Накопитель тепла: Накопитель тепла в системе отопления – как работает, какие дает преимущества?

Содержание

Тепловой аккумулятор – зачем нужен отопительной системе

Тепловой аккумулятор, узаконенный законодательством ряда стран, продолжает оставаться диковинкой в России. Правда, эксперты отопительной отрасли, реабилитируя местный тренд, констатируют: последние годы популярность буферной емкости заметно подросла.

Как он работает

Теплоаккумулятор подобен электрическому собрату – перехватывает излишки тепла, генерируемые источником, чтобы возвратить калории после остановки источника. Понятно, использовать тепловую буферную емкость рационально с периодически действующими котлами, колонками, другими теплогенерирующими устройствами. Среди таковых:
- большинство твердотопливных котлов, столь любимых россиянами, частью зарубежных обывателей;
- все солнечные коллекторы, стремительно распространяющиеся по югу РФ.

Небольшое пояснение: угольный, древесный котел греет, пока горит, а солнечный бесполезен ночью.

Электрические котлы, аккумуляторы тепла, подчеркивают эксперты, становятся привлекательней на фоне дифференцированных посуточно тарифов энергетиков. Накапливать тепло выгодней ночью при дешевом тарифе. Двукратная разница ценника, например, сулит существенную экономию бюджета – владелец может запрограммировать электрокотел исключительно на ночное электропотребление.

Несколько котлов – один теплоаккумулятор

Подобная схема, объединяющая линейку источников тепла, весьма выгодна. Например, владелец, задумав удешевить теплогенерирующий цикл, применяет твердотопливный котел, работающий ночью, а дневная выработка тепла поддерживается солнечными батареями.

Программируя тандем на минимизацию затрат, можно сэкономить деньги, переключая «автоматом» систему отопления с одного источника на другой. Единственное замечание РЕГЛВЕНТ: выбирая аккумулятор, следует подобрать гаджет, обладающий нужным функционалом.

Эксперты обращают внимание: отечественные производителю, чувствующие сигналы рынка, уже выпускают теплоаккумуляторы под местные климатические особенности, технические нюансы.

«Теплобуферная емкость – твердотопливный котел»

Россияне предпочитают сочетать теплоаккумуляторы с угольными, древесными котлами. Для таких систем выгодный режим – полное энергичное выгорание топлива, дающее максимальную выработку тепла. Медленное горение чревато образованием вредных газов, веществ, засоряющих дымоходы, теплообменники. Экономические показатели медленного горения также ниже.

Понятно, подобный режим приносит максимум тепла за минимум времени – затем котел гаснет, температура дома падает. Конечно, можно подсыпать угля, подложить дровец, а нагнав температуру, отрегулировать комфорт форточкой. Эффективнее все-таки приобрести аккумулятор тепла, утилизирующий избытки калорий.

Модернизированная система отопления выглядит так: имеется котел, тепловой контур системы, проходящий через буферную емкость. На максимальной теплопроизводительности аккумулятор отбирает часть тепла. После выгорания топлива датчики, фиксирующие температуру домашнего воздуха, подают сигнал, включающий циркуляционный насос. Последний инициирует переток горячего теплоносителя из аккумулятора в отопительную систему.

Повысившаяся температура воздуха через датчики останавливает насос, прекращая теплоотдачу аккумулятором. Температура теплоносителя «буфера» несколько снижается. Российские производители применяют высококлассную теплоизоляцию баков аккумуляторов – вода буферных емкостей остывает медленно. Описанный цикл будет реализовываться автоматикой до полного выравнивания температур теплоносителя системы «отопление – теплоаккумулятор».

Новости рынка

Недавно шведские ученые, занимающиеся разработкой эффективных аккумуляторов тепла, совершили прорывное открытие – разработали технологию молекулярной консервации тепла. Основа новинки – вещество, содержащее водород, углерод, азот. Уникальная структура, поглощая фотоны, меняет взаимное положение молекул исходника, запасая энергию. Возникший изомер хранить тепло пару десятков лет.

Вещество – жидкое, хранится при комнатной температуре. Энергия выделяется, когда изомер пропускают через катализатор. Возвращая исходное состояние, изомер разогревается до 80°, если изначальная температура была 20°.

«Зеленое отопление», пояснили шведы, реализуется тандемом «солнечные панели – новое вещество». Основная часть калорий запасается жарким летом, расходоваться тепловыделяющий потенциал будет зимой.

Единственный минус – жидкость реализована, как компьютерная модель. Промышленная установка синтеза вещества – вопрос десяти лет. Пока ученые пытаются довести температуру теплогенерации до 110°, попутно снижая горючесть.

Опередили шведов американцы МТИ, создавшие вещество, напоминающее пластик, и двухсоткратнопревосходящее теплоемкостью воду. Новинка тоже меняет конфигурацию молекулярной решетки, запасая тепло. Назвали аккумулирующее средство AzoPMA, зафиксировав сокращением присутствие азобензола. Возвращение тепла инициируется световым воздействием. Время «консервации калорий» американцы не огласили, ограничившись фразой: «очень долго хранит тепло». Американским «пластиком» можно покрывать крыши коттеджей, шоссейные дороги.

Продолжение

Буферные накопители тепла | Профбак

Буферная емкость или теплонакопитель представляет собой цилиндрический герметичный бак работающий при избыточном давлении от 2 до 6 бар, покрытый теплоизоляцией. По сути это большой термос, который накапливает и сохраняет поступившее тепло от отопительного прибора, для дальнейшей отдачи его в систему отопления в течении определенного времени.

Принцип работы отопительной системы с твердотопливным котлом и баком накопителем.

Допустим Вам необходимо отопить дом площадью 180-220 кв. м. В летнее время температура (+ 20-23 гр. С. — считается самая комфортная ) в доме и на улице одинакова, т.е, теплопотери равны нулю. С сезонным уменьшение температуры, дом начинает терять тепло. При понижении температуры в среднем на 5 гр. С. потери оставляют около 2 кВт, т.е при +10 гр.С теплопотери составляют 4 кВт, при 0 гр. С. 8 кВт, а при -25-30 гр. С. потери тепла составят в среднем уже 18-20 кВт. И для компенсирования этих потерь тепла нам необходим отопительный котел мощностью 20 кВт, а лучше с запасом до 30 кВт (для холодной зимы в зависимости от региона). Если сравнивать газовый (управлять мощностью которого очень легко, так сказать одной рукой) и твердотопливный котел, то становится очевидным, что управление мощностью последнего сводится к двум режимам. Первое дрова либо горят (максимальная мощность , т.е 20 квт), либо уже сгорели (минимальная мощность 0 кВт). Конечно можно управлять подачей кислорода, закрыв заслонку, и снизив интенсивного сгорания дров, но на эффективность котла это особо не скажется, поэтому допускаем выдаваемую мощность котла около 15 кВт. А теперь вообразим, что зима закончилась и началась ранняя весна с температурой «за бортом» +0 гр. С. Котел выдает на минимуме 15 кВт, теплопотери составляют 8 кВт, и у нас получаются лишние 7 кВт, дом перегревается, мы открываем форточки, сквозняк и т. д. И не топить нельзя, тогда будет холодно. В итоге получается, что дров мы сжигаем на 15 кВт, т.е в два раза больше, чем необходимо. Назревает вопрос — что делать с избыточным теплом?. Так или иначе, но мы имеем ПЕРЕГРЕТЫЕ радиаторы или ПЕРЕГРЕТЫЙ котел со всей системой. Не очень комфортная ситуация. А если мы поставим между котлом и радиаторами буферный накопитель, то вопрос с избытком тепла легко решается, оно просто уходит на нагрев воды или теплоносителя в самой емкости. Более того, при установки в отопительную систему аккумулирующего бака мы получаем еще несколько дополнительных плюсов.

1. Автоматизация контроля безопасности и снижение температурной нагрузке на все отопительную систему, что увеличивает срок ее службы и сводит к минимуму мелкие аварии или протечки системы.

2. Увеличивается КПД самого котла до 85%, что также ведет к увеличению срока службы и более правильной работы отопительного прибора.

3. Возможность работы буферной емкости не только как температурный, но и как гидравлический распределитель («гидрострелка») или коллекторная группа (при дополнительной группе патрубков).

4. При установке на буферный бак нагревательных элементов ( ТЭНов) возможно комбинировать систему нагрева ( например днем твердотопливный котел, ночью – ТЭНы). При двухтарифных счетчиков (день-ночь) такая система наиболее эффективна, т.к позволяет существенно снизить затраты. Также нагрев емкости посредством ТЭНов наиболее комфортен и экономически обоснован в период весной-осенью, или холодным летом.

5. При возможности купить буферную емкость с теплообменником клиент получает возможность разделить контуры отопления, например с возможностью добавления контура с антифризом. Очень удобно, если планируется помимо радиаторного отопления использовать еще «теплый пол».

6. При покупке теплоаккумулятора с несколькими теплообменниками, Вы получаете возможность подключить в единую отопительную систему дополнительные источники тепла, такие как тепловой насос или солнечный коллектор, электрический или другой котел, печь-камин и т.д. и замкнуть управление всей отопительной системе на саму буферную емкость ( конечно при грамотном подборе необходимой автоматики).

К недостаткам аккумулирующих баков накопителей можно отнести его недешевую стоимость, а также ВЕС и ГАБАРИТЫ самой емкости. При проектировании новых систем, это обязательно должно учитываться. А при уже существующем доме нужно отталкиваться от размеров дверных проемов.

