stringtranslate.com

Хранение тепловой энергии

Накопительная башня централизованного теплоснабжения из Тайсса недалеко от Кремса-ан-дер-Донау в Нижней Австрии с тепловой мощностью 2 ГВтч.
Башня хранения тепловой энергии открыта в 2017 году в Боцен-Больцано , Южный Тироль , Италия.
Строительство соляных резервуаров, которые обеспечивают эффективное хранение тепловой энергии [1] , чтобы можно было обеспечить выработку после захода солнца и планировать выработку в соответствии с потребностями спроса. [2] Электростанция Солана мощностью 280 МВт рассчитана на шесть часов хранения энергии. Это позволяет станции вырабатывать около 38 процентов проектной мощности в течение года. [3]

Хранение тепловой энергии ( ТЭС ) достигается с помощью самых разных технологий. В зависимости от конкретной технологии она позволяет хранить и использовать избыточную тепловую энергию через часы, дни, месяцы в различных масштабах: от отдельного процесса, здания, многопользовательского здания, района, города или региона. Примерами использования являются балансировка энергопотребления между дневным и ночным временем, сохранение летнего тепла для зимнего отопления или зимнего холода для летнего кондиционирования воздуха ( сезонное накопление тепловой энергии ). Средами хранения являются резервуары с водой или ледяной слякотью, массивы естественной земли или коренных пород, доступ к которым осуществляется с помощью теплообменников посредством скважин, глубокие водоносные горизонты , находящиеся между непроницаемыми пластами; неглубокие, облицованные ямы, заполненные гравием и водой и изолированные сверху, а также эвтектические растворы и материалы с фазовым переходом . [4] [5]

Другие источники тепловой энергии для хранения включают тепло или холод, производимые с помощью тепловых насосов из непиковой, более дешевой электроэнергии, практика, называемая сокращением пиковой нагрузки ; тепло теплоэлектростанций (ТЭЦ); тепло, производимое за счет возобновляемой электроэнергии, которое превышает потребность в сети, и отходящее тепло промышленных процессов. Хранение тепла, как сезонное, так и краткосрочное, считается важным средством дешевого балансирования высоких долей производства переменной возобновляемой электроэнергии и интеграции секторов электроэнергетики и отопления в энергосистемы, почти или полностью питаемые возобновляемыми источниками энергии. [6] [7] [8] [9]

Категории

Различные виды хранения тепловой энергии можно разделить на три отдельные категории: явное тепло, скрытое тепло и термохимическое хранение тепла. Каждый из них имеет различные преимущества и недостатки, которые определяют их применение.

Разумное сохранение тепла

Явное накопление тепла (SHS) является наиболее простым методом. Это просто означает, что температура некоторой среды либо увеличивается, либо уменьшается. Этот тип хранилища является наиболее коммерчески доступным из трех; другие методы менее развиты.

Материалы, как правило, недорогие и безопасные. Одним из самых дешевых и наиболее часто используемых вариантов является резервуар для воды, но такие материалы, как расплавленные соли или металлы, можно нагревать до более высоких температур и, следовательно, обеспечить более высокую емкость хранения. Энергия также может храниться под землей (UTES), либо в подземном резервуаре, либо в каком-либо теплоносителе (HTF), протекающем по системе труб, расположенных либо вертикально в U-образных формах (скважинах), либо горизонтально в траншеях. Еще одна система известна как хранилище с уплотненным (или галечным) слоем, в котором некоторая жидкость, обычно воздух, протекает через слой рыхло упакованного материала (обычно камня, гальки или керамического кирпича) для добавления или извлечения тепла.

Недостатком СВС является его зависимость от свойств носителя информации. Емкость хранения ограничена удельной теплоемкостью материала хранения, и система должна быть правильно спроектирована, чтобы обеспечить извлечение энергии при постоянной температуре. [10]

Технология расплавленной соли

Явное тепло расплавленной соли также используется для хранения солнечной энергии при высокой температуре, [11] это называется технологией расплавленной соли или хранилищем энергии расплавленной соли (MSES). Расплавленные соли можно использовать в качестве метода хранения тепловой энергии. В настоящее время это коммерчески используемая технология хранения тепла, собранного с помощью концентрированной солнечной энергии (например, от солнечной башни или солнечного желоба ). Позже это тепло можно преобразовать в перегретый пар для питания обычных паровых турбин и выработки электроэнергии позднее. Это было продемонстрировано в проекте Solar Two с 1995 по 1999 год. По оценкам 2006 года, годовая эффективность составляла 99%, что означает энергию, сохраняемую за счет хранения тепла перед превращением его в электричество, по сравнению с преобразованием тепла непосредственно в электричество. [12] [13] [14] Используются различные эвтектические смеси различных солей (например, нитрат натрия , нитрат калия и нитрат кальция ). Имеется опыт использования таких систем в несолнечных применениях в химической и металлургической промышленности в качестве теплоносителя.

Соль плавится при температуре 131 ° C (268 ° F). Он хранится в жидком состоянии при температуре 288 ° C (550 ° F) в изолированном «холодном» резервуаре для хранения. Жидкая соль прокачивается через панели солнечного коллектора, где сфокусированное солнце нагревает ее до 566 °C (1051 °F). Затем его отправляют в горячий резервуар для хранения. При правильной изоляции резервуара тепловая энергия может сохраняться до недели. [15] Когда требуется электричество, горячая расплавленная соль перекачивается в обычный парогенератор для производства перегретого пара для привода обычной турбины/генераторной установки, используемой на любой угольной, нефтяной или атомной электростанции. Для турбины мощностью 100 мегаватт потребуется резервуар высотой около 9,1 метра (30 футов) и диаметром 24 метра (79 футов), чтобы при такой конструкции работать в течение четырех часов.

