European Energy Research Alliance opublikowało białą księgę na temat badań i rozwoju technologii przemysłowego magazynowania ciepła

Niedawno Europejski Sojusz Badań nad Energią (EERA) Joint Research Alliance on Energy Efficiency of Industrial Processes (JP EEIP) opublikował białą księgę „Industrial Heat Storage: Supporting the Transformation to Dekarbonized Industry”, w którym przedstawiono aktualny stan, wyzwania oraz sugestie badawczo-rozwojowe przemysłowej technologii magazynowania ciepła. Główne punkty to:

1. Potencjalne zastosowania magazynowania ciepła w przemyśle

1. Ogrzewanie lub chłodzenie procesów przemysłowych

W zależności od warunków klimatycznych przemysłowe systemy ogrzewania słonecznego można łączyć z systemami magazynowania ciepła. Obiecujące zastosowania obejmują: ① W przypadku zapotrzebowania na ciepło procesowe w wysokich temperaturach (400°C) można zastosować ogrzewanie elektryczne w połączeniu z porowatym magazynowaniem ciepła; ② W przypadku zapotrzebowania na gorącą wodę i parę technologiczną o średniej temperaturze (do 200°C) istnieje wiele opcji, w tym połączenie przemysłowych pomp ciepła i magazynowania ciepła oraz połączenie systemów ogrzewania słonecznego i magazynowania ciepła; ③W przypadku przemysłowego przechowywania w chłodniach (poniżej 6°C), systemy chłodnicze (takie jak chłodnice powietrza lub klimatyzatory), systemy magazynowania ciepła jawnego lub materiałów zmiennofazowych mogą być dostarczane Energia niskotemperaturowa w celu zaspokojenia szczytowego zapotrzebowania na zimno na początku nowego cyklu chłodniczego i wykorzystywać tanią odnawialną energię elektryczną.

2. Wykorzystanie przemysłowego ciepła odpadowego

Obiecujące zastosowania obejmują: ① Krótkoterminowe magazynowanie ciepła, w którym ciepło resztkowe z przetwarzania wsadowego jest wykorzystywane do wstępnego podgrzewania następnej partii w celu zmniejszenia nakładu energii i poprawy efektywności energetycznej, a zastosowana technologia magazynowania ciepła zależy od dostępnego ciepła resztkowego (np. procesy egzotermiczne w przemyśle chemicznym, które wymagają wystarczającej temperatury początkowej, takie jak polimeryzacja lub alkoksylacja), krótkotrwałe magazynowanie ciepła może również poprawić potencjał sieci ciepłowniczych wykorzystujących zmienne nadwyżki ciepła przemysłowego; ② długookresowe magazynowanie ciepła, produkcja przemysłowa Pozostałe ciepło w procesie jest magazynowane do ogrzewania pomieszczeń dla bazy przemysłowej w okresie zimowym lub odprowadzane do sieci ciepłowniczej, co wymaga temperatury magazynowania ciepła na poziomie 70-120°C , lub do modernizacji zmagazynowanego ciepła niskotemperaturowego,

3. Przemysłowe rezerwowe magazyny ciepła

Przemysłowe rezerwowe magazyny ciepła mogą służyć jako nieprzerwane źródło energii cieplnej w sytuacjach awaryjnych, co wymaga szybkiej reakcji i wysokiej niezawodności. Obecnie przemysł opiera się głównie na kotłach gazowych jako zapasowym źródle ciepła, a system magazynowania ciepła może zapewnić zapasową parę wodną, ​​unikając stosowania kotłów parowych. Produkty dostępne obecnie na rynku to akumulatory pary, podczas gdy rozwiązania do magazynowania ciepła z materiałów zmiennofazowych i termochemiczne rozwiązania do magazynowania ciepła są przedmiotem przyszłego rozwoju. Do magazynowania ciepła w wyższych temperaturach można zastosować porowaty magazyn ciepła stałego, aw przyszłości można opracować materiały o przemianie fazowej w wysokiej temperaturze i termochemiczne magazynowanie ciepła.

