричинить проблеми, пов’язані з коливаннями електропостачання та потужності мережі, які потрібно вирішити за допомогою систем зберігання енергії. Поки що існує брак економічно ефективних систем зберігання енергії, які не обмежені географічним положенням. Power-to-X-to-Power (PXP) вважається перспективним рішенням, яке перетворює електричну енергію в інші форми носія енергії та зберігає її, за потреби перетворюючи на електричну енергію. Виробництво електричної теплової енергії (Power-to-Heat-to-Power) є недорогим варіантом для PXP, також відомого як акумуляторне рішення Карно. Siemens Gamesa провела успішну демонстрацію. Акумуляторне сховище Carnot у Гамбурзі. Теплову електростанцію було введено в експлуатацію влітку 2019 року з використанням базальтового шару для накопичення тепла та зарядки повітря через електричні нагрівачі та повітродувки. Система використовує паровий цикл Ренкіна для перетворення накопиченого тепла в електричну енергію з електротермо-електричним ККД 45% і максимальною потужністю 1,5 мегават.

2. Реконструкція існуючих електростанцій

Інтегровані системи накопичення тепла також можуть допомогти модернізувати існуючі електростанції, що працюють на викопному паливі, особливо вугільні, яким загрожує часткове закриття відповідно до цільових показників скорочення CO2. Наприклад, німецький проект I-Tess перетворює надлишкову потужність існуючих вугільних електростанцій у тепло, і використовує паровий цикл електростанції для перетворення теплової енергії, коли електроенергії не вистачає. Німецький проект Store To Power розробляє пілотну установку для виробництва теплової енергії, яка поєднує існуючу вугільну електростанцію з високотемпературним накопичувачем тепла, включаючи електричне опалення та парогенератор, який може транспортувати близько 10% пари в парі цикл вугільної електростанції. Siemens Gamesa є однією з провідних компаній, що займаються трансформацією вугільних електростанцій. Завдяки інтеграції системи накопичення тепла, він може забезпечувати електрику, тепло або пару за рахунок змінної енергії відновлюваної енергії. Вже збудовано систему базальтового тепла потужністю 30 МВт. демонстрація.

5. Пропозиції щодо технічних дій

Щоб сприяти широкомасштабному впровадженню промислового накопичення тепла, необхідні негайні технічні дії, особливо на етапі перед комерціалізацією (Фаза P) і фазі комерціалізації (Фаза C), рекомендуючи: (1)

Провести науково-дослідні та дослідно-конструкторські проекти промислового накопичення тепла (фаза P), зосереджені на технічних проблемах, згаданих вище.

(2) Провести техніко-економічне дослідження накопичення тепла та його промислового застосування (стадія P), включаючи: ① Застосування технології накопичення тепла у виробництві тепла/холоду відновлюваної енергії, наприклад батареї Карно; ② У відновлюваних джерелах енергії Технологія накопичення тепла використовується в електричному опаленні/охолодженні, щоб узгодити коливання електропостачання з промисловим попитом на тепло; ③ Використовуйте геотермальну енергію та сонячну енергію для задоволення попиту на тепло; ④ Відновлення, зберігання та утилізація відпрацьованого промислового тепла; ⑤ Зберігання тепла в промисловому охолодженні та холодильному ланцюзі; ⑥ використовуйте накопичення тепла як надійну резервну систему, коли інші технології опалення виходять з ладу.

(3) Визначте та поділіться додатками, де накопичення тепла має економічні, екологічні та експлуатаційні переваги перед іншими формами накопичення енергії (батареї або водень) (Фаза P).

(4) Розробка та експлуатація демонстраційних проектів зберігання тепла та надання результатів і даних у відкритому доступі (Етап P).

(5) Активно ділитися передовим досвідом і поширювати знання та дані серед промисловості, політиків та інших зацікавлених сторін за допомогою публікацій, виступів та інших форм залучення ЗМІ (Етап P).

(6) Розробити доступну базу даних матеріалів для зберігання тепла з уніфікованими ключовими показниками ефективності (Етап C).

(7) Співпраця з регуляторними органами, професійними організаціями та промисловістю для розробки стандартизованих систем накопичення тепла (Етап C).