В стадии разработки находится единый резервуар с разделительной пластиной для разделения холодной и горячей расплавленной соли. [16] Это более экономично за счет достижения на 100% большего накопления тепла на единицу объема по сравнению с системой с двумя резервуарами, поскольку резервуар для хранения расплавленной соли является дорогостоящим из-за своей сложной конструкции. Материалы с фазовым переходом (PCM) также используются для хранения энергии в расплавленных солях [17] , в то время как исследования по получению PCM со стабилизированной формой с использованием матриц с высокой пористостью продолжаются. [18]

Большинство солнечных теплоэлектростанций используют эту концепцию хранения тепловой энергии. Электростанция Солана в США может хранить 6-часовую генерирующую мощность в расплавленной соли. Летом 2013 года солнечная электростанция Gemasolar Thermosolar /электростанция на расплавленной соли в Испании достигла первого результата, непрерывно производя электроэнергию 24 часа в сутки в течение 36 дней. [19] Солнечная тепловая электростанция Cerro Dominador , открытая в июне 2021 года, имеет 17,5 часов хранения тепла. [20]

Хранение тепла в резервуарах или каменных пещерах

Паровой аккумулятор состоит из изолированного стального резервуара под давлением, содержащего горячую воду и пар под давлением. В качестве устройства аккумулирования тепла он используется для обеспечения производства тепла переменным или постоянным источником в результате переменной потребности в тепле. Паровые аккумуляторы могут сыграть важную роль в хранении энергии в проектах солнечной тепловой энергии .

Крупные накопители широко используются в странах Северной Европы для хранения тепла в течение нескольких дней, для разделения производства тепла и электроэнергии и для удовлетворения пиковых потребностей. Межсессионное хранение в пещерах было исследовано и оказалось экономичным [21] и играет значительную роль в отоплении Финляндии . Helen Oy оценивает мощность своего предприятия в 11,6 ГВтч и тепловую мощность в 120 МВт.Цистерна для воды емкостью 260 000 м 3 под Мустиккамаа (полностью заправлена ​​или опорожнена за 4 дня при полной мощности), начнет работать с 2021 года в счет компенсации дней пикового производства/спроса; [22] в то время как300 000 м 3 пещеры в скалах50 м под уровнем моря в Круунувуоренранте (недалеко от Лааясало ) были предназначены в 2018 году для хранения тепла летом из теплой морской воды и передачи его зимой для централизованного теплоснабжения . [23]

Технология горячего кремния

Твердый или расплавленный кремний обеспечивает гораздо более высокие температуры хранения, чем соли, что приводит к большей емкости и эффективности. Его исследуют как возможную более энергоэффективную технологию хранения. Кремний способен хранить более 1 МВтч энергии на кубический метр при температуре 1400 °C. Дополнительным преимуществом является относительное содержание кремния по сравнению с солями, используемыми для той же цели. [24] [25]

Расплавленный алюминий

Еще одной средой, способной хранить тепловую энергию, является расплавленный (переработанный) алюминий. Эту технологию разработала шведская компания Azelio. Материал нагревается до 600°С. При необходимости энергия передается в двигатель Стирлинга с помощью теплоносителя.

Хранение тепла в горячих камнях или бетоне

Вода имеет одну из самых высоких теплоемкостей - 4,2 кДж/(кг⋅К), тогда как бетон имеет около трети этой теплоемкости. С другой стороны, бетон можно нагреть до гораздо более высоких температур (1200 °C), например, с помощью электрического нагрева, и поэтому он имеет гораздо более высокую общую объемную емкость. Таким образом, в приведенном ниже примере изолированный куб размером около2,8 м 3 , по всей видимости, обеспечит достаточно места для хранения одного дома для удовлетворения 50% потребности в отоплении. В принципе, это можно использовать для хранения избыточного ветрового или солнечного тепла благодаря способности электрического отопления достигать высоких температур. На местном уровне международное внимание привлекло строительство солнечной электростанции Wiggenhausen-Süd во ​​Фридрихсхафене на юге Германии . Это отличает12 000 м 3 (420 000 куб. футов ) железобетонного теплового хранилища, связанного с4300 м 2 (46 000 кв. футов ) солнечных коллекторов, которые обеспечат 570 домов примерно 50% отопления и горячей воды. Siemens-Gamesa построила недалеко от Гамбурга теплоаккумулятор мощностью 130 МВтч с температурой 750 °C в базальте и электрической мощностью 1,5 МВт. [26] [27] Аналогичная система запланирована для Сорё , Дания , где 41–58% накопленного тепла в 18 МВт возвращается для централизованного теплоснабжения города, а 30–41% возвращается в виде электроэнергии. [28]

«Кирпичный тостер» — это недавно (август 2022 г.) анонсированный инновационный тепловой резервуар, работающий при температуре до 1500 °C (2732 °F), который, по утверждению его производителя, Titan Cement/Rondo, должен сократить выбросы CO2 в глобальном масштабе .
2объем производства на 15% за 15 лет. [29]

Скрытое накопление тепла

Поскольку накопление скрытого тепла (LHS) связано с фазовым переходом, общий термин для соответствующей среды — материал с фазовым переходом (PCM). Во время этих переходов тепло можно добавлять или извлекать, не влияя на температуру материала, что дает ему преимущество перед СВС-технологиями. Емкость хранилища также часто выше.