Поэтому ТЕПЛОАККУМУЛЯТОРЫ марки «ПРОФБАК» это идеальное решение вопроса при выборе и покупки буферной емкости. При средней стоимости бака, изготовленного из нержавеющей «немагнитной» стали 304 (12Х18Н10-пищевая), Вы получаете очень надежное и долговечное оборудование с минимальным весом и обсуждаемыми габаритами емкости, необходимой комплектацией и подходящими диаметрами, расположением и количеством резьбовых или фланцевых соединений. Например самая популярная модель теплоаккумулятор «Профбак» серии ТА 750 ВС, объем 750 литров имеет вес 99 кг (без воды), диаметр 796 мм и высоту 1500 мм ( без изоляции), что позволяет без особых осложнений внести его через проем от 800 мм и высотой потолка 1800 мм. Объем 750-1000 литров это самый оптимальный объем при выборе буферного бака исходя из мощности котла 20-30 кВт (грубый расчет 30-50 литров на 1 кВт мощности котла). Более точный расчет объема буферной емкости специалисты компании ООО «ПрофТех» готовы произвести бесплатно в минимальные сроки с возможностью выезда при необходимости на объект заказчика.

 

		
	

накопитель остаточного тепла | BMW Club

Накопитель остаточного тепла (LWS) дает возможность быстрого обогрева салона или двигателя с помощью специального теплового аккумулятора и дополнительной водяной помпы большего размера.

Он автоматически включается при повороте ключа зажигания в положение 1 и заполняется охлаждающей жидкостью, нагретой двигателем, при этом процесс активизации клапанов зависит от следующих режимов:

Рабочие режимы накопителя остаточного тепла:

Накопитель остаточного тепла выключен:
При отсутствии необходимости обогрева салона или температуре двигателя < 45 o C и температуре LWS < 30 o C происходит выключение накопителя остаточного тепла. Переключающий клапан открыт (обесточен), запорный клапан закрыт (запитан).

Обогрев салона теплом двигателя:
При остановленном двигателе, температуре двигателя > 45 o C и продолжительности такта водяных клапанов > 0% происходит обогрев салона теплом двигателя. Переключающий клапан открыт (обесточен), запорный клапан закрыт (запитан).
При работающем двигателе и температуре LWS ниже температуры двигателя и при температуре двигателя ниже 70 o C происходит обогрев салона теплом двигателя. Переключающий клапан открыт (обесточен), запорный клапан закрыт (запитан).

Обогрев салона накопителем остаточного тепла:
при температуре LWS > 30 o C, температуре двигателя < 45 o C и продолжительности такта водяных клапанов > 0% происходит обогрев салона накопителем остаточного тепла. Переключающий и запорный клапаны закрыты (оба запитаны).

Обогрев двигателя накопителем остаточного тепла:
При температуре LWS > 30 o C, температуре двигателя ниже температуры LWS и продолжительности такта водяных клапанов = 0% происходит обогрев двигателя накопителем остаточного тепла. Переключающий и запорный клапаны открыты (оба обесточены).

Обогрев накопителя остаточного тепла двигателем:
При температуре двигателя > 70 o C, температуре LWS ниже температуры двигателя и продолжительности такта водяных клапанов = 0% происходит обогрев накопителя остаточного тепла двигателем. Переключающий и запорный клапаны открыты (оба обесточены).
При продолжительности такта водяных клапанов > 0% переключающий клапан открыт (обесточен), а запорный клапан закрыт (запитан).

Включение дополнительной водяной помпы в режиме работы накопителя остаточного тепла происходит:

При положении 0 ключа зажигания (автономная вентиляция/ режим использования остаточного тепла), при положении 1 или 2 и продолжительности такта водяных клапанов слева или справа > 0%

При активизированном режиме обогрева LWS

Выключение дополнительной водяной помпы в режиме работы накопителя остаточного тепла происходит:

Положение ключа зажигания 0

При продолжительности такта водяных клапанов слева или справа = 0%

При температуре LWS > 85 o C

Достали Вы уже - ухожу в оппозицию.

 

Что такое тепловой аккумулятор и где он нужен

 

 

Если говорить простыми словами, то теплоаккумулятор – это обыкновенный термос или буферная емкость, которая умеет накапливать тепло и сохранять его, что позволяет отопительной системе работать более эффективно. Кроме этого, буфер не только сберегает тепло и своевременно его отдает, но и может служить источником горячей воды для бытовых нужд, а также способствует увеличению общего срока службы любой системы отопления в том или ином помещении. Экономия ресурсов с применением тепловых аккумуляторов достигает 30%.

Чаще всего тепловые накопители используются в системах с твердотопливными котлами. Когда отопительная система работает на полную мощность, избыточное тепло активно аккумулируется в емкости. Когда же топливо полностью прогорело, то вода в системе отопления продолжает циркулировать, отбирая сохраненное тепло постепенно, и происходит дополнительный обогрев помещения.

Также теплоаккумуляторы используются в паре с котлом, работающим от электричества, что заметно снижает затраты на электроэнергию, потому что накопитель включается на всю мощность в ночное время суток, когда расходный тариф намного ниже, а днем котел выключен, помещение обогревается за счет того тепла, которое накопилось ночью.

Для котлов отопления с газовой системой применяются теплоаккумуляторы, которые могут попеременно работать в паре, то есть по очереди используется то котел, то накопитель. Это дает возможность значительно экономить расход газа, потому что горелка зажигается в таком случае намного реже.

Стоит отметить, что тепловые аккумуляторы для котлов с твердотопливным ресурсом могут работать еще эффективнее, если имеется газогенератор.

Но не всегда накопитель тепла нужен. В некоторых ситуациях он может быть и лишним, например, в системах, где нужен быстрый или совсем недолгий нагрев. В этом случае инерционность тепла в системе будет только мешать. Ведь если тепло поступает на технологическое оборудование, то процесс регулировки режима температур будет значительно затруднен.

Учитывая все вышеперечисленные нюансы, не нужно заниматься установкой в своей системе отопления теплового аккумулятора самостоятельно. Это должен делать профессионал, то есть специалист, который сможет правильно рассчитать функциональность, объем, вид, мощность агрегата, уровень его расположения и особенности подключения.

Новый накопитель тепла на основе парафинов позволит сократить потребление энергии в жилых домах

  • Автор: Елена
  • 29.09.2014, 10:51

Тепловое аккумулирование энергии является общей стратегией повышения энергоэффективности на производствах, путем сокращения потребления энергии в часы пиковых нагрузок. Но накопители тепловой энергии могут оказаться полезными и в жилом секторе, где тепло и электроэнергия генерируются одновременно (например, от крышной солнечной установки), но могут быть использованы в разные временные промежутки.

Для хранения тепла традиционно используются резервуары с водой. Водяные системы хранения тепловой энергии достаточно эффективны и недороги. Но для достижения значительной аккумуляции тепла необходимы большие по объему резервуары, что ограничивает интеграцию таких систем в жилые дома, не обладающих дополнительным пространством для их установки. А недавно исследовательская группа ENEDI, образованная университетом страны Басков (UPV/EHU), Испания, разработала прототип накопителя тепловой энергии, который занимает на 50% меньше места, чем водяная система хранения тепловой энергии. Он имеет призматическую форму и легко интегрируется в здания, предлагая оптимальное использование пространства. Более того, благодаря модульности конструкции, дизайн накопителя может быть легко изменен.

Новая система основана на использовании материалов с фазовым переходом, известных как PCM, которые используют тепло для перехода из одного фазового состояния в другое. При этом они аккумулируют большое количество энергии. Прототип использует коммерческий парафин, который тает в пределах 60 ° С. Этот материал очень стабилен и имеет длительный срок службы, отмечают исследователи.

Парафин инкапсулирован в алюминиевые пластины. В накопителе между этими пластинами располагаются узкие каналы, по которым циркулирует жидкость (вода). При прохождении по каналам горячей воды парафин тает, аккумулируя тепловую энергию. А когда по каналам течет холодная вода, парафин затвердевает, отдавая тепло.

Одним из весомых преимуществ данной системы является ее компактность. Накопители настолько тонкие, что их можно установить в любом месте в комнате, даже внутри подвесного потолка.

В настоящее время исследователи строят полномасштабный прототип системы, который будет интегрирован в экспериментальный объект в лаборатории по контролю качества строительства (LCCE) для изучения эффективности устройства в реальных рабочих условиях.

Подписывайтесь на канал «Взавтра.Net» в Яндекс Дзен,
чтобы узнавать о новостях первыми.

Понравилась новость, поделись ей с друзьями:

Преимущество и назначение накопителей тепла RBB

Для кого предназначен накопитель тепла RBB?

Для пользователей котлов, сжигающих дерево и другие виды твердого топлива, к сожалению, это топливо необходимо подавать в топку вручную и при том довольно часто. Поэтому, благодаря установке накопителя, можно снизить затруднительность обслуживания такого котла путем продления интервала между очередными подачами, а также оптимально использовать обогревательную мощность котла, когда он работает на 100% своих возможностей.

Другими получателями, заинтересованными накоплением и хранением тепла могут быть владельцы электрических котлов - используя более дешевый ночной тариф, котел заряжает накопитель, который во время дневного тарифа отдает накопленное тепло в систему отопления. Требуемый объем тепла (преимущественно 2 -6 тыс. литров - величина, зависящая от периода действия ночного тарифа и мощности котла, а также потребности здания в тепле), можно получить, создавая батарею из накопителей тепла, спаренных между собой в цепочечном подключении. 