4. Przemysłowe zasilanie cieplne

Oprócz akumulatorów magazynowanie ciepła może stanowić niedrogie rozwiązanie, które zaspokoi przyszłe zapotrzebowanie na dużą moc, dużą pojemność i długoterminowe magazynowanie energii. Przemysłowe zaopatrzenie w ciepło musi koncentrować się na rozwoju kilku technologii: ①Wysokotemperaturowa bateria Carnota wykorzystująca energię elektryczną Ogrzewanie magazynuje ciepło w porowatych ciałach stałych do 800°C; ② Średniotemperaturowa bateria Carnota, wykorzystująca pompę ciepła do przekształcania energii elektrycznej w ciepło, do 200°C, w celu poprawy wydajności, przemysłowe ciepło odpadowe może być wykorzystywane jako źródło ciepła dla pompy ciepła; ③Adiabatyczny system sprężonego powietrza, wymaga magazynowania ciepła w wysokiej temperaturze (często przy użyciu ceramicznych porowatych ciał stałych).

2. Aktualny stan i wyzwania przemysłowej technologii magazynowania ciepła

1. Magazynowanie ciepła jawnego

Magazynowanie ciepła jawnego magazynuje lub oddaje ciepło poprzez podnoszenie lub obniżanie temperatury materiałów. Typowe materiały do ​​przechowywania ciepła obejmują wodę, olej termiczny, skały, piaskowiec, glinę, cegłę, stal, beton i stopioną sól.

(1) Poziom dojrzałości technicznej (TRL) magazynowania ciepła jawnego na bazie cieczy osiągnął poziom 9 i jest ono stosowane głównie w sytuacjach, gdy koszt jest niski, a przestrzeń nie jest ograniczona, a okres magazynowania ciepła wynosi kilka godzin do kilka dni. Główne wyzwania techniczne stojące przed tego typu technologią to: ① zwiększenie objętościowej gęstości energii, a tym samym zmniejszenie wymagań przestrzennych; ② obniżyć temperaturę, ciśnienie i spowolnić korozję stopionej soli; ③ zmniejszyć straty ciepła z powodu braku zwartości.

(2) Magazynowanie ciepła jawnego na bazie ciała stałego TRL osiąga poziom 7, który jest stosowany głównie w sytuacjach, gdy koszt jest niski, a przestrzeń nie jest ograniczona, a czas magazynowania ciepła wynosi od kilku godzin do kilku dni. Główne wyzwania techniczne stojące przed tego typu technologią to: ① redukcja wagi i zwiększenie objętościowej gęstości energii, a tym samym zmniejszenie wymagań przestrzennych i masy systemu; ② poprawić proces wymiany ciepła.

(3) TRL magazynowania ciepła jawnego w oparciu o zbiorniki podziemne, takie jak warstwy wodonośne, osiąga poziom 7, który jest wykorzystywany głównie do sezonowego magazynowania ciepła na dużą skalę poniżej 90°C, a ciepło może być również wykorzystywane podczas ładowania. Główne wyzwania techniczne stojące przed tego typu technologią to: ①zmniejszenie wymagań dotyczących powierzchni; ②zmniejszyć zależność od określonych warunków geologicznych; ③ zmniejszyć straty ciepła w wysokiej temperaturze; ④ skrócić czas uruchamiania; ⑤zwiększ zakres temperatur.

(4) Kopalniany magazyn ciepła jawnego TRL osiąga poziom 7, który jest wykorzystywany głównie do magazynowania ciepła na dużą skalę w zakresie temperatur 60-80°C przez kilka tygodni do kilku miesięcy, a ciepło może być również wykorzystywane podczas ładowanie. Główne wyzwania techniczne stojące przed tego typu technologią to: ①zmniejszenie zapotrzebowania na powierzchnię; ② Popraw wydajność magazynowania ciepła i popraw wpływ poziomu temperatury magazynowania ciepła i charakterystyki stratyfikacji.

2. Magazynowanie ciepła utajonego

Magazynowanie ciepła utajonego wykorzystuje przemianę fazową materiałów magazynujących. Typowe materiały o przemianie fazowej obejmują lód, parafinę, kwasy tłuszczowe, alkohole cukrowe, hydraty soli, sole nieorganiczne i metale. TRL tej technologii wynosi 4-7 i jest stosowana głównie w małych urządzeniach do magazynowania ciepła, a okres magazynowania ciepła wynosi od kilku godzin do kilku dni. Główne wyzwania techniczne stojące przed tego typu technologią to: ① zwiększenie szybkości wymiany ciepła; ② usprawnić proces standaryzacji i komercjalizacji materiałów zmiennofazowych; ③ poprawić wszechstronność rozwiązań; ④ poprawić trwałość materiałów zmiennofazowych; ⑤ poprawić czystość materiałów do przechowywania ciepła.