Существует множество доступных ПКМ, включая, помимо прочего, соли, полимеры, гели, парафины и металлические сплавы, каждый из которых имеет разные свойства. Это позволяет более целенаправленно проектировать систему. Поскольку процесс является изотермическим при температуре плавления ПКМ, материал можно выбрать так, чтобы он имел желаемый температурный диапазон. Желательные качества включают высокую скрытую теплоту и теплопроводность. Кроме того, устройство хранения может быть более компактным, если изменения объема во время фазового перехода невелики.

ПКМ подразделяются на органические, неорганические и эвтектические. По сравнению с органическими ПКМ неорганические материалы менее огнеопасны, дешевле и более широко доступны. Они также имеют более высокую емкость хранения и теплопроводность. С другой стороны, органические ПКМ менее коррозионны и менее склонны к расслоению фаз. Эвтектические материалы, поскольку они представляют собой смеси, легче поддаются получению определенных свойств, но имеют низкую скрытую и удельную теплоемкости.

Еще одним важным фактором в LHS является инкапсуляция PCM. Некоторые материалы более склонны к эрозии и утечкам, чем другие. Система должна быть тщательно спроектирована во избежание ненужных потерь тепла. [10]

Технология сплавов с интервалом смешиваемости

Сплавы с разрывом смешиваемости [30] основаны на фазовом изменении металлического материала (см.: скрытое тепло ) для хранения тепловой энергии. [31]

Вместо того, чтобы перекачивать жидкий металл между резервуарами, как в системе с расплавленной солью, металл инкапсулируется в другой металлический материал, с которым он не может сплавляться ( несмешивающийся ). В зависимости от двух выбранных материалов (материал с фазовым переходом и герметизирующий материал) плотность хранения может составлять от 0,2 до 2 МДж/л.

Рабочая жидкость, обычно вода или пар, используется для передачи тепла в систему и из нее. Теплопроводность сплавов с зазором несмешиваемости зачастую выше (до 400 Вт/(м⋅К)), чем у конкурирующих технологий [32] [33] , что означает возможность более быстрого «заряда» и «разрядки» теплоаккумулятора. Технология еще не реализована в больших масштабах.

Ледяная технология

Разрабатываются несколько приложений, в которых лед производится в непиковые периоды и используется для охлаждения в более позднее время. Например, кондиционирование воздуха можно обеспечить более экономично, используя дешевую электроэнергию ночью для замораживания воды в лед, а затем используя охлаждающую способность льда во второй половине дня, чтобы уменьшить количество электроэнергии, необходимой для удовлетворения потребностей в кондиционировании воздуха. Для хранения тепловой энергии с использованием льда используется большая теплота плавления воды. Исторически сложилось так, что лед транспортировали с гор в города для использования в качестве охлаждающей жидкости. Одна метрическая тонна воды (= один кубический метр) может хранить 334 миллиона джоулей (МДж) или 317 000  БТЕ (93 кВтч). Относительно небольшое хранилище может вместить достаточно льда, чтобы охладить большое здание в течение дня или недели.

Помимо использования льда в системах прямого охлаждения, он также используется в системах отопления на базе тепловых насосов. В этих приложениях энергия фазового перехода обеспечивает очень значительный уровень тепловой мощности, близкий к нижнему диапазону температур, в котором могут работать водяные тепловые насосы. Это позволяет системе выдерживать самые тяжелые условия тепловой нагрузки и продлевает временные рамки на элементы источника энергии могут возвращать тепло в систему.

Криогенное хранилище энергии

Криогенное хранилище энергии использует сжижение воздуха или азота в качестве хранилища энергии.

Пилотная криогенная энергетическая система, использующая жидкий воздух в качестве накопителя энергии и низкопотенциальное отходящее тепло для обеспечения теплового расширения воздуха, работала на электростанции в Слау , Великобритания, в 2010 году. [34]

Термохимическое хранение тепла

Термохимическое хранение тепла (ТХС) включает в себя своего рода обратимую экзотермическую/эндотермическую химическую реакцию с термохимическими материалами (ТХМ). В зависимости от реагентов этот метод может обеспечить еще большую емкость хранения, чем LHS.

В одном типе TCS для разложения определенных молекул применяется тепло. Затем продукты реакции разделяются и при необходимости снова смешиваются, что приводит к высвобождению энергии. Некоторыми примерами являются разложение оксида калия (в диапазоне 300–800 °C, с тепловым разложением 2,1 МДж/кг), оксида свинца (300–350 °C, 0,26 МДж/кг) и гидроксида кальция (свыше 450 МДж /кг). °C, где скорость реакции можно увеличить добавлением цинка или алюминия). Также можно использовать фотохимическое разложение нитрозилхлорида , и, поскольку для возникновения необходимы фотоны, оно особенно хорошо работает в сочетании с солнечной энергией. [10]

Адсорбционное (или сорбционное) солнечное отопление и хранение

Адсорбционные процессы также попадают в эту категорию. Его можно использовать не только для хранения тепловой энергии, но и для контроля влажности воздуха. Для этой цели хорошо подходят цеолиты (микропористые кристаллические алюмосиликаты) и силикагели. В жарких и влажных средах эта технология часто используется в сочетании с хлоридом лития для охлаждения воды.