 

Каковы преимущества использования накопителя тепла?

  1. Экономия – самая ощутимая (примерно 20-30%) в системах с котлами на твердые виды топлива с ручным пополнением. Накопитель хранит избыток энергии, выработанной котлом и, таким образом, предотвращает перегрев здания, а также потерю энергии (в случае отсутствия накопителя избыток энергии, непринятый обогревательной системой здания, уходит через дымоход в атмосферу).
  2. Дополнительно накопленная энергия передается в систему после угасания котла, что  увеличивает интервал между топками котла.
  3. Накопитель обеспечивает беспроблемную работу котла в условиях переходных температур (осень, весна).
  4. Охрана окружающей среды. Обычно котел, "замечая", что вода в системе слишком разогрета, ограничивает количество поставляемого воздуха в камеру сгорания, что вызывает уменьшение тепловой мощности, но также и явление неполного сгорания. Результатом этого является довольно высокое содержание горючих субстанций в выхлопных газах: окись угля токсична, а не сгоревшие смолистые субстанции способствуют осаждению сажи в дымоходе. Использование накопителя RBB исключает эту проблему.
  5. Вместо того, чтобы "принуждать" котел к работе в течение всех суток при ограниченной производительности, накопитель позволяет ему работать более короткое время, но с большей мощностью. Благодаря этому увеличивается эффективность сгорания топлива в котле, что непосредственно способствует меньшему потреблению топлива. Это ведет к снижению расходов на отопление здания, а также продлевает жизнеспособность котла. 

Накопитель тепловой энергии твердотопливного котла

Запас карман не тянет

Современный твердотопливный котел способен проработать несколько часов на одной порции загруженного топлива. Некоторые модели работают и по 12 часов.

 

В таких моделях применяется особый принцип нижнего горения, при котором воздух к топливу подается как снизу, так и с боков. Что делает процесс горения более плавным и повышает КПД. Кроме того, можно регулировать мощность, для этого следует установить терморегулятор на необходимое значение температуры котловой воды.

Настройка скорости сгорания (мощности) осуществляется регулировкой (увеличением или снижением) величины притока воздуха путём приподнимания или опускания воздушной заслонки.

Наибольшее распространение получили твердотопливные котлы мощностью 15-45 кВт, которые способны обеспечить теплом основную массу потребителей, жилых домов или других зданий площадью 50-400 м2. Например, для отопления дома размером порядка 100 м2 потребуется котел с диапазоном мощности 10-15 кВт, который будет сжигать около 2,5-4 кг твёрдого топлива в час. На 150 м2 уже понадобится котел с диапазоном мощности 15-25 кВт. И так далее. Конечно, существуют и более мощные агрегаты, но применяются реже.

 

Накопление энергии от твердотопливного котла

Во всем нам привычной классической системе отопления тепло от котла поступает напрямую к радиаторам. Прямоточная система имеет низкую эффективность, а значит дорога в эксплуатации. Она является практически нерегулируемой и не автоматизируемой, а сам процесс отопления носит скачкообразный характер.

По мере работы котла теплоноситель и вся система разогреваются до максимальной температуры, при этом избыток тепла просто бесцельно теряется. Когда топливо сгорает, вода остывает и требуется новый цикл. Подобное устройство требует постоянного внимания человека, ведь необходимо так контролировать процесс горения, чтобы с одной стороны не допустить перегрева теплоносителя и, в то же время, обеспечить дом необходимым теплом.

Поскольку за счёт высокой инерционности твердотопливного котла его работу, даже в случае перегрева, невозможно быстро прервать, для защиты самого котла и всей системы используют особую схему. Прежде чем попасть в трубы отопления, теплоноситель проходит через специальный теплообменник и в случае перегрева котла охлаждается в нём холодной водой из водопровода.

Для снижения нерациональных потерь тепла и сокращения количества загрузок топливом совместно с твердотопливным котлом можно использовать аккумулятор «избыточной» тепловой энергии. Это ни что иное, как накопительную ёмкость большого размера с высокоэффективной теплоизоляцией, своеобразный огромный «термос». Работа аккумулирующего бака проста и базируется на физическом принципе, что горячая вода легче холодной. Горячая вода из котла поступает в верхнюю часть бака, холодная в нижнюю. Чтобы этот процесс функционировал как положено, между слоем горячей и слоем холодной водой остаётся резкая граница.

Такой бак автоматически накапливает производимую котлом тепловую энергию, сохраняя её после и после сгорания топлива, а затем отдаёт в систему отопления. Таким образом, цикл отопления становится более мягким, гибким и эффективным. Подобная система достаточно экономична и позволяет достичь максимального комфорта. При переходе с прямоточной системы на систему с теплоаккумулятором существенное снижение затрат на топливо ощущается сразу.

Путём установки большого аккумулятора и котла с запасом по мощности интервал между загрузками топлива можно значительно увеличить. Технически комбинацию котёл / теплоаккумулятор можно подобрать для любых условий эксплуатации. Например, чтобы топить один раз в сутки, ещё реже также возможно, но не рентабельно.

Однако наличие аккумулирующего бака желательна в любом случае (особенно для стального котла). Это позволяет повысить эффективность работы, избежать перегрева котла и системы отопления, отказаться от внешних элементов защиты от перегрева. К тому же теплоаккумулятор позволяет контролировать минимальную температуру теплоносителя в обратном трубопроводе, которая, например, для стального котла должна быть не менее 65°С. Падение температуры ниже допустимого уровня приведет к выпадению конденсата внутри котла и преждевременному выходу его из строя.

Начало: Твердотопливные отопительные котлы Окончание: Современный дымоход

 

Накопление тепла - обзор

Накопитель тепловой энергии для систем CSP

Накопитель тепловой энергии передает тепло носителям хранения во время периода зарядки и высвобождает его на более позднем этапе на этапе разрядки. Его можно успешно применять на солнечных тепловых электростанциях или в промышленных процессах, таких как металлургические преобразования. CSP уникален среди технологий возобновляемых источников энергии, поскольку, несмотря на то, что он изменчив, как солнечные фотоэлектрические и ветровые, его можно легко сочетать с TES, а также с традиционными видами топлива, что делает его очень управляемым.Системы CSP без TES обычно ограничены коэффициентом мощности около 25% из-за суточного солнечного цикла и погоды (Purohit et al., 2016). Коэффициенты мощности для заводов CSP варьируются от 25% до 75%, в зависимости от конструкции и внедрения TES. Нижний предел диапазона коэффициента мощности относится к системам без аккумулирования тепла, а верхний предел - для систем с аккумулированием тепла до 15 часов (ESTELA, 2012). Использование как скрытого, так и явного тепла также возможно при высокой температуре солнечного тепла.Системы CSP могут хранить первичную энергию в теплонакопительных средах, таких как бетон, расплавленная соль, материалы с фазовым переходом или керамические материалы, в зависимости от технологии приемника, и вырабатывать электричество, питая силовой блок накопленным теплом в течение ночи. Это позволяет системам CSP сохранять энергию в хранилище до тех пор, пока она не понадобится электросети, тем самым обеспечивая источник энергии по запросу, который не ограничен мгновенным солнечным или ветровым ресурсом.

В обеих технологиях CSP - параболическом желобе и силовой башне - когда тепловая энергия в расплаве соли или HTF готова к использованию, она направляется в теплообменник.Там его тепло извлекается и используется для кипячения воды для производства пара для работы паровой турбины в силовом блоке, как на более ранних электростанциях, которые использовали топливо, такое как природный газ, уголь или атомная энергия. Как и старые тепловые электростанции, CSP вырабатывает электроэнергию, вращая гигантское оборудование. После отвода тепла теперь «более прохладный» расплав соли хранится во втором резервуаре, готовый к отправке в башню для повторного нагрева солнечным светом, отражающимся на приемник (рис. 8). Точно так же в PTC HTF после того, как его тепло было извлечено, отправляется обратно в солнечное поле, чтобы получить следующий цикл тепла и вернуть его в силовой блок для повторного использования.

Рис. 8. Принципиальная схема накопителя тепловой энергии с системой CRS.

Источник: адаптировано из http://cleanleap.com/3-thermal-storage/how-thermal-storage-works.

Системы TES на расплавленных солях в настоящее время являются самыми современными в качестве носителей явного теплового накопления тепловой энергии (SHTES). Расплавленные соли (то есть нитраты калия, кальция, натрия, лития и т. Д.) Обладают свойством поглощать и накапливать тепловую энергию, которая выделяется в воду, для передачи энергии, когда это необходимо для работы.В конце 2011 г. 62% установленных систем CSP в Испании использовали накопители энергии на расплаве солей (Lovegrove et al., 2012). Расплавленная соль течет, как жидкая вода, с тем преимуществом, что она остается жидкостью при температуре до нескольких сотен градусов по Цельсию. Расплав карбонатной соли можно использовать при температурах до 850 ° C, хотя коммерческий расплав нитратной соли ограничен температурами ниже 600 ° C. Современные заводы CSP, такие как Andasol 1 в Испании, используют расплав нитратной соли с 60% нитрата натрия (NaNO3) и 40% нитрата калия (KNO3).Нитратная смесь обладает отличной теплоемкостью и вязкостью, но ее температура должна быть выше точки замерзания примерно 220 ° C. Более того, даже при типичной цене соли в 1 доллар США / кг количество, необходимое для большой солнечной электростанции, делает ее дорогостоящим компонентом. Один из методов снижения потребности в расплавленной соли - использование более дешевых наполнителей, таких как камни и песок (Zhang et al., 2016). Эти материалы образуют наполнитель, через который протекает расплав соли, и они недороги и широко доступны по сравнению с расплавом соли.

