Что такое аккумулирование тепловой энергии?

Хранение тепловой энергии (TES) — это технология, которая позволяет хранить и выделять тепло или холод в более позднее время. TES может использоваться для балансирования спроса и предложения энергии, особенно из возобновляемых источников, таких как солнечный и ветер, которые являются прерывистыми и переменными. TES также может повысить энергоэффективность зданий, промышленных предприятий и электростанций за счет снижения пиковой нагрузки и повышения производительности систем отопления и охлаждения. TES может помочь сократить выбросы парниковых газов, снизить затраты на электроэнергию и повысить надежность и устойчивость энергетических систем.

TES имеет множество применений в различных секторах и регионах, таких как:

• Отопление и охлаждение зданий с использованием сезонных или суточных ТЭС.
• Производство электроэнергии с использованием концентрированной солнечной энергии (CSP) или комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ)
• Промышленные процессы с использованием рекуперации отходящего тепла или интеграции технологического тепла
• Транспортировка с использованием холодильного склада для продуктов питания или хранения льда для кондиционирования воздуха.
• Сельское хозяйство с использованием тепличного отопления или сушки урожая.

В этом сообщении блога мы рассмотрим различные типы TES, их преимущества и недостатки, а также некоторые примеры материалов и технологий, используемых для каждого типа. Мы также обсудим потенциал и проблемы ТЭС для будущего энергетических систем.

Виды хранения тепловой энергии

TES можно разделить на три категории в зависимости от способа хранения и выделения тепла: явное тепло, скрытое тепло и термохимическое накопление тепла.

• Явное накопление тепла — наиболее распространенный и простой тип ТЭС, в котором тепло сохраняется за счет повышения или понижения температуры жидкой или твердой среды, такой как вода, расплавленные соли, металлы или камни. Количество запасаемого тепла зависит от массы, удельной теплоемкости и разницы температур среды. Явное накопление тепла имеет низкую емкость, но высокую эффективность, низкую стоимость и высокую безопасность.
• Скрытое накопление тепла — это более совершенный тип ТЭС, в котором тепло сохраняется за счет изменения фазы материала, например плавления, замерзания, испарения или конденсации. Этот материал называется материалом с фазовым переходом (PCM). Количество накопленного тепла зависит от массы, скрытого тепла и температуры фазового перехода ПКМ. Аккумулирование скрытого тепла имеет высокую аккумулирующую способность, но низкую эффективность, высокую стоимость и низкую безопасность.
• Термохимическое аккумулирование тепла — самый новый и сложный тип ТЭС, при котором тепло сохраняется за счет разрыва или образования химических связей в обратимых реакциях, таких как гидратация, дегидратация, окисление или восстановление. Этот материал называется термохимическим материалом (ТХМ). Количество запасаемого тепла зависит от массы, энтальпии и константы равновесия реакции. Термохимическое аккумулирование тепла имеет очень высокую аккумулирующую способность, но очень низкую эффективность, очень высокую стоимость и очень низкую безопасность.

В следующих разделах мы обсудим каждый тип ТЭС более подробно и приведем несколько примеров материалов и технологий, используемых для каждого типа.

!Разумное сохранение тепла)

Разумное сохранение тепла

Явное накопление тепла является наиболее широко используемым типом ТЭС, поскольку оно просто, надежно и экономично. Принцип явного аккумулирования тепла заключается в сохранении тепла за счет повышения или понижения температуры жидкой или твердой среды без изменения ее фазы. Выделить тепло можно, обратив процесс вспять, т. е. уменьшив или повысив температуру среды.

Наиболее распространенным и широко используемым вариантом явного хранения тепла являются резервуары для воды, в которых можно хранить горячую или холодную воду для целей отопления или охлаждения. Резервуары для воды можно разделить на два типа: стратифицированные и смешанные. В резервуарах со стратифицированной водой слой горячей воды находится поверх слоя холодной воды, разделенного термоклином. Резервуары со смешанной водой имеют одинаковую температуру по всему резервуару, что достигается за счет перемешивания или перекачивания воды. Резервуары со стратифицированной водой имеют более высокую вместимость и эффективность, чем резервуары со смешанной водой, но они требуют более тщательной конструкции и эксплуатации для поддержания стратификации.

Некоторыми альтернативными вариантами хранения явного тепла являются расплавленные соли, металлы или подземное хранилище тепловой энергии (UTES). Расплавленные соли — это смеси солей, которые плавятся при высоких температурах, например нитрат натрия и нитрат калия. Они могут хранить тепло при температуре до 600°C и используются в установках CSP. Металлы — это материалы, которые обладают высокой теплопроводностью и удельной теплоемкостью, например алюминий, медь или сталь. Они могут хранить тепло при температуре до 1000°C и используются в промышленных процессах. UTES — это метод хранения тепла в земле с использованием скважин, водоносных горизонтов или пещер. Он способен хранить тепло при температуре до 90°С и используется для сезонного отопления и охлаждения зданий.