Низкая стоимость (200 долларов США за тонну) и высокая скорость цикла (2000 раз) синтетических цеолитов, таких как Linde 13X с водным адсорбатом, в последнее время вызвали большой академический и коммерческий интерес в связи с использованием для хранения тепловой энергии (TES), особенно низкопотенциальной солнечной энергии. и отходящее тепло. С 2000 года по настоящее время (2020 год) в ЕС было профинансировано несколько пилотных проектов. Основная концепция заключается в сохранении солнечной тепловой энергии в виде скрытой химической энергии в цеолите. Обычно горячий сухой воздух из плоских солнечных коллекторов пропускается через слой цеолита, так что любой присутствующий водный адсорбат удаляется. Хранение может быть дневным, еженедельным, ежемесячным или даже сезонным в зависимости от объема цеолита и площади солнечных тепловых панелей. Когда требуется тепло ночью, в пасмурные часы или зимой, через цеолит проходит увлажненный воздух. Поскольку влага адсорбируется цеолитом, тепло выделяется в воздух, а затем и в пространство здания. Эта форма ТЭС со специальным использованием цеолитов была впервые описана Геррой в 1978 году. [35] Преимущества по сравнению с расплавленными солями и другими высокотемпературными ТЭС включают в себя то, что (1) требуемая температура соответствует только температуре торможения, типичной для плоской солнечной пластины. тепловой коллектор и (2) пока цеолит остается сухим, энергия сохраняется неопределенно долго. Из-за низкой температуры и того, что энергия сохраняется в виде скрытой теплоты адсорбции, что устраняет требования к изоляции системы хранения расплавленной соли, затраты значительно ниже.

Технология гидрата солей

Одним из примеров экспериментальной системы хранения, основанной на энергии химической реакции, является технология гидрата соли. Система использует энергию реакции, возникающую при гидратации или дегидратации солей. Он работает путем сохранения тепла в контейнере, содержащем 50% раствор гидроксида натрия (NaOH). Тепло (например, от использования солнечного коллектора) сохраняется за счет испарения воды в ходе эндотермической реакции. При повторном добавлении воды в результате экзотермической реакции выделяется тепло при температуре 50 °C (120 °F). Современные системы работают с КПД 60%. Система особенно выгодна для сезонного хранения тепловой энергии, поскольку высушенную соль можно хранить при комнатной температуре в течение длительного времени без потерь энергии. Контейнеры с обезвоженной солью можно даже перевезти в другое место. Система имеет более высокую плотность энергии , чем тепло, хранящееся в воде, и емкость системы может быть рассчитана на хранение энергии от нескольких месяцев до лет. [36]

В 2013 году голландский разработчик технологий TNO представил результаты проекта MERITS по хранению тепла в соляном контейнере. Тепло, которое можно получить от солнечного коллектора на крыше, вытесняет воду, содержащуюся в соли. При повторном добавлении воды тепло выделяется практически без потерь энергии. Контейнер с несколькими кубическими метрами соли может хранить достаточно этой термохимической энергии, чтобы обогревать дом всю зиму. В умеренном климате, таком как климат Нидерландов, среднее домохозяйство с низким энергопотреблением потребляет около 6,7 ГДж в зиму. Для хранения этой энергии в воде (при разнице температур 70 °C) потребуется изолированное хранилище для воды емкостью 23 м 3 , что превышает возможности большинства домохозяйств. При использовании технологии гидратов солей с плотностью хранения около 1 ГДж/м 3 может быть достаточно 4–8 м 3 . [37]

По состоянию на 2016 год исследователи в нескольких странах проводят эксперименты по определению лучшего типа соли или солевой смеси. Низкое давление внутри контейнера кажется благоприятным для транспортировки энергии. [38] Особенно перспективными являются органические соли, так называемые ионные жидкости . По сравнению с сорбентами на основе галогенидов лития они менее проблематичны с точки зрения ограниченности мировых ресурсов и по сравнению с большинством других галогенидов и гидроксида натрия (NaOH) они менее коррозионны и не оказывают негативного влияния на загрязнения CO 2 . [39]

Молекулярные связи

Исследуется сохранение энергии в молекулярных связях. Были достигнуты плотности энергии, эквивалентные литий-ионным батареям . [40] Это было сделано с помощью DSPEC (диссенсибилизированной ячейки фотоэлектросинтеза). Это ячейка, которая может хранить энергию, полученную солнечными панелями в течение дня, для использования в ночное время (или даже позже). Он разработан на основе хорошо известного естественного фотосинтеза.

DSPEC генерирует водородное топливо, используя полученную солнечную энергию для разделения молекул воды на элементы. В результате этого разделения водород выделяется, а кислород выделяется в воздух. Это звучит проще, чем есть на самом деле. Четыре электрона молекул воды необходимо разделить и переместить в другое место. Другая сложная часть — это процесс слияния двух отдельных молекул водорода.

DSPEC состоит из двух компонентов: молекулы и наночастицы . Молекула называется сборкой хромофор-катализатор, которая поглощает солнечный свет и запускает катализатор. Этот катализатор разделяет электроны и молекулы воды. Наночастицы собраны в тонкий слой, и одна наночастица содержит множество хромофоров-катализаторов. Функция этого тонкого слоя наночастиц — отводить электроны, отделившиеся от воды. Этот тонкий слой наночастиц покрыт слоем диоксида титана. Благодаря этому покрытию освободившиеся электроны могут переноситься быстрее, что позволяет производить водород. Это покрытие опять-таки покрыто защитным покрытием, которое укрепляет связь между хромофором-катализатором и наночастицей.

Используя этот метод, солнечная энергия, полученная от солнечных панелей, преобразуется в топливо (водород) без выделения так называемых парниковых газов. Это топливо можно хранить в топливном элементе и позднее использовать для выработки электроэнергии. [41]

Молекулярная солнечная тепловая система (MOST)

Еще одним перспективным способом хранения солнечной энергии для производства электроэнергии и тепла является так называемая молекулярная солнечная тепловая система (МОСТ). При таком подходе молекула путем фотоизомеризации превращается в изомер с более высокой энергией. Фотоизомеризация — это процесс, в котором один (цис-транс) изомер превращается в другой под действием света (солнечной энергии). Этот изомер способен хранить солнечную энергию до тех пор, пока она не будет высвобождена тепловым триггером или катализатором (затем изомер преобразуется в свой первоначальный изомер). Многообещающим кандидатом на роль такого МОСТа является Норборнадиен (НБД). Это связано с большой разницей в энергии между NBD и фотоизомером квадрициклана (QC). Эта разница энергий составляет примерно 96 кДж/моль. Также известно, что для таких систем донорно-акцепторные замены обеспечивают эффективное средство красного смещения поглощения с самой длинной длиной волны. Это улучшает согласование солнечного спектра.