В коммерческой конструкции TES с расплавленной солью, используемой в Andasol 1, используется система из двух резервуаров, в которой масло HTF нагревает соль, перекачиваемую из холодного резервуара, и хранит горячую соль в горячем резервуаре до тех пор, пока она не понадобится. Это известно как косвенная система, потому что HTF сама по себе не накапливается, а скорее обменивается теплом с отдельным теплоносителем. Одним из усовершенствований по сравнению с этой конструкцией является прямая система с двумя резервуарами, в которой используется расплав соли как в качестве HTF, так и в качестве жидкости для хранения (рис. 9A). Преимущество этой концепции по сравнению с системами TES с двумя резервуарами непрямого действия заключается в отсутствии дорогостоящего теплообменника масло-расплавленная соль, большей эффективности и гибкости в отправке системы TES, а также более высоких рабочих температур, достигаемых с расплавом соли по сравнению с к HTF на масляной основе.Анализ показывает, что желобные установки, работающие таким образом, могут производить электроэнергию с меньшими затратами на 14-40% по сравнению с существующими конструкциями нефти и HTF (Turchi et al., 2010), если они могут избежать коррозии и проблем с риском замерзания, связанных с работой с расплавом соли. HTF. Гемасолар Термосолнечная установка, разработанная Torresol Energy в Севилье, Испания, использует эту конструкцию.

Рис. 9. Упрощенные схемы двухбаковых систем прямого и термоклинного ТЭС (Cocco, Serra, 2015).

Источник: Cocco, D., and Serra, F. (2015).Сравнение производительности двух резервуарных систем прямого и термоклинного накопления тепловой энергии для концентрирующих солнечных электростанций класса 1 МВт. Энергия 81 , 526–536.

Дальнейшее снижение затрат предлагает хранение на термоклине с одним резервуаром (рис. 9B). В системе хранения термоклина используется один резервуар, который лишь незначительно больше одного из резервуаров в системе хранения тепла с двумя резервуарами. Когда горячая и холодная жидкость находится в одном резервуаре, система хранения термоклина опирается на тепловую плавучесть для поддержания теплового расслоения.Недорогой наполнитель, который используется для упаковки единственного резервуара для хранения, действует как первичный теплоноситель. За счет замены расплавленной соли недорогим заполняющим материалом и исключения одного резервуара для хранения и связанных с ним затрат на насос, клапаны и трубопроводы, система термоклина потенциально может быть на 20-40% дешевле, чем система хранения с двумя резервуарами (EPRI, 2010).

Преимущества TES многочисленны, а именно. увеличение коэффициента мощности за счет увеличения количества часов работы, гибкости сети и гибкости конфигурации.Система TES часто состоит из трех компонентов: носителя информации, HTF и системы локализации. Высокая эффективность и стабильность, низкая стоимость и низкое воздействие на окружающую среду являются ключевыми факторами при разработке и применении TES. Кроме того, методы системы TES можно классифицировать как: накопление явного тепла, накопление скрытой теплоты и термохимическое накопление. В настоящее время системы TES от 7,5 часов (например, проект Andasol I, II и III CSP на базе PTC мощностью 50 МВт в Испании) до 15 часов (проект Gemasolar CSP на базе CRS 19.9 МВт в Испании). Системы TES могут оказать заметное влияние на экономическую жизнеспособность проектов CSP, если будет принят механизм переходных тарифов (т. Е. Более высоких тарифов на мощность ВИЭ во время пикового спроса, которые могут быть обеспечены за счет проектов CSP с использованием систем TES).

Новинки в области аккумулирования тепловой энергии

По мере того, как возобновляемые источники энергии все больше укрепляются в энергетической системе, важность хранения энергии в натуральном выражении будет возрастать. В связи с продолжающимся постепенным отходом от традиционных источников энергии базовой нагрузки разработка эффективных систем хранения энергии является обязательной.

Нравится вам это или нет, но структура энергетики США меняется. По данным Управления энергетической информации, производство ископаемого топлива в США упало на 7% с 2015 по 2016 год. В частности, уголь снизился на 18%, находясь на самом низком уровне с 1978 года. до сланцевого бума, упала на 2% с 2015 по 2016 год.

Производство возобновляемой энергии, с другой стороны, увеличилось за этот период на 7%, причем почти четверть этого скачка приходится на ветер и солнце.

Проблема с этим сдвигом, конечно, заключается в потере выработки энергии при базовой нагрузке. Нации нужно электричество 24 часа в сутки, а не только когда светит солнце и дует ветер. К счастью, ответ на эту проблему известен. Возобновляемые источники энергии должны сочетаться с некоторыми формами хранения энергии, такими как батареи, гидроаккумуляторы или накопители тепловой энергии (TES, рисунок 1).

1. Времена меняются. Как U.Энергетический баланс S. отличается от традиционных форм генерации базовой нагрузки, хранение тепловой энергии дает возможность возобновляемым источникам энергии заполнить образовавшуюся пустоту. Предоставлено: SolarReserve

На первый взгляд, идея TES довольно проста. Энергия хранится в виде тепла в той или иной форме для использования в будущем. Однако, если углубиться в варианты и приложения для TES, можно увидеть гораздо более сложную картину.

Накопитель тепловой энергии 101

Существует три основных типа систем TES, только один из которых имеет значительную коммерческую доступность в энергетическом секторе.По сравнению с другими вариантами, накопление явного тепла относительно недорогое и намного менее сложное. Скрытые системы хранения энергии и термохимические системы хранения являются дорогостоящими и пока еще в значительной степени экспериментальными.

Явное аккумулирование тепла. Наиболее широко используемая форма ТЭС в секторе производства энергии - это физическое накопление тепла. В системе TES явного тепла жидкий или твердый накопитель, такой как вода, расплавленные соли, песок или камни, нагревается или охлаждается для накопления энергии.

Явное аккумулирование тепла широко используется в приложениях для концентрированной солнечной энергии (CSP), где использование TES позволяет проекту производить электроэнергию достаточно долго после захода солнца (см. «Проект солнечной энергии Crescent Dunes, Тонопа, Невада» в POWER's Выпуск декабрь 2016 г.). Обычно предпочтительной средой для установок CSP с TES являются расплавленные соли, которые могут выдерживать чрезвычайно высокие температуры.

Существует множество различных систем CSP, каждая из которых предъявляет уникальные требования к хранению энергии.В то время как прямая система TES с использованием расплавленных солей является жизнеспособной для системы опорной башни, подобной той, что используется в проекте Crescent Dunes (рис. 2), для проекта параболического желоба, вероятно, потребуется немного другая система TES. По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), почти все новые действующие или строящиеся станции CSP оснащены системой TES.

2. Явное аккумулирование тепла в действии. В проекте Crescent Dunes компании SolarReserve в Неваде используется физический накопитель тепла для хранения до 10 часов энергии.Расплавленная соль, используемая в процессе хранения, хранится в двух больших резервуарах в центре солнечного поля. Предоставлено: SolarReserve

Скрытое аккумулирование тепла. Скрытое аккумулирование тепла не так широко используется в секторе производства энергии, но недавние разработки показали многообещающие результаты в некоторых областях применения. Скрытая аккумуляция тепла зависит от состояния среды хранения, например, от твердого до жидкого. Скрытые теплоносители часто называют материалами с фазовым переходом (PCM).

Хотя явное тепло является наименее дорогим вариантом TES, PCM предлагают преимущества, к которым стоит стремиться, если можно снизить затраты. Например, для хранения явного тепла требуются очень большие объемы носителя из-за низкой плотности энергии. PCM предлагают плотность энергии примерно в три раза больше.

Термохимический склад. Как следует из названия, термохимический накопитель (TCS) использует химические реакции для хранения энергии. Системы TCS предлагают даже большую плотность энергии, чем PCM.

Практически все, что связано с TCS, стоит дорого. Например, IRENA указывает в кратком техническом описании, что стоимость оборудования термохимического реактора намного выше, чем стоимость материала для хранения, что не означает, что стоимость материала незначительна.

Применения в концентрированной солнечной энергии

CSP пришлось нелегко, поскольку его родственная технология, фотоэлектрическая (PV) солнечная энергия, переживала несколько хороших лет роста. По данным Ассоциации предприятий солнечной энергетики, рынок фотоэлектрических панелей вырос на 97% с 2015 по 2016 год, поскольку цены на фотоэлектрические панели упали почти на 20%.CSP, с другой стороны, не смог угнаться за снижением стоимости PV.

Чтобы оставаться конкурентоспособными с PV, CSP должен предложить что-то уникальное, и это было сделано в форме TES. «Для развития любой из этих технологий CSP требуется накопление тепла», - сказал Ануп Матур, технический директор и основатель Terrafore Technologies, POWER .

Использование TES в CSP позволяет технологии когда-нибудь удерживать больший процент энергобаланса, поскольку фотоэлектрическая энергия и ветер в настоящее время не подходят для использования в качестве источников генерации базовой нагрузки.С TES завод CSP может работать 24 часа в сутки, что компания SolarReserve доказала своим проектом Crescent Dunes в Неваде.

