Твердотельные накопители тепла
Печь топится раз или два в сутки, а всё остальное время кирпич, из которого она сложена, держит тепло (если печь не дровяная, а электрическая, то нагрев обычно включают ночью, когда действует низкий тариф на электроэнергию). Ещё эффективнее аккумулирует тепловую энергию минерал стеатит - о нём «Энерговектор» рассказывал в сентябре 2020 года, - но для использования в промышленных масштабах лучше подойдут более дешёвые материалы. Взглянем на несколько решений по построению тепловых аккумуляторов с твёрдыми теплоносителями.
Песок
Финская компания Polar Night Energy формулирует свою миссию так: «Хранить энергию солнца и ветра в виде тепла в песке». Тот факт, что происхождение энергии не влияет на её потребительские качества, общеизвестен; наибольший интерес для нас представляет песок в качестве теплоносителя. В первом рабочем проекте, реализованном на местной электростанции Ватаянкоски в городе Канкаанпяа в Западной Финляндии, хранилище представляет собой установленный на поверхности земли стальной цилиндр диаметром четыре и высотой семь метров, в который засыпано сто тонн строительного песка. Сохраняемое в нём тепло используется для подогрева воды, поступающей в систему централизованного теплоснабжения Канкаанпяа. Прежде чем попасть в накопитель, вода проходит через систему охлаждения серверов дата-центра, расположенного здесь же на электростанции, нагреваясь примерно до 60 °C. Для подачи воды в теплосеть температуру необходимо довести, в зависимости от сезона и погоды, до 75-100 градусов.
Установка тепловой мощностью 100 кВт способна накапливать 8 МВт⋅ч энергии. По утверждению компании, максимальная ёмкость хранилища, которое можно построить с использованием предлагаемой технологии, - 20 ГВт⋅ч, а мощность можно довести до 100 МВт.
Ещё одну «песочную» систему хранения тепла под названием Magaldi Green Thermal Energy Storage недавно начала предлагать итальянская компания Magaldi, но о конкретных проектах она пока не сообщала. Как минимум две исследовательские группы - в Техническом университете Вены и в американской Национальной лаборатории возобновляемой энергетики (NREL) - ведут разработку собственных «песочных аккумуляторов» (в NREL создан прототип), а три года назад австралиец Дэвид Перри продемонстрировал видеоролик с концепцией энергоустановки на основе песка. Песок предполагалось раскалять с помощью параболических зеркал и использовать для генерации электроэнергии, но поддержки, необходимой для практической реализации замысла, Перри, по-видимому, не получил.
Щебень
Израильская компания Brenmiller Energy при финансовой поддержке итальянского энергогиганта Enel разработала комплекс bGen, соединяющий, как сказано на её сайте, хранилище тепловой энергии, теплообменник и парогенератор. Это заполненный щебнем контейнер со встроенными электронагревателями и трубами теплообменника. Нагревать щебень можно и от тех, и от других. Вода для генерации пара по мере необходимости подаётся в отдельный контур теплообменника; это может происходить одновременно с нагревом.
На сайте компании перечислены четыре реализованных проекта. На электростанции Enel комплекс bGen обеспечивает рекуперацию тепла отработанных газов и нагрев подпиточной воды. Аналогичный проект был выполнен по заказу Министерства обороны Израиля. На заводе бразильской компании Fortlev, производящей полимерные резервуары для воды и водопроводные трубы, bGen заряжается теплом от сжигаемого биотоплива и выдаёт горячий воздух, который поступает в технологические установки завода. Аккумуляция тепла помогает сжигать биотопливо более равномерно и экологично.
В рамках совместного проекта Brenmiller Energy и Нью-Йоркского управления электрификации комплексом bGen была дополнена мини-теплоэлектроцентраль университетского кампуса. Комплекс заряжается тепловой энергией отработанных газов турбины Capstone; также тепло поставляют электронагреватели, которые включаются, когда имеется избыточная мощность (её может вырабатывать турбина либо выдавать электросеть). Мини-ТЭЦ снабжает кампус горячей водой и электричеством (новость об этом проекте публиковалась на нашем сайте).
Бетонные блоки
Американский НИИ электроэнергетики (Electric Power Research Institute) в сотрудничестве с производителем систем хранения тепловой энергии Storworks, поставщиком энергоресурсов Southern Company и инжиниринговой компанией United, специализирующейся на строительстве энергетических объектов, реализует пилотный проект по развёртыванию накопителя тепловой энергии на основе бетонных блоков. Преимущества бетона - прочность, долговечность, дешевизна, высокая теплоёмкость и возможность придать ему любую заданную форму, в том числе форму блока с трубами внутри. Накопитель будет насчитывать 60 блоков массой по 18 тонн, способных запасать около 200 кВт·ч энергии, а суммарная его ёмкость составит 10 МВт·ч. В качестве площадки выбрана старая угольная электростанция в Гастоне (штат Алабама), принадлежащая региональному подразделению Southern Company.
Главная цель проекта - организовать интеграцию накопителя с угольной электростанцией и провести его тестирование в разных режимах, включая нагрев с помощью сверхкритического пара и производство пара высокого давления. Ожидается, что накопитель позволит ТЭС оперативно реагировать на запросы потребителей энергии, сохраняя стабильный рабочий режим парового котла.
Стальные слябы
Берлинский стартап Lumenion разработал тепловой накопитель Menion на основе стальных слябов. Металл нагревается энергией из возобновляемых источников во время её избытка до 650 °C и хранит тепло до 48 часов. С помощью паровой турбины в сеть возвращается не более 25% потраченной электроэнергии, но если конденсатор турбины будет подогревать воду для отопления или горячего водоснабжения, общая эффективность системы достигнет 95%. Накопитель рассчитан на сорокалетний срок службы при 150 циклах заряда-разряда в год. По окончании этого периода слябы можно будет заменить новыми, а старые - отправить на переплавку.
В лаборатории сетевого моделирования берлинского Университета прикладных наук фирма Lumenion установила тестовый образец накопителя Menion на 450 кВт·ч. В рамках совместного пилотного проекта Lumenion, шведского поставщика решений в сфере распределённой энергетики Vattenfall Energy Solutions и берлинской компании по управлению недвижимостью Gewobag в аэропорту Берлин-Тегель в 2018 году был установлен накопитель на 2,4 МВт·ч. В дальнейшем стартап планировал выпустить накопители на 40 и даже на 1400 МВт·ч, но сведений о них пока нет.
Читайте другие наши материалы