Решающей задачей для полезной системы MOST является достижение достаточно высокой плотности накопления энергии (если возможно, выше 300 кДж/кг). Еще одна проблема системы MOST заключается в том, что свет можно собирать в видимой области. Функционализация NBD донорными и акцепторными единицами используется для корректировки этих максимумов поглощения. Однако этот положительный эффект на поглощение солнечной энергии компенсируется более высокой молекулярной массой. Это означает меньшую плотность энергии. Это положительное влияние на поглощение солнечной энергии имеет еще один недостаток. А именно, что время хранения энергии уменьшается, когда поглощение смещено в красную сторону. Возможным решением преодоления этой антикорреляции между плотностью энергии и красным смещением является соединение одного хромофора с несколькими фотопереключателями. В этом случае выгодно образовывать так называемые димеры или тримеры. НБД имеет общего донора и/или акцептора.

Каспер Мот-Поулсен и его команда попытались обеспечить стабильность фотоизомера высокой энергии, используя два фотопереключателя с электронной связью и отдельными барьерами для термического преобразования. [42] При этом синий сдвиг произошел после первой изомеризации (от NBD-NBD до QC-NBD). Это привело к более высокой энергии изомеризации второго события переключения (от QC-NBD до QC-QC). Еще одним преимуществом этой системы за счет совместного использования донора является снижение молекулярной массы на единицу норборнадиена. Это приводит к увеличению плотности энергии.

В конечном итоге эта система сможет достичь квантового выхода фотоконверсии до 94% на единицу NBD. Квантовый выход является мерой эффективности излучения фотонов. С помощью этой системы измеренная плотность энергии достигла 559 кДж/кг (превысив целевой показатель в 300 кДж/кг). Таким образом, потенциал молекулярных фотопереключателей огромен — не только для хранения солнечной тепловой энергии, но и для других применений. [42]

В 2022 году исследователи сообщили, что объединили MOST с термоэлектрическим генератором размером с чип для выработки из него электроэнергии. Сообщается, что система может хранить солнечную энергию до 18 лет и может быть вариантом хранения возобновляемой энергии . [43] [44]

Электрический тепловой аккумулятор

Накопительные обогреватели являются обычным явлением в европейских домах и оснащены счетчиками времени использования (традиционно использующими более дешевую электроэнергию в ночное время). Они состоят из керамических кирпичей высокой плотности или феолитовых блоков, нагретых до высокой температуры с помощью электричества, и могут иметь или не иметь хорошую изоляцию и средства контроля для выделения тепла в течение нескольких часов. Несколько советов: не используйте их в местах, где проживают маленькие дети, или там, где существует повышенный риск возгорания из-за плохого ведения домашнего хозяйства, а также из-за высоких температур. [45] [46]

С развитием ветровой и солнечной энергии (и других возобновляемых источников энергии), обеспечивающей все большую долю энергии, потребляемой в электросети в некоторых странах, несколько коммерческих компаний изучают возможность использования более крупных систем хранения электроэнергии. В идеале использование избыточной возобновляемой энергии преобразуется в высокотемпературное высокопотенциальное тепло в высокоизолированных теплоаккумуляторах для последующего использования, когда это необходимо. Новой технологией является использование аккумуляторов тепла с вакуумной суперизоляцией (VSI). [47] Использование электричества для выработки тепла, а не прямого тепла от солнечных тепловых коллекторов, означает, что могут быть реализованы очень высокие температуры, что потенциально обеспечивает межсезонную передачу тепла - сохранение высокого качества тепла летом из избыточной генерации фотоэлектрических элементов в тепло. хранится до следующей зимы с относительно минимальными потерями .

Хранение солнечной энергии

Солнечная энергия – это применение хранения тепловой энергии. Большинство практичных систем хранения солнечной тепловой энергии обеспечивают хранение энергии от нескольких часов до дневного количества. Однако все большее число объектов используют сезонные накопители тепловой энергии (СТЭС), позволяющие хранить солнечную энергию летом для обогрева помещений зимой. [48] ​​[49] [50] В 2017 году солнечное сообщество Drake Landing Solar Community в Альберте, Канада, достигло круглогодичной доли солнечного отопления 97%, что стало мировым рекордом благодаря включению STES. [48] ​​[51]

Совместное использование скрытого тепла и явного тепла возможно при использовании высокотемпературного солнечного тепла. Различные эвтектические смеси металлов, таких как алюминий и кремний ( AlSi
12) обладают высокой температурой плавления, подходящей для эффективного производства пара, [52] в то время как материалы на основе цемента с высоким содержанием глинозема обеспечивают хорошие возможности хранения. [53]

Насосное хранилище электроэнергии

В аккумулировании электроэнергии с накачкой (PHES) используется реверсивная система теплового насоса для хранения энергии в виде разницы температур между двумя накопителями тепла. [54] [55] [56]

Изэнтропический

Изэнтропические системы включают в себя два изолированных контейнера, заполненных, например, щебнем или гравием: горячий резервуар, хранящий тепловую энергию при высокой температуре/давлении, и холодный резервуар, хранящий тепловую энергию при низкой температуре/давлении. Сосуды соединены сверху и снизу трубами, и вся система заполнена инертным газом, например аргоном . [57]