Проект Crescent Dunes - это установка мощностью 110 МВт, расположенная в трех часах езды от Лас-Вегаса. Станция может похвастаться накоплением энергии на 1100 МВтч, которое может обеспечить 10 часов электроэнергии при полной нагрузке. В пиковую нагрузку электростанция обеспечивает электроэнергией 75 000 домов.

Энергетическая башня из расплавленной соли проекта расположена в центре массивного поля зеркал или гелиостатов, направляющих свет на вершину башни (рис. 3).«Зеркала нагревают накопитель энергии напрямую, делая процесс более эффективным, чем другие системы, которые« подключаются »к накопителю энергии», - сказал в интервью POWER генеральный директор SolarReserve Кевин Смит. «Я думаю, что в мире солнечного тепла считают, что конфигурация башни с расплавленной солью является наиболее эффективным и рентабельным накопителем тепла для крупных предприятий». Собранное тепло используется для генерации пара, который, в свою очередь, приводит в действие турбогенератор.

3.Поле зеркал . Солнечный приемник Crescent Dunes расположен в центре массивного поля гелиостатов. Расплавленная соль нагнетается в башню, где направленное тепло повышает ее температуру примерно до 1050 ° C. Предоставлено: SolarReserve

Процесс SolarReserve закачивает расплавленную соль на верхнюю часть башни, где она нагревается, полностью используя уникальные свойства солей. Расплавленные соли, используемые SolarReserve, остаются твердыми до тех пор, пока они не нагреются до температуры около 450F, но когда они переходят в жидкую форму, они остаются в этом состоянии при температурах до 1050F.«Холодные» соли SolarReserve поддерживаются при температуре от 500 ° F до 550 ° F, что означает, что система TES компании имеет рабочий диапазон около 500 градусов.

Напротив, параболический желоб CSP выделяет тепло промежуточной жидкости, которая, в свою очередь, нагревает расплавленную соль. «Сложность этой технологии заключается в том, что [жидкость], которая используется для теплопередачи ... имеет максимальную температуру, может быть, 700F или 750F. Таким образом, они работают в диапазоне от 550 ° F до 700 ° F, или 750 ° F, что составляет всего лишь около 200 градусов дельты, тогда как мы можем перенести 500 градусов дельты в наши расплавленные соли.По сути, это означает, что мы вкладываем больше энергии в каждый фунт расплавленной соли », - сказал Смит. «Это примерно в два или три раза больше энергии, хранящейся в солях».

Благодаря 10-часовому хранению, проект Crescent Dune может производить электричество 24 часа в сутки, хотя обычно он работает только 12–14 часов в сутки. Как правило, электростанция вырабатывает электроэнергию для NV Energy примерно с 10:00 до 22:00. (Рисунок 4) просто потому, что для большего этого он не нужен.

4.Освещая ночь. Используя разумные аккумуляторы тепла, проект Crescent Dunes может производить энергию еще долго после захода солнца, помогая питать огни Лас-Вегаса . Предоставлено: SolarReserve

«На некоторых рынках, например, в Чили или других странах, они действительно хотят, чтобы такой проект выполнялся 24 часа в сутки. У США довольно разнообразное сочетание сил; Есть еще довольно много проектов по сжиганию угля и много ядерных, и эти объекты должны работать 24 часа в сутки », - отметил Смит.

Однако, поскольку структура энергопотребления страны продолжает меняться, SolarReserve прогнозирует, что Crescent Dunes могут работать в течение более длительного периода. «В долгосрочной перспективе большая часть [угля и ядерной энергии] будет выведена из эксплуатации, и, поскольку рынки США изменятся в долгосрочной перспективе, мы можем увидеть, что мы могли бы работать больше 24 часов в сутки. Но на данный момент это скорее периоды пикового спроса: 8, 10, 12, 14 часов в день генерации и, как правило, ближе к вечеру », - сказал Смит.

Последствия для будущего

Хотя в настоящее время в области TES доминирует явная теплопередача, в PCM и TCS ведется много исследований и разработок.Один из таких проектов, инкапсулированный PCM, разработанный Terrafore Technologies, получил значительную поддержку со стороны Министерства энергетики и, возможно, находится на грани коммерциализации.

Как уже отмечалось, PCM обладают преимуществом перед физическими накопителями тепла из-за их повышенной плотности энергии. Матур сказал, что лучший способ воспользоваться преимуществами PCM - это их инкапсулировать. Однако сделать это - непростая задача.

«Большая проблема инкапсуляции заключается в том, как инкапсулировать твердое тело, которое расширяется почти на 20%?» он сказал.«Это означает, что у вас должна быть капсула, подумайте о шаре, частично заполненном солью, как вы это сделаете? Вы не можете открыть его, заполнить часть и запечатать, потому что запечатывание становится проблемой ».

Ответ, согласно Матуру, - полимеры. «Я думал об этом, мечтал об этом, поэтому я сказал, почему мы не можем положить какой-то полимер поверх моей капсулы, на соль? Затем положите материал оболочки, затем нагрейте его, и тогда полимер исчезнет, ​​оставив после себя пустоту », - объяснил он. «Так что это дает ему объем расширения.Это химический способ создания пустоты внутри оболочки ».

Система

Terrafore является улучшенной по сравнению с традиционной системой явного тепла, поскольку требует меньше материала для выполнения той же работы. Если для системы расплавленной соли, используемой в Crescent Dunes, требуется два больших резервуара, один для «холодной соли» и один для нагретой соли, то для системы Terrafore требуется только один резервуар и меньше материала.

Внутри резервуара складываются три разные соли. Вверху находятся соли с самой высокой температурой плавления, а внизу - соли с самой низкой точкой плавления, а в середине - слой солей со средней точкой плавления.В системе используется теплоноситель, который течет из солнечного ресивера в верхнюю часть резервуара, где затем протекает через сложенный слой капсул, нагревая их, в свою очередь, по мере того, как жидкость медленно остывает. Достигнув дна резервуара, теплоноситель перекачивается обратно в солнечный приемник.

Этот цикл продолжается до тех пор, пока не потребуется накопленная энергия, после чего жидкий теплоноситель перекачивается из резервуара в силовой блок, где вырабатывается пар для привода турбины.

В поисках подходящего совпадения

Матур не видит, что его процесс PCM будет принят в крупномасштабных проектах CSP, таких как Crescent Dunes, в ближайшем будущем, но он надеется, что в какой-то момент он сможет проникнуть в этот сектор. На данный момент он считает, что лучшее место для выхода его технологии на рынок - это распределенный CSP.

Работая с компанией в Швеции, Матур считает, что он, возможно, нашел хорошую пару. «Они разработали тарельчатую систему Стирлинга, которая может работать при температуре около 800–900 ° C, но работает точно так же, как фотоэлектрическая система - когда солнце светит, она вырабатывает электричество.Таким образом, они не могут быть конкурентоспособными с фотоэлектрическими батареями, потому что стоимость фотоэлектрических систем настолько низка. Теперь, если они смогут использовать хранилище, они станут конкурентоспособными с точки зрения диспетчеризации », - сказал он.

В настоящее время SolarReserve довольна разработанной технологией. В настоящее время компания разрабатывает несколько проектов по всему миру, и все они основаны на той же технологии, что и в Crescent Dunes. «Основная технология, которой является наша технология приемника, на самом деле не требует значительных изменений, когда мы перемещаемся с места на место, - пояснил Смит.

Однако это не означает, что руководство компании непредвзято. «Мы внимательно следим за другими вариантами хранения тепла и другими материалами, которые мы можем использовать, - сказал Смит, - но сейчас мы действительно не видим ничего, что можно было бы сделать в ближайшем будущем на горизонте. в коммерческом масштабе ». ■

- Эбби Л. Харви - репортер POWER.

Уникальная технология аккумулирования тепла собирает пар

Чтобы обойти это ограничение, исследователи из Аргонна разработали способ встраивания материалов с фазовым переходом в пористую пену с высокой теплопроводностью.Затем они герметизируют пену инертным газом внутри модуля, предотвращая попадание влаги или кислорода внутрь и разрушение компонентов. Сохраненное тепло внутри блока затем может быть передано, например, воде, где оно становится паром, который приводит в движение турбину. TESS также может быть настроен для конкретного применения путем выбора различных материалов с фазовым переходом.

«Одним из больших преимуществ нашей технологии является то, что она модульная, поэтому вам не нужна огромная структура хранения», - сказал Сингх. «Вы можете изготавливать эти модули определенного управляемого размера, например бочку емкостью 55 галлонов или меньше, и устанавливать их в любом количестве, которое вам потребуется.”

Исследователи продемонстрировали, что TESS работает при температурах выше 700 ° по Цельсию (1292 ° по Фаренгейту). Его высокая плотность энергии делает его меньше по размеру и более гибким, чем обычно используемые системы аккумулирования явного тепла, которые основаны на повышении и понижении температуры материала. Эта технология получила награду R&D 100 в 2019 году, и в настоящее время исследователи работают над ее интеграцией в системы ТЭЦ от Capstone Turbine Corporation для повышения рекуперации тепла.

С помощью отраслевых партнеров Сингх и его коллеги продолжают совершенствовать технологию TESS, и они разработали собственный испытательный центр для проверки производительности при повторной зарядке и разрядке.В дополнение к усовершенствованию систем когенерации и расширению диспетчеризации опреснительных и электростанций, TESS может преобразовывать отработанное тепло в механическую энергию в тяжелых грузовиках или в отопление салона электромобилей. И так же, как TESS может работать как аккумулятор для тепла, он может делать то же самое и для холода, возможно, предлагая вариант охлаждения для коммерческих зданий.