3. Adsorpcyjne magazynowanie ciepła

Adsorpcyjne magazynowanie ciepła opiera się na odwracalnych reakcjach gaz-ciało stałe między adsorbatami (gazami) a adsorbentami stałymi lub ciekłymi, zazwyczaj w temperaturach poniżej 200°C. Ciepło adsorpcji zaangażowane w ten odwracalny proces adsorpcji/desorpcji jest zwykle większe niż jawne i utajone magazynowanie ciepła, co ma tę zaletę, że jest w stanie magazynować ciepło przez długi czas przy minimalnych stratach ciepła. Typowe stałe sorbenty obejmują porowate materiały strukturalne, takie jak zeolity, żel krzemionkowy i aktywowany tlenek glinu, które mogą adsorbować/desorbować gazy, takie jak woda lub pary amoniaku; typowymi ciekłymi sorbentami są stężone roztwory soli, takie jak chlorek litu, bromek litu i wodny roztwór wodorotlenku sodu. TRL adsorpcyjnego magazynowania ciepła wynosi 6-8, co jest stosowane głównie w przypadku ograniczonej przestrzeni, a okres magazynowania ciepła wynosi od kilku godzin do kilku miesięcy. Główne wyzwania techniczne stojące przed tego typu technologią to: ① zwiększenie ilości materiałów handlowych, które mogą być używane powyżej 200°C; ② wykorzystać wygenerowaną zimną energię do poprawy wydajności; ③ zmniejszyć różnicę temperatur między ładowaniem a rozładowaniem.

4. Termochemiczne magazynowanie ciepła

Termochemiczne magazynowanie ciepła jest również oparte na odwracalnych reakcjach gaz-ciało stałe, podobnie jak adsorpcyjne magazynowanie ciepła, a zatem ma również zaletę w postaci niewielkich strat ciepła, ale ma większą gęstość magazynowania ciepła i niższy koszt. Główną różnicą w porównaniu z adsorpcyjnym magazynowaniem ciepła jest to, że gaz jest bezpośrednio absorbowany przez stałą sieć krystaliczną, zmieniając w ten sposób strukturę krystaliczną. Gdy temperatura jest niższa niż 200°C, do termochemicznego magazynowania ciepła należy stosować stałe sole nieorganiczne i gazy, takie jak chlorek wapnia i para wodna lub chlorek strontu i para amoniaku; w zakresie temperatur 250-600°C stosować wodorotlenek do tworzenia (taki jak tlenek wapnia/wodorotlenek wapnia) i reakcję nasycania dwutlenkiem węgla (taki jak tlenek wapnia/węglan wapnia) do magazynowania ciepła; w zakresie temperatur 800-1800°C reakcje utleniania mogą być wykorzystywane do magazynowania ciepła, takie jak nadtlenek baru/tlenek baru lub żelazo/tlenek żelaza. TRL termochemicznego magazynowania ciepła wynosi 4-6, co jest stosowane głównie w przypadku ograniczonej przestrzeni, a okres magazynowania ciepła wynosi od kilku godzin do kilku miesięcy. Główne wyzwania techniczne stojące przed tego typu technologią to: ① poprawa trwałości i stabilności materiałów; ② wyeliminowanie problemu aglomeracji/aglomeracji; ③ zmniejszenie różnicy temperatur między ładowaniem a rozładowaniem.

3. Nowe rozwiązania w zakresie technologii magazynowania ciepła

1. Stałe magazynowanie ciepła jawnego

Stałe systemy magazynowania ciepła jawnego zapewniają niezawodną i bezpieczną metodę magazynowania ciepła o wysokiej temperaturze, a najnowsze technologie obejmują magazynowanie ciepła w betonie i magazynowanie ciepła w złożu upakowanym. Norweska firma EnergyNest opracowała i zademonstrowała modułowy system magazynowania ciepła oparty na wysoce przewodzącym betonie o nazwie Heatcrete®, który został niedawno zastosowany w sieci rurociągów parowych zakładu chemicznego w Norwegii i będzie używany w cegielni i firmie Senftenbacher w Austria w przyszłej elektrowni gazowo-parowej Sloecentrale w Holandii. W pilotażowej instalacji akumulatorów Kano firmy Siemens Gamesa stosowany jest system magazynowania ciepła ze złożem bazaltowym o temperaturze 740°C i pojemności magazynowania ciepła 130 MWh; Zakład recyklingu stali firmy ArcelorMittal w Hiszpanii również wykorzystuje odzysk ciepła odpadowego w postaci złoża upakowanego.