Во время зарядки система может использовать внепиковую электроэнергию для работы в качестве теплового насоса . В одном прототипе использовался аргон при температуре окружающей среды, и давление сверху холодильной камеры адиабатически сжималось до давления, например, 12 бар, нагревая его примерно до 500 ° C (900 ° F). Сжатый газ переносится в верхнюю часть горячего резервуара, где он просачивается сквозь гравий, передавая тепло породе и охлаждаясь до температуры окружающей среды. Охлажденный, но все еще находящийся под давлением газ, выходящий на дно сосуда, затем адиабатически расширяется до 1 бар, что снижает его температуру до -150 °C. Затем холодный газ пропускают через холодный резервуар, где он охлаждает породу и одновременно нагревается до ее исходного состояния.

Энергия восстанавливается в виде электричества путем обращения цикла вспять. Горячий газ из горячего резервуара расширяется для привода генератора, а затем подается в холодильную камеру. Охлажденный газ, извлеченный из нижней части холодильной камеры, сжимается, в результате чего газ нагревается до температуры окружающей среды. Затем газ переносится на дно горячего сосуда для повторного нагрева.

Процессы сжатия и расширения обеспечиваются специально разработанной поршневой машиной с использованием шиберных клапанов. Избыточное тепло, образующееся из-за неэффективности процесса, выбрасывается в окружающую среду через теплообменники во время цикла разгрузки. [54] [57]

Разработчик заявил, что можно достичь КПД туда и обратно 72–80%. [54] [57] Это сравнимо с >80%, достижимыми при использовании гидроаккумуляторов. [55]

Другая предложенная система использует турбомашины и способна работать на гораздо более высоких уровнях мощности. [56] Использование материала с фазовым переходом в качестве материала для аккумулирования тепла может повысить производительность. [17]