Компании, заинтересованные в лицензировании или партнерстве по этой технологии, могут отправить электронное письмо партнерам @ anl.

Каким образом достигается масштабирование аккумуляторов тепловой энергии?

Жизненно важная технология для обеспечения глубокого сокращения выбросов парниковых газов существует и хорошо работает, но до сих пор не получила широкого распространения.

Накопители тепловой энергии преуспели в этой области на протяжении десятилетий. Как показали такие компании, как Calmac и Ice Energy, предварительное охлаждение изолированной емкости с жидкостью может сократить расходы на электроэнергию и снизить пиковую нагрузку. В экспериментальном жилом комплексе в Канаде используются подземные накопители тепловой энергии, работающие от солнечной энергии летом, для удовлетворения потребностей в отоплении в течение холодных зим Альберты.

Такие продукты решают проблему декарбонизации, с которой невозможно справиться одной только чистой электросетью.Здания потребляют 70 процентов электроэнергии, производимой в США, и выбрасывают 40 процентов выбросов углерода в стране. Любая целостная попытка решения проблемы изменения климата должна противодействовать использованию энергии в строительном секторе.

Стэнфордский профессор Марк Джейкобсон, например, использует подземные хранилища тепла в качестве основы своей дорожной карты для декарбонизации всей энергосистемы США, поскольку это снижает общий спрос на электроэнергию и потребление газа для отопления. Когда этим летом группа ученых раскритиковала это исследование, они особо отметили, что полагаются на этот редко применяемый инструмент.Как можно спасти мир, утверждается в этом аргументе, с помощью технологии, реальное использование которой ограничено малоизвестным пилотным проектом в Альберте?

Аккумуляторный накопитель энергии сталкивается с препятствиями, связанными с его технологической новизной. Трудно убедить финансистов поддержать химический состав батарей, который не имеет большого времени работы и продается стартапом с ограниченным балансом. Несмотря на это, сектор находится на подъеме - GTM Research прогнозирует 22-кратное увеличение количества развернутых мегаватт-часов в США с 2016 по 2022 год.

Между тем, в отношении хранения тепловой энергии вопросы технологичности в значительной степени решены, но сегмент не поцарапал поверхность его потенциального воздействия. В самом деле, этот потенциал едва ли можно увидеть за пределами горстки компаний, которые сделали ставку на него и сформулировали свое видение с почти мессианским рвением.

«Я ожидаю, что тепловые будут больше, чем батареи, - сказал генеральный директор Ice Energy Майк Хопкинс, - потому что тепловые нагрузки - это большие нагрузки. Они представляют собой проблемные нагрузки; они не поддаются использованию аккумуляторов электроэнергии."

О росте популярности аккумуляторов написано много. Меньше внимания уделяется контингенту аккумуляторов тепла, но у них есть свои стратегии роста. Их успех может не только помочь коммунальным службам в их стремлении преодолеть изгибы утки и неуклонно ползучие пики, но и сыграть центральную роль в сокращении выбросов углерода зданиями по всему миру.

Технология

Основная идея аккумулирования тепла - преобразование излишков электроэнергии в тепло или холод, которые можно использовать позже.

Этот процесс приобретает значение в масштабах всей сети в свете роста пикового спроса, который коммунальные предприятия по всей стране связывают с одновременным использованием их клиентами вечернего кондиционирования воздуха.

Аккумуляторные батареи могут удовлетворить этот спрос, но при этом возникают потери из-за неэффективности в обоих направлениях; это выбрасывание энергии. Материалы для хранения энергии термически дешевле, чем литий-ионные, и теоретически служат дольше. Основная технология - вода в пластиковом резервуаре.

Кроме того, если вы заморозите ледяную глыбу ночью, когда и температура окружающей среды, и стоимость электричества падают, это потребует меньше энергии и денег, чем это делается в середине солнечного жаркого дня.

«Идея о том, что вы будете хранить энергию в виде батарей для кондиционеров, - действительно плохая идея», - сказал Хопкинс. «Что вы действительно хотите сделать, так это заставить эти тепловые нагрузки работать более эффективно. Сделайте охлаждение, когда это хорошее время для охлаждения».

Ice Energy интегрирует свои технологии в системы кондиционирования воздуха, чтобы использовать нежелательную солнечную энергию в полдень или дешевую ночную электроэнергию для предварительного охлаждения дома перед вечерним пиком. Когда электричество стоит дороже или коммунальное предприятие изо всех сил пытается удовлетворить спрос, Ice Bear использует этот кусок льда, чтобы охладить здание, вместо того, чтобы потреблять электричество.

В то время как Ice Energy обслуживает коммерческий и жилой рынки, в основном в Калифорнии, Calmac применяет аналогичную технологию для огромных небоскребов и университетских городков. С 1980-х годов компания из Нью-Джерси обслужила более 4000 клиентов в 60 странах.

IceBank Calmac в действии: это набор резервуаров для хранения холодной жидкости. (Изображение предоставлено Calmac)

Axiom Exergy применяет эту концепцию к продуктовым магазинам, сокращая счета за коммунальные услуги за поддержание прохлады в еде и создавая резервное охлаждение на несколько часов на случай коротких отключений.

Горячие аккумуляторы тепла работают так же, как и холодные: используйте избыточную мощность, чтобы нагреть жидкость, а затем направьте ее по трубопроводу в изолированный резервуар для хранения, пока она не понадобится для обогрева здания.

Сообщество Drake Landing Solar Community в Альберте, Канада, использует подземное централизованное теплоснабжение для хранения солнечной энергии в летнее время. В зимний сезон 2015-2016 гг. Община обеспечивала все потребности в отоплении за счет накопленной тепловой энергии; Таким образом, она обеспечивала более 90 процентов потребностей в отоплении каждую из последних пяти зим.

В более редких случаях технология позволяет преобразовывать накопленную тепловую энергию обратно в электричество. Это то, что лаборатория Google X пытается сделать с проектом, получившим название Мальта. Он будет использовать электричество как для нагрева расплавленных солей, так и для охлаждения резервуаров с жидкостью; при необходимости процесс меняется на противоположный, используя выпущенный горячий и холодный воздух для вращения турбины и регенерации электричества.

Важно отметить, что хранение тепла позволяет избежать опасений по поводу токсичности и воспламеняемости, которые возникают при использовании литий-ионных аккумуляторов большой мощности.

"Нагревание воды или изготовление льда - это не те вещи, о которых никого будет беспокоить", - сказал Бретт Саймон, аналитик по хранению энергии в GTM Research. «В этих системах не используются какие-либо реактивные, потенциально опасные или легковоспламеняющиеся химические вещества. Это может привести к тому, что люди, которые более осторожно относятся к хранению аккумуляторов, перейдут к домашнему аккумулятору тепла».

Препятствия для роста

Тепловые аккумуляторы существуют дольше, чем современные аккумуляторы, но они никогда не выходили из нишевого сегмента.Лишь несколько компаний устанавливают это в США, по сравнению с десятками, которые сейчас преследуют рынок аккумуляторных батарей.

По словам Хопкинса из Ice Energy, здесь играют роль культурные пристрастия. Аккумуляторные батареи стали популярными только в последние несколько лет, во многом благодаря умению Илона Маска завладеть воображением публики. Это новообретенное осознание можно было передать другим людям.

«Поскольку они знают о литии, когда вы говорите о других формах хранения, это не так уж и плохо», - сказал он.

Тем не менее, тепловому накопителю не хватает знаменитого проповедника, и он не может зарядить сексуальный спортивный автомобиль.

«Дело в том, что аккумуляторы тепла не видны жильцам, - сказал генеральный директор Calmac Марк МакКракен. «Люди, которые заходят в эти коммерческие здания, ожидают, что здание будет прохладным. Они совершенно не понимают, как оно охлаждается».

Компании, стремящиеся вытеснить традиционные системы отопления и охлаждения, должны обращаться к клиентам, когда им нужно это оборудование, потому что это не повседневная покупка.

Новые дома могут быть многообещающим рынком, но для существующих домов время купить новый кондиционер обычно наступает, как только старый ломается. В этот момент у клиента появляется сильный стимул выбрать самое быстрое и простое, что, вероятно, не является шаткой технологией охлаждения, о которой он никогда не слышал.

Помимо проблемы осведомленности потребителей, необходимо преодолеть технические ограничения.

Один из них - это процесс проектирования крупных строительных проектов.По словам Маккракена, обычно архитектор проектирует здание и просит инженеров охладить его. Они смотрят на пиковую мощность охлаждения, необходимую для покрытия самого жаркого дня в году, добавляют запас прочности и называют это днем.

По словам Маккракена, хранение тепла требует другого вида анализа и предполагает представление о риске, даже если оно в конечном итоге стоит столько же и обеспечивает тот же коэффициент безопасности. Требуется время, чтобы проникнуть в этот промышленный рабочий процесс в более широком масштабе.

Даже в этом случае распространение аккумуляторов тепла зависит от экономического компромисса между обычным бизнесом и смещением спроса с пикового значения.Это подразумевает дизайн тарифов, который оказался ненадежным партнером в продвижении продукта.

«Проблема номер один - это неопределенность с тарифами из-за разницы между дневными и ночными расходами», - сказала Мэри Энн Пьетт, директор отдела строительных технологий и городских систем Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. «Тарифы со временем сильно меняются, и нет достаточной уверенности в экономике».

