Использование тепла для хранения возобновляемой энергии

Насосное тепловое хранилище электроэнергии преобразовывает электричество в тепло с помощью крупномасштабного теплового насоса. Далее это тепло хранится в разогретом материале, таком как вода или гравий, расположенном внутри изолированного резервуара

На данный момент наиболее предпочтительными вариантами генерации низкоуглеродной энергии в больших масштабах считаются ветер и солнце. Однако, несмотря на достигнутые за последние несколько лет усовершенствования технологий в отношении как производительности устройств, так и их стоимости, проблема нестабильности энергогенерации за счет возобновляемых источников не теряет своей актуальности.

Одним из основных решений этой проблемы являются крупномасштабные технологии хранения электроэнергии. Они функционируют в режиме накопления электричества, когда его предложение превышает спрос, а когда происходит обратное, расходуют запас, обеспечивая стабильность электроснабжения при пиковой нагрузке.

Такие технологии, как электрические аккумуляторы, не подходят для решения задач крупномасштабного аккумулирования энергии из-за высокой удельной стоимости хранения. В настоящее время более 99% [1] крупномасштабного накопления электричества реализовано за счет перемещения воды в гидроаккумулирующих электростанциях, когда ее перекачивают между двумя резервуарами насосами, а для повторного производства электроэнергии используют турбины. Однако, этот метод обладает некоторыми ограничениями, связанными, в том числе, с географическими особенностями местности.

Гидроаккумулирующая электростанция. ENERGY.GOV

Одним из перспективных вариантов хранения энергии является ее накопление методом преобразования электричества в тепло. Эта технология существует уже около десяти лет и в настоящее время испытывается на опытных установках для выработки технологических решений, которые, в итоге, приведут к ее успешной коммерциализации.

Насосное тепловое хранилище преобразовывает электричество в тепло с помощью крупномасштабного теплового насоса. Далее это тепло хранится в разогретом материале, таком как вода или гравий, расположенном внутри изолированного резервуара.

Тепло накапливается в двух больших газотвердых теплообменниках, называемых регенераторами, которые соединены с парой турбомашин (компрессор и турбина), образуя термодинамический цикл. В зависимости от направления потока теплоносителя этот цикл относится к типу «тепловой насос» при накоплении или «тепловой двигатель» [2] в случае расходования энергии.

Преобразование электричества в тепло, которое затем хранится в горячем и холодном резервуарах, происходит в центральном контуре. Pau Farres Antunez, Author provided

Известные технологии

Насосное тепловое хранилище электроэнергии имеет много преимуществ. Используемые в нем процессы преобразования энергетических ресурсов в основном зависят от традиционных технологий и компонентов, таких как теплообменники, компрессоры, турбины и электрические генераторы, которые уже сейчас широко применяются в энергетической и перерабатывающей промышленности. Это впоследствии сократит время, необходимое для проектирования и строительства накопительного теплового хранилища большого размера.

Резервуары для хранения могут быть заполнены распространенными и недорогими материалами, такими как гравий, расплавленные соли или вода. И в отличие от электроаккумуляторов, эти материалы не представляют угрозы для окружающей среды.

Большие емкости с расплавленной солью успешно использовались в течение многих лет на солнечных электростанциях башенного типа, представляющих собой технологию получения возобновляемой энергии, которая в течение последнего десятилетия показывала интенсивный рост.

Солнечная электростанция башенного типа. National Renewable Energy Lab, CC BY-NC-ND

Башенная солнечная электростанция и аккумулятор в виде теплового хранилища электроэнергии имеют много общего. Однако, в то время как первые вырабатывают электроэнергию, накапливая только солнечный свет в виде тепла (а затем преобразуют его в электричество), тепловое хранилище может использовать любой источник - солнечный, ветровой или даже ядерную энергию, среди прочих.

Простота развертывания и компактность

Насосные тепловые электростанции могут располагаться независимо от их географического положения. Например, гидроэлектростанция требует гор и долин, где можно обустроить значительного объема водохранилища. Хранение энергии за счет сжатия воздуха нуждается в больших подземных резервуарах и горных пещерах.

Тепловое хранилище имеет более высокую плотность энергии, чем ее содержится в наполненном водой гидросооружении. Это означает, что для данного запасенного количества энергии требуется меньше места, поэтому воздействие на окружающую среду будет существенно ниже.

Емкости с расплавленной солью для хранения тепловой энергии на солнечной электростанции. Abengoa

Долговечность эксплуатации

Срок службы компонентов теплового хранилища электроэнергии исчисляется десятилетиями. С другой стороны, электрические батареи со временем разлагаются и требуют замены каждые несколько лет. Большинство аккумуляторов электромобилей обычно рассчитаны на пять-восемь лет эксплуатации.

Однако несмотря на то, что есть много вещей, которые делают накопительное тепловое хранение подходящим для крупномасштабного применения, у него есть свои существенные недостатки. И возможно, самым большим из них является относительно скромная его эффективность. Большинство тепловых систем хранения энергии стремятся к эффективности 50-70%. Для сравнения этот показатель у литий-ионных батарей достигает 80-90% или 70-85% у насосных гидросооружений.

В настоящее время в мире уже существуют действующие, реальные образцы подобных систем.

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.06.097

2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032116307341

Источник: The Conversation