Смотрите также

икона Портал возобновляемой энергетики

Рекомендации

  1. ^ Райт, Мэтью; Херпс, Патрик; и другие. Устойчивая энергетика Австралии: План стационарной энергетики Австралии с нулевым выбросом углерода, Институт энергетических исследований, Мельбурнский университет , октябрь 2010 г., стр. 33. Получено с сайта BeyondZeroEmissions.org.
  2. ^ Инновации в концентрации тепловой солнечной энергии (CSP), веб-сайт RenewableEnergyFocus.com.
  3. ↑ Рэй Стерн (10 октября 2013 г.). «Солана: 10 фактов, которые вы не знали о солнечной электростанции возле излучины Хила». Феникс Нью Таймс .
  4. ^ Саид Р.М., Шлегель Дж.П., Кастано К. и Савафта Р., 2018. Получение и улучшение термических характеристик нового (от твердого до геля) формостабильного эвтектического ПКМ, модифицированного нанографеновыми пластинками. Журнал хранения энергии, 15, стр. 91–102.
  5. ^ Саид, Р.М., Шлегель, Дж.П., Кастано, К., Савафта, Р. и Кутуру, В., 2017. Получение и термические характеристики эвтектической смеси метилпальмитата и лауриновой кислоты в качестве материала с фазовым переходом (PCM). Журнал хранения энергии, 13, стр. 418–424.
  6. ^ Джейкобсон, Марк З.; Делукки, Марк А.; Кэмерон, Мэри А.; Фрю, Бетани А. (2015). «Недорогое решение проблемы надежности сети со 100% проникновением прерывистого ветра, воды и солнечной энергии для всех целей». Труды Национальной академии наук . 112 (49): 15060–5. Бибкод : 2015PNAS..11215060J. дои : 10.1073/pnas.1510028112 . ПМК 4679003 . ПМИД  26598655. 
  7. ^ Матисен, Б.В.; Лунд, Х.; Коннолли, Д.; Венцель, Х.; Остергорд, Пенсильвания; Мёллер, Б.; Нильсен, С.; Риджан, И.; Карнё, П.; Сперлинг, К.; Хвелплунд, ФК (2015). «Интеллектуальные энергетические системы для согласованных 100% возобновляемых источников энергии и транспортных решений». Прикладная энергетика . 145 : 139–54. doi :10.1016/j.apenergy.2015.01.075.
  8. ^ Хеннинг, Ханс-Мартин; Палцер, Андреас (2014). «Комплексная модель немецкого электроэнергетического и теплового сектора в будущей энергетической системе с доминирующим вкладом технологий возобновляемой энергетики - Часть I: Методология». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 30 : 1003–18. дои : 10.1016/j.rser.2013.09.012.
  9. ^ Бауэр, Томас; Штайнманн, Вольф-Дитер; Лэнг, Доэрте; Тамме, Райнер (2012). «Материалы и системы хранения тепловой энергии». Ежегодный обзор теплопередачи . 15 (15): 131–177. doi : 10.1615/AnnualRevHeatTransfer.2012004651. ISSN  1049-0787.
  10. ^ abc Сарбу, Иоан; Себарчиевич, Калин (январь 2018 г.). «Комплексный обзор хранения тепловой энергии». Устойчивость . 10 (1): 191. дои : 10.3390/su10010191 .
  11. ^ Бауэр, Томас; Оденталь, Кристиан; Бонк, Александр (апрель 2021 г.). «Хранилище расплавленной соли для производства электроэнергии». Chemie Ingenieur Technik (на немецком языке). 93 (4): 534–546. doi : 10.1002/cite.202000137. ISSN  0009-286X. S2CID  233913583.
  12. ↑ Манчини, Том (10 января 2006 г.). «Преимущества использования расплавленной соли». Сандианские национальные лаборатории. Архивировано из оригинала 5 июня 2011 года . Проверено 14 июля 2011 г.
  13. ^ Джонс, Б.Г.; Рой, РП; Бол, RW (1977). «Система хранения энергии на расплавленной соли. Технико-экономическое обоснование». Теплопередача в энергосбережении; Материалы зимнего ежегодного собрания : 39–45. Бибкод : 1977htec.proc...39J.
  14. ↑ Бьелло, Дэвид (18 февраля 2009 г.). «Как использовать солнечную энергию ночью». Научный американец . Архивировано из оригинала 13 января 2017 года.
  15. ^ Эрлих, Роберт (2013). «Теплохранилище». Возобновляемая энергия: первый курс . ЦРК Пресс. п. 375. ИСБН 978-1-4398-6115-8.
  16. ^ «Солнечная энергия движется к холмам, поскольку технология башен переворачивается с ног на голову» . 30 января 2012 года. Архивировано из оригинала 7 ноября 2017 года . Проверено 21 августа 2017 г.
  17. ^ ab «Использование инкапсулированных солей фазового перехода для концентрированной солнечной электростанции» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 10 июля 2016 года . Проверено 2 ноября 2017 г.
  18. ^ Митран, Рауль-Огюстен; Линку, Дэниел; Бухелцяну, Люциан; Бергер, Даниэла; Матей, Кристиан (15 сентября 2020 г.). «Материалы с фазовым переходом, стабилизированные формой, с использованием расплавленных эвтектических матриц NaNO3 – KNO3 и мезопористых кремнеземных матриц». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 215 : 110644. doi : 10.1016/j.solmat.2020.110644. ISSN  0927-0248. S2CID  224912345.
  19. ^ «Крупнейшая в мире солнечная тепловая электростанция с хранилищем выходит в сеть - CleanTechnica» . Cleantechnica.com . 14 октября 2013 года . Проверено 9 мая 2018 г.
  20. ^ "В Чили открыта концентрированная солнечная электростанция Cerro Dominador" . 9 июня 2021 г. Проверено 13 июня 2021 г.
  21. ^ Гебремедин, Алемайеху; Зинко, Хеймо. «Сезонные накопления тепла в системах централизованного теплоснабжения» (PDF) . Линчёпинг, Швеция: Университет Линчёпинга. Архивировано (PDF) из оригинала 13 января 2017 года.
  22. ^ «Гигантское хранилище тепла в пещере будет построено в Мустиккамаа в Хельсинки» . 22 марта 2018 г.
  23. ^ «Первое в мире сезонное хранилище энергии такого рода планируется построить в скальных пещерах Круунувуоренранта» . 30 января 2018 г.
  24. ^ «Расплавленный кремний, используемый для хранения тепловой энергии» . Инженер . Архивировано из оригинала 4 ноября 2016 года . Проверено 2 ноября 2016 г. .
  25. ^ «Система накопления энергии на основе кремния из песка». www.powerengineeringint.com . Архивировано из оригинала 4 ноября 2016 года . Проверено 2 ноября 2016 г. .
  26. ^ «Впервые в мире: Siemens Gamesa начинает эксплуатацию своей инновационной системы хранения электротермической энергии» . Проверено 27 июля 2019 г.
  27. ^ «Проект Siemens по испытанию нагретых камней для крупномасштабного и недорогого хранения тепловой энергии» . Полезное погружение . 12 октября 2016 г. Архивировано из оригинала 13 октября 2016 г. . Проверено 15 октября 2016 г.
  28. ^ "Nyt energilager skal opsamle grøn energi i varme sten" . Ингениёрен . 25 ноября 2016 г. Архивировано из оригинала 26 ноября 2016 г. . Проверено 26 ноября 2016 г.