В масштабах всей страны количество дифференцированных по времени тарифов на электроэнергию и программ реагирования на спрос растет по мере того, как коммунальные предприятия раскрывают возможности распределенных энергоресурсов.Пока они не появятся, преимущества накопления тепла для потребителей останутся в основном теоретическими, даже если они уже ощутимы для сети.

География имеет значение

Климат помогает определить эффективность аккумулирования тепла в большей степени, чем для аккумуляторов.

По словам Пьетта, идеальный рынок имеет большие суточные колебания, с жарким днем ​​и более прохладной ночью. Окрестности пустыни, такие как Аризона и внутренняя Калифорния, прекрасно подходят.

В умеренном климате Беркли или на побережье Тихого океана на северо-западе лишь немногие дома имеют или нуждаются в кондиционировании воздуха.От бытового Ice Cub было бы мало пользы, в то время как батарея по-прежнему могла бы заменять электрическую нагрузку и обеспечивать резервное питание в случае сбоя.

Точно так же подземный накопитель тепла отлично работает в холодной Альберте, но в меньшей степени в месте, где зимой остается довольно тепло. Эта технология также требует высокого уровня поддержки со стороны сообщества: системы работают лучше всего, когда они обслуживают весь район или кампус.

Такого рода сотрудничество трудно достичь без строительства нового жилья; труднее продать улицы, чтобы копать под существующими застройками.Централизованное теплоснабжение хорошо себя зарекомендовало в холодных северных общинах с плотным населением и политикой социального сотрудничества - в основном в Скандинавии. Помогает наличие главного коммунального предприятия для газа, электроэнергии и пара.

«Модели владения и эксплуатации [для централизованного теплоснабжения] не так распространены в наших городских районах», - сказал Пьетт. «Это возможно, и я надеюсь, что со временем мы сможем создать новые бизнес-модели».

Плотность и разнообразие нагрузок делают предложение более привлекательным, добавила она, ссылаясь на офис Amazon в Сиэтле, который покупает отработанное тепло, выбрасываемое ближайшим центром обработки данных.

Партнер в движении вперед

Стартапы по хранению тепла, с которыми я говорил, четко заявили об одном: им необходимо сотрудничать с более крупными организациями для масштабирования.

Ice Energy нашла союзников в лице энергокомпании Southern California Edison и независимого поставщика электроэнергии NRG. SCE заключила контракт на 26 мегаватт-часов распределенного хранения тепла у заказчика. Это обеспечило гарантированный доход, необходимый для начала наращивания производства. Просто осталась проблема денежного потока.

Стартап из 22 человек не мог оплатить всех этих ледяных медведей и ждать 20 лет, чтобы получить деньги.Вместо этого Ice Energy продала специальный автомобиль для проекта NRG, у которой огромный баланс. Технически NRG владеет будущим доходом флота и выплачивает Ice Energy аванс за установку оборудования.

Если все пойдет по плану, NRG получит легкую окупаемость инвестиций с минимальным риском: выручка поступает через крупную коммунальную компанию с высоким кредитным рейтингом. Задача Ice Energy - найти предприятия, готовые разместить в общей сложности 1800 Ice Bears бесплатно, получая экономию на счетах за электроэнергию от 1000 до 1500 долларов в год на каждую единицу (Ice Energy развернула в общей сложности 1200 единиц с момента ее создания).

По словам Хопкинса, у компании также есть контракты с двумя коммунальными предприятиями в Массачусетсе и еще 400 мегаватт на различных этапах переговоров.

Этим летом начались поставки жилого дома Ice Cub, который заменяет обычный кондиционер и добавляет возможности аккумулирования тепла. Хопкинс надеется расширить этот продукт за счет дистрибьюторской сделки с крупным установщиком солнечной энергии.

«Сейчас для нас 1800 кажется большим числом», - сказал он. «На внутреннем рынке вы можете увидеть десятки тысяч жителей США.С. развертывается ".

По словам Саймона из GTM, этот рынок домашнего охлаждения не следует недооценивать, особенно если аккумуляторы тепла конкурируют по цене, но добавляют больше услуг.

«Если они получат 1 процент от рынка домашних переменного тока, это уже будет намного больше, чем годовой объем продаж домашних аккумуляторов», - отметил он.

Axiom Exergy также ищет более крупные компании для продвижения своего продукта. В данном случае: национальные сети продуктовых магазинов. Компания разрабатывает развертывание нескольких магазинов с Whole Foods и Walmart, чтобы следить за начальными демонстрационными установками.

«Я не вижу никаких препятствий в обозримом будущем, потому что существует так много продуктовых магазинов и холодильных складов», - сказал директор по продажам Джон Лерх. «Всегда будет ... необходимость хранить продукты в охлажденном состоянии, чтобы раздавать их повсюду».

Calmac, вышедший из фазы запуска несколько десятилетий назад, обсуждает партнерские отношения с коммунальными предприятиями, но пока их не ведет. Компания также обращается к другим партнерам: компаниям по хранению аккумуляторов.

Идея состоит в том, чтобы предложить коммерческим клиентам гибридный продукт с накопителем тепла, рассчитанным на тепловую нагрузку, и батареями, чтобы справиться с остаточным пиковым спросом. Это могло бы обеспечить экономию при меньшем расходе на киловатт-час, чем если бы батареи были вынуждены нести нагрузку по обогреву и охлаждению.

Тепловые аккумуляторы дополняют более умную сеть, чем та, которая у нас есть сегодня. Будет трудно продавать, пока покупатель платит столько же за киловатт-час на пике всей сети, как в 3 часа ночи. распределенные энергетические активы, спрос на технологию аккумулирования тепла может, наконец, начать расти.

Новый способ хранения тепловой энергии | MIT News

В большинстве стран развивающегося мира люди получают много тепла от солнца в течение дня, но большая часть приготовления пищи происходит позже вечером, когда солнце садится, с использованием топлива - такого как дрова, щетка или навоз, - которое собирается с помощью значительное время и усилия.

Теперь альтернативой может стать новый химический композит, разработанный исследователями Массачусетского технологического института. Его можно использовать для хранения тепла от солнца или любого другого источника в течение дня в виде тепловой батареи, и он может выделять тепло, когда это необходимо, например, для приготовления пищи или обогрева после наступления темноты.

Общий подход к аккумулированию тепла заключается в использовании так называемого материала с фазовым переходом (PCM), где подводимое тепло плавит материал, а его фазовый переход - от твердого до жидкого - накапливает энергию. Когда PCM снова охлаждается до температуры ниже точки плавления, он снова превращается в твердое тело, и в этот момент накопленная энергия выделяется в виде тепла. Существует множество примеров этих материалов, включая воски или жирные кислоты, используемые для низкотемпературных применений, и расплавленные соли, используемые при высоких температурах.Но все современные PCM требуют большой изоляции, и они бесконтрольно проходят через эту температуру фазового перехода, относительно быстро теряя накопленное тепло.

Вместо этого в новой системе используются молекулярные переключатели, которые меняют форму в ответ на свет; при интеграции в PCM температуру фазового перехода гибридного материала можно регулировать с помощью света, позволяя поддерживать тепловую энергию фазового перехода даже ниже точки плавления исходного материала.

Эта установка с синей светодиодной лампой используется для запуска теплового разряда от крупномасштабных пленок материалов с фазовым переходом. (Мелани Гоник / Массачусетский технологический институт)

На этой неделе в журнале Nature Communications сообщается о новых открытиях, сделанных постдоками Массачусетского технологического института Грейс Хан и Хуашан Ли и профессором Джеффри Гроссманом.

«Проблема с тепловой энергией в том, что ее трудно удержать», - объясняет Гроссман. Поэтому его команда разработала то, что по сути является дополнением к традиционным материалам с фазовым переходом, или «маленькими молекулами, которые претерпевают структурные изменения, когда на них светит свет.«Хитрость заключалась в том, чтобы найти способ интегрировать эти молекулы с обычными материалами PCM для высвобождения накопленной энергии в виде тепла по требованию. «Существует так много приложений, в которых было бы полезно хранить тепловую энергию таким образом, чтобы можно было запускать ее при необходимости», - говорит он.

Исследователи достигли этого, объединив жирные кислоты с органическим соединением, которое реагирует на импульс света. При таком расположении светочувствительный компонент изменяет тепловые свойства другого компонента, который накапливает и высвобождает свою энергию.Гибридный материал плавится при нагревании и после воздействия ультрафиолета остается расплавленным даже после охлаждения. Затем, когда это вызвано другим импульсом света, материал снова затвердевает и возвращает энергию теплового фазового перехода.

«Интегрируя активируемую светом молекулу в традиционную картину скрытого тепла, мы добавляем новый тип ручки управления такими свойствами, как плавление, затвердевание и переохлаждение», - говорит Гроссман, член семьи Мортон и Клэр Гоулдер и семья. Профессор экологических систем, а также профессор материаловедения и инженерии.

Активированный ультрафиолетом материал для аккумулирования тепловой энергии демонстрирует быструю кристаллизацию и выделение тепла при освещении видимым светом (синий светодиод). (Grossman Group в Массачусетском технологическом институте)

«Система может использовать любой источник тепла, а не только солнечную», - говорит Хан. «Отработанное тепло широко распространено, от промышленных процессов до солнечного тепла и даже тепла, исходящего от транспортных средств, и обычно оно просто тратится впустую». Использование некоторых из этих отходов может обеспечить способ утилизации этого тепла для полезных применений.