2. Materiały zmiennofazowe do magazynowania ciepła

Nowym opracowaniem materiałów o przemianie fazowej do magazynowania ciepła są wysokotemperaturowe materiały do ​​magazynowania ciepła o przemianie fazowej, których temperatura topnienia przekracza 100°C, takie jak eutektyk azotanowy, kwas dikarboksylowy, alkohol cukrowy, a nawet materiały metalowe. W ostatnich latach przeprowadzono wiele badań nad poprawą wydajności magazynowania ciepła materiałów zmiennofazowych, takich jak zwiększenie przewodności cieplnej poprzez dodanie przewodzących wypełniaczy, zwiększając w ten sposób szybkość ładowania/rozładowania. Zmniejszając powierzchnię wymiany ciepła (taką jak metalowe żebra), można zbudować bardziej kompaktowe i tańsze systemy magazynowania ciepła. Ponadto opracowywane są nowe materiały opakowaniowe odporne na wysokie temperatury, aby poprawić perspektywy zastosowania wysokotemperaturowych materiałów do magazynowania ciepła z przemianą fazową.

3. Termochemiczne i adsorpcyjne magazynowanie ciepła

Technologie termochemicznego i adsorpcyjnego magazynowania ciepła umożliwiają opracowanie materiałów kompozytowych o dużej gęstości energii i stabilności. Dział badawczo-rozwojowy bada materiał kompozytowy i technologię jego przygotowania polegającą na dodawaniu soli do porowatej matrycy, mając na celu zwiększenie gęstości magazynowania energii, zwiększenie stabilności adsorpcji/reakcji i jednocześnie wydłużenie żywotności. Ponadto opracowano technologie powlekania zapobiegające zbrylaniu lub proszkowaniu materiałów termochemicznych. Szwedzka firma energetyczna SaltX Technology potwierdziła wykonalność tego programu. Firma opracowała nanopowlekaną sól do termochemicznego systemu magazynowania ciepła o nazwie EnerStore, który umożliwia wielokrotne ładowanie/rozładowywanie przy użyciu tanich materiałów. Krążenie, system oparty na reakcji termochemicznej między tlenkiem wapnia a wodą/parą, został pilotażowo przetestowany w elektrociepłowni Vattenfall w Berlinie i działa od marca 2019 r. Jego pojemność magazynowania ciepła wynosi 10 MWh, całkowita wydajność ogrzewania elektrycznego wynosi 72% -85%, a teoretyczne maksimum to 92%, co pozwala kontrolować szybkość i poziom uwalniania ciepła z dużą precyzją.

4. Zaawansowana symulacja

Opracowanie modeli symulacyjnych może skutecznie wspierać zastosowanie systemów magazynowania ciepła w zintegrowanych systemach energetyki przemysłowej oraz umożliwia szybkie projektowanie systemów magazynowania ciepła i przeprowadzanie analizy wrażliwości dla innowacyjnych konfiguracji. Na przykład niedawno opracowano opartą na symulacji ocenę wydajności projektów systemów w dziedzinie magazynowania ciepła utajonego. Szczególnie w przypadku przemysłowych termochemicznych systemów magazynowania ciepła kinetykę reakcji termochemicznych w reaktorach i projektach procesów można przewidzieć za pomocą zaawansowanych modeli nieparametrycznych. Wydajność całego systemu można poprawić, zmieniając oryginalną jednostkę adsorpcyjną na część hybrydowej chłodnicy adsorpcyjno-sprężeniowej. Program zwiększa wykorzystanie energii odnawialnej poprzez łączenie energii cieplnej i elektrycznej,

4. Integracja przemysłowych systemów magazynowania ciepła

1. Ogrzewanie elektryczne i wytwarzanie energii elektrycznej (Power-to-Heat-to-Power)

Elektryfikacja produkcji przemysłowej stała się przedmiotem badań i zastosowań, ale zastąpienie paliwa procesowego energią elektryczną spowoduje problemy związane ze zmiennym zasilaniem i wydajnością sieci, które należy rozwiązać za pomocą systemów magazynowania energii. Jak dotąd brakuje efektywnych kosztowo systemów magazynowania energii, które nie są ograniczone położeniem geograficznym. Rozwiązanie Power-to-X-to-Power (PXP) jest uważane za obiecujące rozwiązanie, w którym energia elektryczna jest przetwarzana na inne formy nośnika energii i magazynowana, aw razie potrzeby ponownie przekształcana w energię elektryczną. Wytwarzanie energii elektrycznej do ogrzewania (Power-to-Heat-to-Power) jest tanią opcją dla PXP, znaną również jako rozwiązanie akumulatorowe Carnota. Siemens Gamesa przeprowadziła udaną demonstrację. Magazyn akumulatorów Carnota w Hamburgu Elektrociepłownia została oddana do użytku latem 2019 r., wykorzystując złoże wypełnione bazaltem do magazynowania ciepła i ładowania powietrza za pomocą nagrzewnic elektrycznych i dmuchaw. System wykorzystuje obieg parowy Rankine'a do przekształcania zmagazynowanego ciepła w energię elektryczną z wydajnością elektrotermiczno-elektryczną 45% i maksymalną mocą 1,5 megawata.

2. Remonty istniejących elektrowni

Zintegrowane systemy magazynowania ciepła mogą również pomóc w modernizacji istniejących elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi, zwłaszcza elektrowni węglowych, którym grozi częściowe zamknięcie w ramach celów redukcji emisji CO2. Na przykład niemiecki projekt I-Tess przekształca nadwyżkę mocy istniejących elektrowni węglowych w ciepło i wykorzystuje cykl parowy elektrowni do konwersji energii cieplnej, gdy brakuje energii. W ramach niemieckiego projektu Store To Power rozwijana jest pilotażowa elektrownia z magazynowaniem ciepła, która łączy istniejącą elektrownię węglową z wysokotemperaturowym magazynowaniem ciepła, w tym ogrzewaniem elektrycznym i wytwornicą pary, która może transportować około 10% pary w parze cyklu elektrowni węglowej. Siemens Gamesa jest jedną z wiodących firm zajmujących się transformacją elektrowni węglowych. Integrując system magazynowania ciepła, może dostarczać energię elektryczną, ciepło lub parę z wkładem zmiennej energii odnawialnej. Zrealizowała już bazaltowy system magazynowania ciepła o mocy 30 MW. demonstracja.

5. Propozycje działań technicznych

Aby ułatwić przyjęcie na dużą skalę przemysłowego magazynowania ciepła, wymagane jest natychmiastowe działanie techniczne, zwłaszcza w fazie przedkomercjalizacji (faza P) i faza komercjalizacji (faza C), zalecając: (1)

Przeprowadzenie projekty badawczo-rozwojowe w zakresie przemysłowego magazynowania ciepła (faza P), koncentrujące się na wyżej wymienionych wyzwaniach technicznych.

(2) Przeprowadzenie badań technicznych i ekonomicznych w zakresie magazynowania ciepła i jego zastosowania przemysłowego (etap P), w tym: ① Stosowanie technologii magazynowania ciepła w wytwarzaniu energii odnawialnej energii cieplnej/zimnej, takiej jak bateria Carnota; ② W energetyce odnawialnej Technologia magazynowania ciepła jest stosowana w elektrycznym ogrzewaniu/chłodzeniu w celu dopasowania zmiennego zasilania do przemysłowego zapotrzebowania na ciepło; ③ Wykorzystać energię geotermalną i słoneczną do zaspokojenia zapotrzebowania na ciepło; ④ Odzysk, magazynowanie i wykorzystanie przemysłowego ciepła odpadowego; ⑤ Magazynowanie ciepła w chłodnictwie przemysłowym i łańcuchach chłodniczych; ⑥ używać magazynowania ciepła jako niezawodnego systemu rezerwowego, gdy zawiodą inne technologie grzewcze.

(3) Identyfikacja i udostępnianie zastosowań, w których magazynowanie ciepła ma przewagę ekonomiczną, środowiskową i operacyjną nad innymi formami magazynowania energii (baterie lub wodór) (faza P).

(4) Opracować i obsługiwać projekty demonstracyjne magazynowania ciepła oraz udostępniać wyniki i dane w otwartym dostępie (faza P).

(5) Aktywnie dziel się najlepszymi praktykami i rozpowszechniaj wiedzę i dane wśród przemysłu, decydentów i innych interesariuszy poprzez publikacje, przemówienia i inne formy zaangażowania mediów (faza P).

(6) Opracowanie dostępnej bazy danych materiałów do magazynowania ciepła z ujednoliconymi kluczowymi wskaźnikami wydajności (faza C).

(7) Współpraca z organami regulacyjnymi, organizacjami zawodowymi i przemysłem w celu opracowania znormalizowanych systemów magazynowania ciepła (faza C).