  29. ^ Заявления производителей: Тепловая батарея Rondo.
  30. ^ "Веб-сайт термического хранения сплавов с разрывом в смешиваемости" . Архивировано из оригинала 12 марта 2018 года.
  31. ^ Роусон, Энтони; Киси, Эрих; Суго, Хибер; Фидлер, Томас (1 октября 2014 г.). «Эффективная проводимость сплавов Cu–Fe и Sn–Al». Международный журнал тепломассообмена . 77 : 395–405. doi :10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.05.024.
  32. ^ Суго, Хибер; Киси, Эрих; Каскелли, Дилан (1 марта 2013 г.). «Сплавы с запрещенной зоной смешивания с инверсной микроструктурой и высокой теплопроводностью для хранения тепла с высокой плотностью энергии». Прикладная теплотехника . 51 (1–2): 1345–1350. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2012.11.029.
  33. ^ «Термические конденсаторы, изготовленные из сплавов с запрещенной способностью смешивания (MGA) (доступна загрузка в формате PDF)» . Исследовательские ворота . Архивировано из оригинала 28 февраля 2017 года . Проверено 27 февраля 2017 г. .
  34. ↑ Роджер Харрабин, аналитик BBC Environment (2 октября 2012 г.). «Жидкий воздух« дает надежду на сохранение энергии »». Новости BBC, Наука и окружающая среда . Би-би-си. Архивировано из оригинала 2 октября 2012 года . Проверено 2 октября 2012 г.
  35. ^ Патент США. №4269170 «Адсорбционное солнечное отопление и хранение»; Изобретатель: Джон М. Герра; Выдано 26 мая 1981 г.
  36. ^ Райнер, Клозе. «Сезонное накопление энергии: летнее тепло для зимы». Цюрих, Швейцария: Эмпа. Архивировано из оригинала 18 января 2017 года.
  37. ^ Проект MERITS «Компактное хранение тепла». «ЗАСЛУЖИВАНИЯ». Архивировано из оригинала 15 августа 2017 года . Проверено 10 июля 2017 г.
  38. ^ Де Йонг, Ард-Джан; Ван Влит, Лоуренс; Хогертс, Кристоф; Роландс, Марк; Кайперс, Рууд (2016). «Термохимическое хранение тепла - от плотности хранения реакции к плотности хранения системы». Энергетическая процедура . 91 : 128–37. дои : 10.1016/j.egypro.2016.06.187 .
  39. ^ Брюниг, Торге; Крекич, Кристиан; Брюн, Клеменс; Питшниг, Рудольф (2016). «Калориметрические исследования и структурные аспекты ионных жидкостей при разработке сорбционных материалов для хранения тепловой энергии». Химия: Европейский журнал . 22 (45): 16200–16212. doi : 10.1002/chem.201602723. ПМЦ 5396372 . ПМИД  27645474. 
  40. ^ Колпак, Алекси М.; Гроссман, Джеффри С. (2011). «Углеродные нанотрубки, функционализированные азобензолом, как солнечное тепловое топливо с высокой плотностью энергии». Нано-буквы . 11 (8): 3156–62. Бибкод : 2011NanoL..11.3156K. дои : 10.1021/nl201357n. ПМИД  21688811.
  41. ^ «Хранение энергии в химических связях молекул». Энергетическая независимость вне сети . 21 января 2014 года . Проверено 27 января 2021 г.
  42. ^ аб Мансо, Мэдс; Петерсен, Энн Углхолдт; Ван, Чжихан; Эрхарт, Пол; Нильсен, Могенс Бронстед; Мот-Поульсен, Каспер (16 мая 2018 г.). «Молекулярное хранение солнечной тепловой энергии в олигомерах фотопереключателей увеличивает плотность энергии и время хранения». Природные коммуникации . 9 (1): 1945. Бибкод : 2018NatCo...9.1945M. дои : 10.1038/s41467-018-04230-8 . ISSN  2041-1723. ПМК 5956078 . ПМИД  29769524. 
  43. ↑ Хокинс, Джошуа (15 апреля 2022 г.). «Новая жидкостная система может произвести революцию в солнечной энергетике». БГР . Проверено 18 апреля 2022 г.
  44. ^ Ван, Чжихан; Ву, Чжэньхуа; Ху, Чжию; Оррего-Эрнандес, Джессика; Му, Эржень; Чжан, Чжао-Ян; Еврик, Мартин; Лю, Ян; Фу, Сюэчэн; Ван, Фэндань; Ли, Тао; Мот-Поульсен, Каспер (16 марта 2022 г.). «Выработка солнечной тепловой электроэнергии в масштабе чипа». Отчеты о клетках Физические науки . 3 (3): 100789. Бибкод : 2022CRPS....300789W. дои : 10.1016/j.xcrp.2022.100789 . hdl : 10261/275653 . ISSN  2666-3864. S2CID  247329224.
  45. ^ "Отчет" . Проверено 20 февраля 2020 г.
  46. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 14 мая 2016 года . Проверено 20 февраля 2017 г.{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ
  47. ^ "Веб-сайт Solarthermal world.og" . Проверено 23 июля 2023 г.
  48. ^ Аб Вонг Б. (2011). Сообщество Drake Landing Solar. Архивировано 4 марта 2016 года в Wayback Machine . Презентация на конференции IDEA/CDEA District Energy/CHP 2011. Торонто, 26–29 июня 2011 г.
  49. ^ Проект SunStor-4, Марстал, Дания. Солнечная система централизованного теплоснабжения. Архивировано 24 марта 2021 года в Wayback Machine , где есть межсезонная яма для хранения, расширяется.
  50. ^ «Хранение тепловой энергии в термобанках». ICAX Ltd, Лондон. Архивировано из оригинала 14 ноября 2011 года . Проверено 21 ноября 2011 г.
  51. ^ «Канадское солнечное сообщество устанавливает новый мировой рекорд по энергоэффективности и инновациям» (пресс-релиз). Природные ресурсы Канады. 5 октября 2012 года. Архивировано из оригинала 3 ноября 2016 года . Проверено 11 января 2017 г.
  52. ^ Харе, Самир; Делл'Амико, Марк; Найт, Крис; МакГарри, Скотт (2012). «Выбор материалов для хранения скрытой энергии высоких температур». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 107 : 20–7. doi :10.1016/j.solmat.2012.07.020.
  53. ^ Харе, С.; Делл'Амико, М.; Найт, К.; МакГарри, С. (2013). «Выбор материалов для хранения чувствительной энергии при высоких температурах». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 115 : 114–22. doi :10.1016/j.solmat.2013.03.009.
  54. ^ abc «Насосная тепловая система Isentropic хранит энергию в масштабе сети» . Архивировано из оригинала 22 июля 2015 года . Проверено 19 июня 2017 г.
  55. ^ ab «ХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИИ: НЕДОСТАЮЩЕЕ ЗВЕНО В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЯЗАТЕЛЬСТВАХ ВЕЛИКОБРИТАНИЯ». ИМечЕ. п. 27. Архивировано из оригинала 12 июля 2014 года.
  56. ^ ab «Накопление тепловой энергии с помощью насоса» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 22 января 2017 года . Проверено 16 июля 2017 г.
  57. ^ abc «Технология PHES от Isentropic». 20 октября 2014 г. Архивировано из оригинала 12 октября 2017 г. Проверено 16 июля 2017 г.

Внешние ссылки

дальнейшее чтение