!Скрытое накопление тепла)

Скрытое накопление тепла

Аккумулирование скрытого тепла — это более совершенный тип ТЭС, поскольку он может хранить больше тепла в меньшем объеме и при постоянной температуре. Принцип хранения скрытого тепла заключается в сохранении тепла путем изменения фазы материала, например плавления, замерзания, испарения или конденсации. Этот материал называется материалом с фазовым переходом (PCM). Тепло можно высвободить, обратив процесс вспять, т. е. изменив фазу материала обратно в исходное состояние.

Основными проблемами и возможностями использования PCM для TES являются:

• Поиск подходящих ПКМ с высоким содержанием скрытой теплоты, низкой стоимостью, высокой стабильностью и низким воздействием на окружающую среду.
• Повышение теплопроводности и теплопередачи ПКМ, которые обычно низкие и медленные.
• Интеграция PCM с другими компонентами и системами, такими как теплообменники, трубы, насосы или контейнеры.

Некоторые примеры типов и приложений PCM:

• Лед представляет собой ПКМ, который замерзает и тает при температуре 0°C, а его скрытая теплота составляет 334 кДж/кг. Его можно использовать для холодильного хранения или кондиционирования воздуха с использованием резервуаров для льда, ледяной суспензии или систем льда на змеевике.
• Парафин представляет собой ПКМ, который плавится и затвердевает при различных температурах в зависимости от длины углеродной цепи и имеет скрытую теплоту 200-250 кДж/кг. Его можно использовать для нагрева или охлаждения с помощью парафиновых капсул, панелей или трубок.
• Гидраты солей представляют собой ПКМ, которые дегидратируются и гидратируются при различных температурах в зависимости от типа и состава соли и имеют скрытую теплоту 250-500 кДж/кг. Их можно использовать для отопления или охлаждения с использованием композитов на основе гидратов солей, гранул или кирпичей.

!Термохимическое хранение тепла)

Термохимическое хранение тепла

Термохимическое аккумулирование тепла является наиболее новым и сложным типом ТЭС, поскольку оно может хранить очень большое количество тепла в течение очень длительных периодов времени без каких-либо тепловых потерь. Принцип термохимического хранения тепла заключается в сохранении тепла путем разрыва или образования химических связей в обратимых реакциях, таких как гидратация, дегидратация, окисление или восстановление. Этот материал называется термохимическим материалом (ТХМ). Тепло можно выделить путем обращения реакции, т. е. образования или разрыва химических связей.

Основными преимуществами и ограничениями использования термохимического хранилища для ТЭС являются:

• Очень высокая аккумулирующая способность и плотность, поскольку тепло сохраняется в виде химической энергии, которая намного превышает тепловую энергию.
• Очень низкие тепловые потери, так как тепло сохраняется в виде стабильных и инертных химических продуктов.
• Очень высокая температура хранения, так как тепло выделяется в результате экзотермических реакций, которые могут достигать 1000°C.
• Очень низкий КПД и мощность, поскольку тепло выделяется в результате медленных и сложных реакций, требующих катализаторов и реакторов.
• Очень высокая стоимость и риск, поскольку материалы и технологии дороги и опасны.

Некоторые примеры термохимических систем хранения и материалов:

• Гидриды металлов – это ТКМ, которые поглощают и выделяют водород при различных температурах и давлениях в зависимости от типа и состава металла и имеют энтальпию 20–200 кДж/моль. Их можно использовать для нагрева или охлаждения с использованием слоев гидрида металла, реакторов или резервуаров.
• Сорбция — это процесс, который включает адсорбцию или поглощение газа или жидкости твердым веществом или жидкостью, например водой, цеолитами или солями. Он может хранить тепло при различных температурах и давлениях в зависимости от типа и концентрации сорбента и сорбата и имеет энтальпию 50-500 кДж/кг. Его можно использовать для отопления или охлаждения с помощью сорбционных охладителей, тепловых насосов или модулей.
• Синтез метанола — это реакция, в ходе которой углекислый газ и водород превращаются в метанол и воду, и наоборот. Он может хранить тепло при температуре 200–300°C и давлении 50–100 бар, а его энтальпия составляет 90 кДж/моль. Его можно использовать для выработки электроэнергии с помощью реакторов синтеза метанола, турбин или топливных элементов.

Заключение

В этом сообщении блога мы узнали о различных типах TES, их преимуществах и недостатках, а также о некоторых примерах материалов и технологий, используемых для каждого типа. Мы также обсудили потенциал и проблемы ТЭС для будущего энергетических систем.

TES — это многообещающая технология, которая может помочь достичь устойчивого, чистого энергетического будущего, позволяя интегрировать возобновляемые источники энергии, повышая энергоэффективность зданий, производств и электростанций, а также сокращая выбросы парниковых газов, затраты на энергию и вопросы надежности и устойчивости энергосистем.

Однако TES также сталкивается со многими техническими, экономическими и социальными барьерами, такими как отсутствие стандартизации, регулирования и осведомленности, высокие первоначальные инвестиции и эксплуатационные затраты, а также риски для безопасности и окружающей среды. Поэтому для преодоления этих проблем и содействия принятию и распространению TES необходимы дополнительные исследования и разработки, демонстрация и внедрение, а также политическая и рыночная поддержка.