«То, что мы делаем технически, - объясняет Хан, - это установка нового энергетического барьера, поэтому накопленное тепло не может быть выпущено немедленно». В своей химически сохраненной форме энергия может оставаться в течение длительного времени, пока не сработает оптический триггер. В своих первоначальных небольших лабораторных версиях они показали, что накопленное тепло может оставаться стабильным в течение как минимум 10 часов, тогда как устройство аналогичного размера, накапливающее тепло напрямую, рассеивает его в течение нескольких минут. И «нет фундаментальной причины, по которой его нельзя настроить на повышение», - говорит Хан.

В системе первоначальной проверки концепции «изменение температуры или переохлаждение, которое мы достигаем для этого материала, аккумулирующего тепло, может достигать 10 градусов C (18 F), и мы надеемся, что сможем пойти дальше», - говорит Гроссман.

Под микроскопом темного поля микромасштабная среда показывает, что быстрый рост кристаллов можно легко контролировать. (Grossman Group в Массачусетском технологическом институте)

Уже в этой версии «плотность энергии весьма значительна, даже несмотря на то, что мы используем обычный материал с фазовым переходом», - говорит Хан.Материал может хранить около 200 джоулей на грамм, что, по ее словам, «очень хорошо для любого материала с органическим фазовым переходом». И уже «люди проявили интерес к использованию этого для приготовления пищи в сельских районах Индии», - говорит она. Такие системы также можно использовать для сушки сельскохозяйственных культур или для обогрева помещений.

«Наш интерес к этой работе состоял в том, чтобы продемонстрировать доказательство концепции, - говорит Гроссман, - но мы считаем, что есть большой потенциал для использования светоактивированных материалов, чтобы нарушить теплоаккумулирующие свойства материалов с фазовым переходом».

«Это очень творческое исследование, ключевым моментом которого является то, что ученые комбинируют материал с термически управляемым фазовым переходом и молекулу с фотопереключением, чтобы создать энергетический барьер для стабилизации накопления тепловой энергии», - говорит Цзюньцяо Ву, профессор материаловедение и инженерия в Калифорнийском университете в Беркли, который не принимал участия в исследовании. «Я считаю, что эта работа важна, поскольку она предлагает практический способ хранения тепловой энергии, что в прошлом было сложной задачей.”

Работа была поддержана Центром технологий и дизайна Тата в рамках энергетической инициативы Массачусетского технологического института.

Технология хранения тепловой энергии | Ассоциация накопителей энергии

Краткое содержание

Жидкостное воздушное хранилище энергии (LAES), также называемое криогенным хранилищем энергии (CES), представляет собой долгосрочную крупномасштабную технологию хранения энергии, которая может быть расположена в точке спроса. Рабочая жидкость - сжиженный воздух или жидкий азот (~ 78% воздуха).Системы LAES имеют те же рабочие характеристики, что и гидроаккумуляторы, и могут использовать низкопотенциальные промышленные отходы тепла и холода из совместных процессов. Размер варьируется от 5 МВт до 100 + МВт, и, учитывая разделение мощности и энергии, системы очень хорошо подходят для длительных применений.

Обсуждение

Несмотря на новизну на системном уровне, процесс LAES использует компоненты и подсистемы, которые являются зрелыми технологиями, доступными от основных OEM-производителей. Эта технология в значительной степени опирается на установленные процессы в секторах производства электроэнергии и промышленного газа, с известными затратами, производительностью и жизненным циклом, что обеспечивает низкий технологический риск.

LAES включает три основных процесса:

  • Этап 1. Зарядка системы
    Зарядная система представляет собой ожижитель воздуха, который использует электрическую энергию для забора воздуха из окружающей среды, его очистки и последующего охлаждения воздуха до отрицательных температур до тех пор, пока воздух не сжижается. 700 литров окружающего воздуха превращаются в 1 литр жидкого воздуха.
  • Этап 2. Накопитель энергии
    Жидкий воздух хранится в изолированном резервуаре под низким давлением, который функционирует как накопитель энергии.Это оборудование уже используется во всем мире для хранения жидкого азота, кислорода и СПГ. Резервуары, используемые в промышленности, могут хранить ГВтч накопленной энергии.
  • Этап 3. Восстановление энергии
    Когда требуется мощность, жидкий воздух забирается из резервуара (резервуаров) и перекачивается до высокого давления. Воздух испаряется и перегревается до температуры окружающей среды. Это производит газ под высоким давлением, который затем используется для привода турбины.

Повышение эффективности:

Холодная рециркуляция - На этапе 3 очень холодный воздух выпускается и улавливается собственной высококачественной холодильной камерой.Это используется позже в процессе сжижения для повышения эффективности. В качестве альтернативы в систему можно интегрировать холодные отходы промышленных процессов, например, терминалов СПГ.

Тепловой накопитель - Низкая точка кипения сжиженного воздуха означает, что эффективность системы в оба конца может быть улучшена за счет введения вышеупомянутого тепла окружающей среды. Стандартная система LAES компании Highview Power Storage улавливает и накапливает тепло, выделяемое в процессе сжижения (стадия 1), и интегрирует это тепло в процесс рекуперации энергии (стадия 3).Система также может интегрировать отходящее тепло промышленных процессов, таких как выработка тепловой энергии или сталелитейные заводы, на стадии 3, регенерируя дополнительную энергию.

Совершите виртуальный тур по экспериментальной установке Highview Power Storage 350 кВт / 2,5 МВтч

Заключение

Установки LAES могут обеспечивать крупномасштабную, длительную энергию хранилище мощностью 100 МВт. Системы LAES могут использовать промышленные отходы тепло / холод от таких приложений, как тепловые электростанции, сталелитейные заводы и Терминалы СПГ для повышения эффективности системы.ЛАЭС использует существующие и зрелые компоненты с проверенным сроком службы (более 30 лет), производительностью и техобслуживанием расходы.

Инновационный взгляд: накопители тепловой энергии

Преобразование глобальной энергетической системы в соответствии с глобальными целями в области климата и устойчивого развития требует быстрого освоения возобновляемых источников энергии для всех видов использования энергии. Накопители тепловой энергии (TES) могут помочь интегрировать большую долю возобновляемых источников энергии в производство электроэнергии, промышленность и здания.

Отчет также доступен на китайском языке (中文).

Этот прогноз Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) подчеркивает ключевые атрибуты технологий TES и определяет приоритеты для текущих исследований и разработок.

Среди других находок:

  • Технологии TES предлагают уникальные преимущества, такие как помощь в отделении потребности в обогреве и охлаждении от немедленного производства электроэнергии и доступности поставок. В результате гибкость позволяет гораздо больше полагаться на переменные возобновляемые источники, такие как солнечная и ветровая энергия .TES снижает потребность в дорогостоящем усилении сети, помогает сбалансировать сезонный спрос и поддерживает переход к энергосистеме, в основном основанной на возобновляемых источниках энергии.
  • Мировой рынок TES может утроиться к 2030 году, увеличившись с гигаватт-часов (ГВтч) установленной мощности в 2019 году до свыше 800 ГВтч в течение десятилетия. Инвестиции в приложения TES для охлаждения и электроснабжения могут составить от 13 до 28 миллиардов долларов США за тот же период. В рамках широкого перехода к возобновляемым источникам энергии, эффективности и большей электрификации инвестиции в TES могут помочь в достижении долгосрочных целей в области климата и устойчивого развития .
  • Хранилище расплавленной соли - форма TES, обычно используемая на электростанциях концентрированной солнечной энергии (CSP), может вырасти с 491 ГВтч установленной мощности в настоящее время до 631 ГВтч к 2030 году. Тем временем, другие технологии TES, включая твердотельные и варианты с жидким воздухом, также могут стать коммерчески жизнеспособными для хранения излишков энергии от CSP, солнечной фотоэлектрической энергии (PV) и ветра.
  • Использование TES в системе централизованного теплоснабжения и охлаждения эффективно отделяет спрос от предложения, позволяя хранить энергию на сезонной основе.Централизованное теплоснабжение уже включает технологии явного тепла, такие как резервуар TES (или TTES ) и подземный TES (или UTES ). Резервуар для воды TES (или WTTES ), уже широко используемый в зданиях, также находит все более широкое применение для солнечных тепловых электростанций в горнодобывающей, пищевой и текстильной промышленности.
  • Инвестиции для стимулирования технологического развития и меры по увеличению рыночного спроса в сочетании с целостной энергетической политикой , направленной на расширение масштабов использования возобновляемых источников энергии и декарбонизацию использования энергии, могут разблокировать быстрый рост внедрения TES.

Кроме того, TES составляет ключевую часть инвестиционного пакета по энергетическому переходу, доступного странам для восстановления после COVID . Инвестиции в TES, наряду с возобновляемыми источниками энергии, энергоэффективностью и электрификацией, могут укрепить здоровье и экономическую инфраструктуру, стимулировать краткосрочное восстановление и согласовать развитие энергетики с глобальными целями в области климата и устойчивого развития.

Серия

IRENA Innovation Outlook анализирует быстро появляющиеся технологии возобновляемой энергии (ТВЭ) и изучает способы повышения их конкурентоспособности.Каждый прогноз определяет проблемы, связанные с технологиями, отраслью и политикой, и оценивает потенциальные достижения, необходимые для ускорения внедрения.


.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *