Технологии накопления тепловой энергии

Накопление тепловой энергии (TES): технологии хранения тепла для повторного использования. Вода, земля, акваферы, материалы с фазовым переходом. Экономия энергии!

24 мин чтения

100%

Источник: Thermal energy storage — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Технологии хранения тепловой энергии

Хранение тепловой энергии (ТЭЭ) – это накопление тепловой энергии для последующего использования. Используя широкий спектр технологий, ТЭЭ позволяет сохранять избыточную тепловую энергию в течение часов, дней или месяцев. Масштабы хранения и применения варьируются от небольших до крупных – от отдельных процессов до районных, городских или региональных систем. Примеры применения включают балансировку энергопотребления между дневным и ночным временем, накопление летнего тепла для зимнего отопления или зимнего холода для летнего охлаждения (сезонное хранение тепловой энергии). В качестве накопителей могут использоваться резервуары с водой или ледяной взвесью, массивы грунта или горных пород, к которым доступ осуществляется через теплообменники с помощью скважин, глубокие водоносные горизонты, заключенные между водонепроницаемыми слоями, неглубокие, облицованные ямы, заполненные гравием и водой и изолированные сверху, а также эвтектические растворы и материалы с фазовым переходом. Другими источниками тепловой энергии для хранения являются тепло или холод, производимые тепловыми насосами в периоды низкой нагрузки и более дешевой электроэнергии (так называемое «сглаживание пиков» потребления); тепло от когенерационных установок (ТЭЦ); тепло, вырабатываемое возобновляемыми источниками электроэнергии сверх потребностей сети, и вторичное тепло промышленных процессов. Хранение тепла, как сезонное, так и краткосрочное, рассматривается как важный инструмент для недорогой балансировки высоких долей переменной выработки электроэнергии из возобновляемых источников и интеграции секторов электроэнергетики и теплоснабжения в энергетические системы, работающие преимущественно или полностью на возобновляемой энергии.

Категории

Различные виды накопления тепловой энергии можно разделить на три отдельные категории: накопление за счет теплоемкости, накопление с фазовым переходом и термохимическое накопление. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, определяющие области их применения.

Умный накопитель тепла

Наиболее простым методом является аккумулирование тепла (SHS). Это означает просто повышение или понижение температуры некоторой среды. Этот тип хранения является наиболее коммерчески доступным из трех; другие технологии менее развиты. Материалы, как правило, недороги и безопасны. Одним из самых дешевых и распространенных вариантов является резервуар с водой, но такие материалы, как расплавленные соли или металлы, могут нагреваться до более высоких температур и, следовательно, обеспечивать более высокую емкость хранения. Энергию можно также накапливать под землей (UTES), либо в подземном резервуаре, либо в виде теплоносителя (HTF), циркулирующего по системе труб, расположенных вертикально в U-образных скважинах или горизонтально в траншеях. Еще одна система известна как накопитель с насыпной загрузкой (или гравийный накопитель), в которой жидкость, обычно воздух, проходит через слой рыхлого материала (обычно камня, гравия или керамического кирпича) для накопления или отвода тепла. Недостатком SHS является зависимость от свойств аккумулирующей среды. Емкость хранения ограничена удельной теплоемкостью материала, и система должна быть правильно спроектирована для обеспечения извлечения энергии при постоянной температуре.

Технология расплавленной соли

Разумное тепло расплавленной соли также используется для хранения солнечной энергии при высокой температуре, что называется технологией расплавленной соли или аккумулированием энергии расплавленной соли (MSES). Расплавленные соли могут применяться в качестве метода аккумулирования тепловой энергии для удержания тепла. В настоящее время это коммерчески используемая технология для хранения тепла, собираемого с помощью концентрированной солнечной энергии (например, от солнечной башни или гелиостатной установки). Тепло впоследствии может быть преобразовано в перегретый пар для привода обычных паровых турбин и выработки электроэнергии в более позднее время. Это было продемонстрировано в проекте Solar Two с 1995 по 1999 год. Оценки 2006 года предсказывали годовую эффективность в 99%, что отражает энергию, сохраняемую при хранении тепла перед преобразованием в электроэнергию, по сравнению с прямым преобразованием тепла в электроэнергию. Используются различные эвтектические смеси различных солей (например, нитрат натрия, нитрат калия и нитрат кальция). Опыт работы с такими системами имеется в не-солнечных применениях в химической и металлургической промышленности в качестве теплоносителя. Соль плавится при температуре, поддерживается в жидком состоянии при температуре в изолированном "холодном" резервуаре. Жидкая соль прокачивается через панели солнечного коллектора, где сфокусированное солнечное излучение нагревает ее до температуры, после чего она направляется в горячий резервуар для хранения. При надлежащей изоляции резервуара тепловая энергия может эффективно храниться до недели. Когда требуется электроэнергия, горячая расплавленная соль перекачивается в обычный парогенератор для производства перегретого пара, приводящего в действие обычный турбогенератор, используемый на угольных, нефтяных или атомных электростанциях. Для работы турбины мощностью 100 МВт в течение четырех часов потребуется резервуар высотой около и диаметром около. В разработке находится единый резервуар с разделительной перегородкой для разделения холодной и горячей расплавленной соли. Это более экономично, поскольку обеспечивает на 100% большее накопление тепла на единицу объема по сравнению с системой с двумя резервуарами, поскольку резервуар для хранения расплавленной соли является дорогостоящим из-за его сложной конструкции. Материалы с фазовым переходом (PCM) также используются в аккумулировании энергии расплавленной соли, в то время как исследования по получению PCM с устойчивой формой с использованием высокопористых матриц продолжаются. Большинство солнечных тепловых электростанций используют эту концепцию аккумулирования тепловой энергии. Электростанция Solana Generating Station в США может хранить энергию, достаточную для 6 часов выработки электроэнергии, в расплавленной соли. Летом 2013 года солнечная электростанция Gemasolar Thermosolar/завод по производству расплавленной соли в Испании впервые непрерывно производила электроэнергию 24 часа в сутки в течение 36 дней. Солнечная тепловая электростанция Cerro Dominador, открытая в июне 2021 года, имеет 17,5 часов хранения тепла.

The sensible heat of molten salt is also used for storing solar energy at a high temperature, termed molten salt technology or molten salt energy storage (MSES). Molten salts can be employed as a thermal energy storage method to retain thermal energy. Presently, this is a commercially used technology to store the heat collected by concentrated solar power (e. g., from a solar tower or solar trough). The heat can later be converted into superheated steam to power conventional steam turbines and generate electricity at a later time. It was demonstrated in the Solar Two project from 1995 to 1999. Estimates in 2006 predicted an annual efficiency of 99%, a reference to the energy retained by storing heat before turning it into electricity, versus converting heat directly into electricity. Various eutectic mixtures of different salts are used (e. g., sodium nitrate, potassium nitrate and calcium nitrate). Experience with such systems exists in non solar applications in the chemical and metals industries as a heat transport fluid. The salt melts at It is kept liquid at in an insulated "cold" storage tank. The liquid salt is pumped through panels in a solar collector where the focused sun heats it to It is then sent to a hot storage tank. With proper insulation of the tank the thermal energy can be usefully stored for up to a week. When electricity is needed, the hot molten salt is pumped to a conventional steam generator to produce superheated steam for driving a conventional turbine/generator set as used in any coal, oil, or nuclear power plant. A 100 megawatt turbine would need a tank of about tall and in diameter to drive it for four hours by this design. A single tank with a divider plate to separate cold and hot molten salt is under development. It is more economical by achieving 100% more heat storage per unit volume over the dual tanks system as the molten salt storage tank is costly due to its complicated construction. Phase Change Material (PCMs) are also used in molten salt energy storage, while research on obtaining shape stabilized PCMs using high porosity matrices is ongoing. Most solar thermal power plants use this thermal energy storage concept. The Solana Generating Station in the U. S. can store 6 hours worth of generating capacity in molten salt. During the summer of 2013 the Gemasolar Thermosolar solar power tower/molten salt plant in Spain achieved a first by continuously producing electricity 24 hours per day for 36 days. The Cerro Dominador Solar Thermal Plant, inaugurated in June 2021, has 17.5 hours of heat storage.

Хранение тепла в резервуарах, прудах или скальных пещерах

Пароаккумулятор состоит из изолированного стального резервуара под давлением, содержащего горячую воду и пар под давлением. Как устройство для накопления тепла, он используется для согласования производства тепла переменным или постоянным источником с переменным спросом на тепло. Пароаккумуляторы могут играть важную роль в хранении энергии в проектах солнечной тепловой энергетики. Крупные хранилища, в основном резервуары для горячей воды, широко используются в странах Северной Европы для хранения тепла в течение нескольких дней, для разделения производства тепла и электроэнергии, а также для покрытия пиковых нагрузок. В некоторых городах в качестве источника тепла для тепловых насосов центрального отопления используются изолированные пруды, нагреваемые солнечной энергией. Исследовалось межсезонное хранение тепла в пещерах, и оно представляется экономически выгодным, играя значительную роль в отоплении Финляндии. Энергокомпания Helen Oy оценивает емкость своего водоема объемом 260 000 кубических метров под Мустиккамаа в 11,6 ГВтч и тепловую мощность в 120 МВт (полная зарядка или разрядка за 4 дня при полной мощности), который эксплуатируется с 2021 года для компенсации дней пикового производства/потребления; в то время как 300 000 скальных пещер, расположенных на глубине 50 метров под уровнем моря в Круунувуоренранта (возле Лааясало), были определены в 2018 году для хранения тепла летом, полученного от теплой морской воды, и его высвобождения зимой для центрального отопления. В 2024 году было объявлено, что муниципальный поставщик энергии города Вантаа запустил строительство подземного хранилища тепла объемом более [укажите объем] и емкостью 90 ГВтч, которое планируется ввести в эксплуатацию в 2028 году.

Технология горячего кремния

Твердый или расплавленный кремний обеспечивает значительно более высокие температуры хранения, чем соли, что приводит к большей емкости и эффективности. Он изучается как потенциально более энергоэффективная технология аккумулирования энергии. Кремний способен накапливать более 1 МВтч энергии на кубический метр при 1400 °C. Дополнительным преимуществом является относительная распространенность кремния по сравнению с солями, используемыми для тех же целей.

Растворенный алюминий

Еще одним веществом, способным накапливать тепловую энергию, является расплавленный (вторичный) алюминий. Эта технология была разработана шведской компанией Azelio. Материал нагревается до 600 °C. При необходимости энергия передается в двигатель Стирлинга посредством теплоносителя.

Хранение тепла в горячих породах или бетоне

Вода имеет одну из самых высоких теплоемкостей – 4,2 кДж/(кг⋅К), в то время как у бетона она примерно в три раза меньше. С другой стороны, бетон можно нагревать до гораздо более высоких температур (1200 °C), например, электрическим нагревом, и поэтому его общая объемная теплоемкость значительно выше. Таким образом, в приведенном ниже примере изолированный куб размером около 2,8 м³ представляется достаточным для хранения энергии, необходимой для покрытия 50% потребности в отоплении одного дома. В принципе, это можно использовать для хранения избыточного тепла, полученного от ветра или солнца, благодаря способности электрического нагрева достигать высоких температур. На уровне района международное внимание привлекла солнечная застройка Wiggenhausen Süd в Фридрихсхафене (южная Германия). Она включает в себя термоаккумулятор из железобетона объемом 12000 (420000) м³, соединенный с 4300 (46000) солнечными коллекторами, которые будут обеспечивать 570 домов примерно 50% их потребностей в отоплении и горячей воде. Компания Siemens Gamesa построила тепловое хранилище мощностью 130 МВтч недалеко от Гамбурга, работающее при температуре 750 °C в базальте и выдающее электрическую мощность 1,5 МВт. Аналогичная система запланирована в Соро (Дания), где 41–58% накопленных 18 МВтч тепла будет возвращено для централизованного отопления города, а 30–41% – в виде электроэнергии. “Кирпичная тостерная печь” – это недавно анонсированный (август 2022 года) инновационный тепловой резервуар, работающий при температуре до 1500 °C, который, по утверждению его производителя, Titan Cement/Rondo, позволит сократить глобальные выбросы CO₂ на 15% в течение 15 лет.

Латентное теплохранилище

Поскольку латентное теплоаккумулирование (ЛТА) связано с фазовым переходом, общим термином для соответствующих сред является материал с фазовым переходом (МФП). Во время этих переходов тепло может быть добавлено или извлечено без изменения температуры материала, что дает ему преимущество перед технологиями аккумулирования ощутимого тепла. Емкость хранения часто также выше. Существует множество доступных МФП, включая, но не ограничиваясь ими, соли, полимеры, гели, парафиновые воски и металлические сплавы, каждый из которых обладает различными свойствами. Это позволяет проектировать системы, более точно соответствующие конкретным задачам. Поскольку процесс изотермичен в точке плавления МФП, материал можно подобрать с требуемым температурным диапазоном. Желательные качества включают высокую латентную теплоту и теплопроводность. Кроме того, накопитель может быть более компактным, если изменения объема во время фазового перехода незначительны. МФП подразделяются на органические, неорганические и эвтектические материалы. По сравнению с органическими МФП, неорганические материалы менее горючи, дешевле и более доступны. Они также обладают большей емкостью хранения и теплопроводностью. Органические МФП, с другой стороны, менее коррозионны и менее склонны к фазовому разделению. Эвтектические материалы, будучи смесями, легче поддаются настройке для получения определенных свойств, но имеют низкую латентную и удельную теплоемкость. Важным фактором в ЛТА является также инкапсуляция МФП. Некоторые материалы более подвержены эрозии и утечкам, чем другие. Система должна быть тщательно спроектирована, чтобы избежать ненужных потерь тепла. В основе технологии лежит фазовый переход металлического материала (см. латентное тепло) для накопления тепловой энергии. Вместо перекачки жидкого металла между резервуарами, как в системе с расплавленной солью, металл инкапсулируется в другой металлический материал, с которым он не образует сплав (несмешивающиеся). В зависимости от выбранных материалов (материала, претерпевающего фазовый переход, и инкапсулирующего материала) плотность хранения может составлять от 0,2 до 2 МДж/л. Рабочая жидкость, как правило, вода или пар, используется для передачи тепла в систему и из нее. Теплопроводность сплавов с разрывом смешиваемости часто выше (до 400 Вт/(м⋅К)) по сравнению с конкурирующими технологиями, что обеспечивает более быструю "зарядку" и "разрядку" теплового накопителя. Технология пока не получила широкого распространения в больших масштабах.

Because latent heat storage (LHS) is associated with a phase transition, the general term for the associated media is Phase Change Material (PCM). During these transitions, heat can be added or extracted without affecting the material's temperature, giving it an advantage over SHS technologies. Storage capacities are often higher as well. There are a multitude of PCMs available, including but not limited to salts, polymers, gels, paraffin waxes and metal alloys, each with different properties. This allows for a more target oriented system design. As the process is isothermal at the PCM's melting point, the material can be picked to have the desired temperature range. Desirable qualities include high latent heat and thermal conductivity. Furthermore, the storage unit can be more compact if volume changes during the phase transition are small. PCMs are further subdivided into organic, inorganic and eutectic materials. Compared to organic PCMs, inorganic materials are less flammable, cheaper and more widely available. They also have higher storage capacity and thermal conductivity. Organic PCMs, on the other hand, are less corrosive and not as prone to phase separation. Eutectic materials, as they are mixtures, are more easily adjusted to obtain specific properties, but have low latent and specific heat capacities. Another important factor in LHS is the encapsulation of the PCM. Some materials are more prone to erosion and leakage than others. The system must be carefully designed in order to avoid unnecessary loss of heat. rely on the phase change of a metallic material (see: latent heat) to store thermal energy. Rather than pumping the liquid metal between tanks as in a molten salt system, the metal is encapsulated in another metallic material that it cannot alloy with (immiscible). Depending on the two materials selected (the phase changing material and the encapsulating material) storage densities can be between 0.2 and 2 MJ/L. A working fluid, typically water or steam, is used to transfer the heat into and out of the system. Thermal conductivity of miscibility gap alloys is often higher (up to 400 W/(m⋅K)) than competing technologies which means quicker "charge" and "discharge" of the thermal storage is possible. The technology has not yet been implemented on a large scale.

Технология на основе льда

Разрабатывается несколько областей применения, где лёд производится в периоды низкой нагрузки и используется для охлаждения в дальнейшем. Например, кондиционирование воздуха может быть обеспечено более экономично за счёт использования недорогой электроэнергии ночью для замораживания воды в лёд, а затем использования холодопроизводительности льда днём для снижения потребления электроэнергии, необходимого для удовлетворения потребностей в кондиционировании. Аккумулирование тепловой энергии с использованием льда основано на высокой теплоте плавления воды. Исторически лёд транспортировался из гор в города для использования в качестве хладагента. Одна метрическая тонна воды (= один кубический метр) может хранить 334 миллиона джоулей (МДж) или 317 000 BTU (93 кВт·ч). Относительно небольшое хранилище может вместить достаточно льда для охлаждения большого здания в течение дня или недели. Помимо использования льда в системах непосредственного охлаждения, он также применяется в системах отопления на основе тепловых насосов. В этих системах фазовый переход обеспечивает значительный запас тепловой ёмкости, близкий к нижнему пределу температур, в котором могут работать тепловые насосы, использующие воду в качестве источника тепла. Это позволяет системе справляться с пиковыми нагрузками на отопление и увеличивает время, в течение которого элементы источника энергии могут возвращать тепло в систему.

Хранение криогенной энергии

Криогенное накопление энергии использует сжижение воздуха или азота для хранения энергии. В 2010 году на электростанции в Слау, Великобритания, была запущена пилотная криогенная энергетическая система, использующая жидкий воздух в качестве накопителя энергии и низкосортное вторичное тепло для обеспечения теплового повторного расширения воздуха.

Термохимическое накопление тепла

Термохимическое аккумулирование тепла (ТХАТ) включает в себя обратимую экзотермическую/эндотермическую химическую реакцию с термохимическими материалами (ТХМ). В зависимости от реагентов, этот метод может обеспечить даже более высокую емкость хранения, чем у систем аккумулирования тепла на основе скрытой теплоты (LHS). В одном из типов ТХАТ тепло используется для разложения определенных молекул. Продукты реакции затем разделяются и смешиваются снова при необходимости, что приводит к выделению энергии. Примеры включают разложение оксида калия (в диапазоне 300–800 °C, с теплотой разложения 2,1 МДж/кг), оксида свинца (300–350 °C, 0,26 МДж/кг) и гидроксида кальция (выше 450 °C, где скорость реакции можно увеличить добавлением цинка или алюминия). Также может использоваться фотохимическое разложение нитрозилхлорида, которое, поскольку требует фотонов для протекания, особенно эффективно в сочетании с солнечной энергией. Преимущества по сравнению с расплавленными солями и другими высокотемпературными системами аккумулирования тепла (ТЭС) заключаются в том, что (1) требуемая температура соответствует температуре стагнации, типичной для плоского солнечного коллектора, и (2) пока цеолит остается сухим, энергия может храниться неограниченно долго. Благодаря низкой температуре и тому, что энергия хранится в виде скрытой теплоты адсорбции, что устраняет необходимость в изоляции, как в системах хранения расплавленной соли, затраты значительно снижаются.

Технология соляного гидрата

Одним из примеров экспериментальной системы хранения энергии, основанной на химической реакции, является технология соляных гидратов. Система использует энергию реакции, выделяющуюся при гидратации или дегидратации солей. Она работает путем накопления тепла в емкости, содержащей 50% раствор гидроксида натрия (NaOH). Тепло (например, полученное от солнечного коллектора) накапливается за счет испарения воды в эндотермической реакции. При добавлении воды обратно происходит выделение тепла в экзотермической реакции при 50 °C (120 °F). Современные системы работают с эффективностью 60%. Эта система особенно выгодна для сезонного накопления тепловой энергии, поскольку высушенную соль можно хранить при комнатной температуре в течение длительного времени без потерь энергии. Контейнеры с обезвоженной солью можно даже транспортировать в другое место. Система обладает более высокой плотностью энергии, чем тепло, запасенное в воде, и ее емкость может быть рассчитана для хранения энергии в течение нескольких месяцев или лет. В 2013 году нидерландский разработчик технологий TNO представил результаты проекта MERITS по накоплению тепла в соляном контейнере. Тепло, которое может быть получено от солнечного коллектора на крыше, высвобождает воду, содержащуюся в соли. При повторном добавлении воды тепло выделяется с минимальными потерями энергии. В контейнере объемом всего несколько кубических метров соли можно накопить достаточно теплохимической энергии для обогрева дома в течение всей зимы. В умеренном климате, например в Нидерландах, среднестатистическому домохозяйству с низким энергопотреблением требуется около 6,7 ГДж/зиму. Для хранения этой энергии в воде (при разнице температур 70 °C) потребуется 23 м³ изолированного водохранилища, что превышает возможности хранения большинства домохозяйств. При использовании технологии соляных гидратов с плотностью хранения около 1 ГДж/м³ может быть достаточно 4–8 м³. По состоянию на 2016 год исследователи в нескольких странах проводят эксперименты для определения оптимального типа соли или соляной смеси. Низкое давление внутри контейнера представляется благоприятным для переноса энергии. Особенно перспективными являются органические соли, так называемые ионные жидкости. По сравнению с сорбентами на основе галогенидов лития они менее проблемны с точки зрения ограниченности мировых ресурсов, а по сравнению с большинством других галогенидов и гидроксидом натрия (NaOH) они менее коррозионны и не подвержены негативному воздействию загрязнений CO2.

One example of an experimental storage system based on chemical reaction energy is the salt hydrate technology. The system uses the reaction energy created when salts are hydrated or dehydrated. It works by storing heat in a container containing 50% sodium hydroxide (NaOH) solution. Heat (e. g. from using a solar collector) is stored by evaporating the water in an endothermic reaction. When water is added again, heat is released in an exothermic reaction at 50 °C (120 °F). Current systems operate at 60% efficiency. The system is especially advantageous for seasonal thermal energy storage, because the dried salt can be stored at room temperature for prolonged times, without energy loss. The containers with the dehydrated salt can even be transported to a different location. The system has a higher energy density than heat stored in water and the capacity of the system can be designed to store energy from a few months to years. In 2013 the Dutch technology developer TNO presented the results of the MERITS project to store heat in a salt container. The heat, which can be derived from a solar collector on a rooftop, expels the water contained in the salt. When the water is added again, the heat is released, with almost no energy losses. A container with a few cubic meters of salt could store enough of this thermochemical energy to heat a house throughout the winter. In a temperate climate like that of the Netherlands, an average low energy household requires about 6.7 GJ/winter. To store this energy in water (at a temperature difference of 70 °C), 23 m3 insulated water storage would be needed, exceeding the storage abilities of most households. Using salt hydrate technology with a storage density of about 1 GJ/m3, 4–8 m3 could be sufficient. As of 2016, researchers in several countries are conducting experiments to determine the best type of salt, or salt mixture. Low pressure within the container seems favorable for the energy transport. Especially promising are organic salts, so called ionic liquids. Compared to lithium halide based sorbents they are less problematic in terms of limited global resources and compared to most other halides and sodium hydroxide (NaOH) they are less corrosive and not negatively affected by CO2 contaminations.

Молекулярные связи

Изучается возможность хранения энергии в молекулярных связях. Достигнуты плотности энергии, эквивалентные литий-ионным аккумуляторам. Это было реализовано с помощью DSPEC (дис-чувствительной фотоэлектросинтезирующей ячейки). Это ячейка, способная накапливать энергию, полученную солнечными панелями в течение дня, для использования ночью (или даже позднее). В ее конструкции использованы принципы, известные по естественному фотосинтезу. DSPEC генерирует водородное топливо, используя поглощенную солнечную энергию для разложения молекул воды на составляющие элементы. В результате этого разложения водород выделяется и изолируется, а кислород высвобождается в атмосферу. На практике это оказывается сложнее, чем кажется. Необходимо разделить и транспортировать четыре электрона из молекулы воды. Еще одна трудность – процесс объединения двух отдельных молекул водорода. DSPEC состоит из двух компонентов: молекулы и наночастицы. Молекула называется хромофорно-каталитическим комплексом и поглощает солнечный свет, запуская катализатор. Этот катализатор разделяет электроны и молекулы воды. Наночастицы формируют тонкий слой, и на каждой наночастице находится множество хромофорно-каталитических комплексов. Функция этого тонкого слоя наночастиц – отводить электроны, отделенные от воды. Этот тонкий слой наночастиц покрыт слоем диоксида титана. Благодаря этому покрытию освобождающиеся электроны могут передаваться быстрее, что способствует образованию водорода. Это покрытие, в свою очередь, покрыто защитным слоем, укрепляющим связь между хромофорно-каталитическим комплексом и наночастицей. Используя этот метод, солнечная энергия, полученная от солнечных панелей, преобразуется в топливо (водород) без выброса так называемых парниковых газов. Это топливо можно хранить в топливном элементе и впоследствии использовать для производства электроэнергии.

Молекулярная солнечная тепловая система (MOST)

Еще один перспективный способ хранения солнечной энергии для производства электроэнергии и тепла – так называемая молекулярная солнечная тепловая система (MOST). При таком подходе молекула преобразуется посредством фотоизомеризации в изомер с более высокой энергией. Фотоизомеризация – это процесс, в котором один (цис-транс) изомер превращается в другой под воздействием света (солнечной энергии). Этот изомер способен накапливать солнечную энергию до тех пор, пока энергия не высвободится тепловым триггером или катализатором (впоследствии изомер возвращается в свою исходную форму). Перспективным кандидатом для такой MOST является норборнадиен (NBD). Это обусловлено значительной разницей в энергии между NBD и фотоизомером квадрицикланом (QC), которая составляет приблизительно 96 кДж/моль. Также известно, что для подобных систем донорно-акцепторные замещения обеспечивают эффективный способ сдвига поглощения в область длинных волн. Это улучшает соответствие солнечного спектра. Ключевой задачей для эффективной системы MOST является достижение удовлетворительно высокой плотности хранения энергии (в идеале – более 300 кДж/кг). Другая проблема системы MOST заключается в необходимости поглощения света в видимой области спектра. Функционализация NBD донорными и акцепторными группами используется для регулирования максимума поглощения. Однако этот положительный эффект на поглощение солнечного света компенсируется увеличением молекулярной массы, что приводит к снижению плотности энергии. Этот положительный эффект на поглощение солнечного света имеет и другой недостаток: время хранения энергии уменьшается при смещении поглощения в область длинных волн. Возможным решением для преодоления этой обратной зависимости между плотностью энергии и красным смещением является объединение одной хромофорной единицы с несколькими фотопереключателями, что выгодно реализуется в форме димеров или тримеров, где NBD разделяют общий донор и/или акцептор. Каспер Мот Полсен и его команда попытались повысить стабильность высокоэнергетического фотоизомера, используя два электронно связанных фотопереключателя с различными энергетическими барьерами для теплового преобразования. Это привело к синему сдвигу после первой изомеризации (NBD-NBD в QC-NBD), что, в свою очередь, повысило энергию изомеризации при втором переключении (QC-NBD в QC-QC). Дополнительным преимуществом этой системы, благодаря общему донору, является снижение молекулярной массы на единицу норборнадиена, что способствует увеличению плотности энергии. В конечном итоге, эта система может достичь квантового выхода фотоконверсии до 94% на единицу NBD. Квантовый выход – это мера эффективности эмиссии фотонов. С использованием этой системы измеренные значения плотности энергии достигли 559 кДж/кг (превысив целевой показатель в 300 кДж/кг). Таким образом, потенциал молекулярных фотопереключателей огромен не только для хранения солнечной тепловой энергии, но и для других областей применения.

Another promising way to store solar energy for electricity and heat production is a so called molecular solar thermal system (MOST). With this approach a molecule is converted by photoisomerization into a higher energy isomer. Photoisomerization is a process in which one (cis trans) isomer is converted into another by light (solar energy). This isomer is capable of storing the solar energy until the energy is released by a heat trigger or catalyst (then, the isomer is converted into its original isomer). A promising candidate for such a MOST is Norbornadiene (NBD). This is because there is a high energy difference between the NBD and the quadricyclane (QC) photoisomer. This energy difference is approximately 96 kJ/mol. It is also known that for such systems, the donor acceptor substitutions provide an effective means for red shifting the longest wavelength absorption. This improves the solar spectrum match. A crucial challenge for a useful MOST system is to acquire a satisfactory high energy storage density (if possible, higher than 300 kJ/kg). Another challenge of a MOST system is that light can be harvested in the visible region. The functionalization of the NBD with the donor and acceptor units is used to adjust this absorption maxima. However, this positive effect on the solar absorption is compensated by a higher molecular weight. This implies a lower energy density. This positive effect on the solar absorption has another downside. Namely, that the energy storage time is lowered when the absorption is redshifted. A possible solution to overcome this anti correlation between the energy density and the red shifting is to couple one chromophore unit to several photo switches. In this case, it is advantageous to form so called dimers or trimers. The NBD share a common donor and/or acceptor. Kasper Moth Poulsen and his team tried to engineer the stability of the high energy photo isomer by having two electronically coupled photo switches with separate barriers for thermal conversion. By doing so, a blue shift occurred after the first isomerization (NBD NBD to QC NBD). This led to a higher energy of isomerization of the second switching event (QC NBD to QC QC). Another advantage of this system, by sharing a donor, is that the molecular weight per norbornadiene unit is reduced. This leads to an increase of the energy density. Eventually, this system could reach a quantum yield of photoconversion up 94% per NBD unit. A quantum yield is a measure of the efficiency of photon emission. With this system the measured energy densities reached up to 559 kJ/kg (exceeding the target of 300 kJ/kg). So, the potential of the molecular photo switches is enormousnot only for solar thermal energy storage but for other applications as well.

Термоаккумулятор

Термоэнергетическая батарея – это физическая конструкция, используемая для накопления и высвобождения тепловой энергии. Такая тепловая батарея (также известная как TBat) позволяет временно сохранять энергию, доступную в один момент времени, и затем высвобождать её в другой. Основные принципы, лежащие в основе работы тепловой батареи, происходят на атомном уровне материи, когда энергия добавляется к или отнимается от твердого тела или жидкости, что вызывает изменение температуры вещества. Некоторые тепловые батареи также используют тепловой переход вещества через фазовый переход, что позволяет накапливать и высвобождать ещё больше энергии за счет разности энтальпии плавления или разности энтальпии испарения. Термоаккумуляторы очень распространены и включают в себя такие привычные предметы, как грелка. К ранним примерам тепловых батарей относятся каменные и глиняные печи, камни, нагреваемые в костре, и обжиговые печи. Хотя печи и обжиговые печи являются печами, они также являются системами хранения тепла, которые зависят от удержания тепла в течение продолжительного времени.

Типы тепловых аккумуляторов

Термоаккумуляторы обычно подразделяются на 4 категории, различающиеся по форме и областям применения, хотя в основе своей все они служат для накопления и возврата тепловой энергии. Они также отличаются способом и плотностью запасания тепла.

Термоаккумулятор с фазовым сменой

Материалы с изменением фазы, используемые для аккумулирования тепла, способны накапливать и отдавать значительное количество тепловой энергии при температуре, соответствующей изменению их фазового состояния. Выбор этих материалов обусловлен конкретными задачами, поскольку существует широкий диапазон температур, пригодных для различных применений, и широкий выбор материалов, меняющих фазу при разных температурах. К таким материалам относятся соли и воски, разработанные специально для определенных областей применения. Помимо созданных искусственно материалов, фазовым материалом является и вода. Скрытая теплота воды составляет 334 джоуля на грамм. Изменение фазы воды происходит при 0 °C (32 °F). Некоторые применения используют теплоемкость воды или льда для аккумулирования холода, другие – для аккумулирования тепла. Вода может использоваться в обоих режимах: лёд можно растопить для накопления тепла, а затем заморозить для обогрева помещения. Преимущество использования фазового перехода заключается в том, что определенная масса материала способна поглощать большое количество энергии без изменения своей температуры. Следовательно, тепловой аккумулятор, использующий фазовый переход, может быть легче, или в него можно поместить больше энергии, не допуская неприемлемого повышения внутренней температуры.

Термоаккумулятор

Термоаккумулятор с капсулой физически похож на теплоаккумулятор с фазовым переходом, поскольку представляет собой ограниченное количество физического материала, который нагревается или охлаждается для накопления или отдачи энергии. Однако в нефазовом инкапсулированном термоаккумуляторе температура вещества изменяется без изменения его агрегатного состояния. Поскольку фазовый переход не требуется, для использования в инкапсулированном термоаккумуляторе доступно гораздо большее количество материалов. Одним из ключевых свойств инкапсулированного термоаккумулятора является его объемная теплоемкость (VHC), также называемая удельной теплоемкостью по объему. В качестве веществ для этих термоаккумуляторов используются, например, вода, бетон, а также влажный или сухой песок. Примером инкапсулированного термоаккумулятора является бытовой водонагреватель с накопительным баком. Обычно этот термоаккумулятор медленно заряжается в течение примерно 30–60 минут для быстрого использования при необходимости (например, в течение 10–15 минут). Многие энергоснабжающие компании, понимая "термоаккумулирующую" природу водонагревателей, начали использовать их для поглощения избыточной возобновляемой энергии, когда она доступна, для последующего использования домовладельцем. Согласно вышеупомянутой статье,

Термоаккумулятор с наземным теплообменником

Грунтовой теплообменник (GHEX) – это участок земли, используемый как сезонный/годовой цикличный тепловой аккумулятор. Эти тепловые аккумуляторы представляют собой области земли, в которые проложены трубы для передачи тепловой энергии. Энергия добавляется в GHEX путем прокачки через трубы теплоносителя с более высокой температурой, что повышает температуру окружающей земли. Энергию из GHEX также можно извлекать, прокачивая через те же трубы теплоноситель с более низкой температурой. GHEX обычно реализуются в двух формах. Изображение выше демонстрирует так называемый "горизонтальный" GHEX, при котором для размещения труб в замкнутом контуре в земле используются траншеи. Также они создаются путем бурения скважин в землю – вертикальных или горизонтальных, – а затем в эти скважины вставляются трубы в виде замкнутого контура с U-образным изгибом на дальнем конце. Тепловую энергию можно добавлять или извлекать из GHEX в любое время. Однако чаще всего они используются как сезонные накопители тепловой энергии, работающие по годовому циклу: энергия извлекается из здания летом для его охлаждения и накапливается в GHEX. Затем эта же энергия извлекается из GHEX зимой для отопления здания. Этот годовой цикл накопления и отбора энергии хорошо предсказуем на основе энергетического моделирования обслуживаемого здания. Тепловой аккумулятор, используемый в этом режиме, является возобновляемым источником энергии, поскольку энергия, извлеченная зимой, восстанавливается в GHEX следующим летом в непрерывно повторяющемся цикле. Этот тип использует солнечную энергию, поскольку именно тепло солнца летом отбирается от здания и сохраняется в земле для использования в следующем зимнем сезоне для отопления. Существует два основных метода теплового отклика, используемых для определения теплопроводности и теплоемкости/теплодиффузии тепловых аккумуляторов GHEX – метод подгонки кривой одномерного логарифмического времени и недавно разработанный метод расширенного теплового отклика. Хороший пример годового цикла работы теплового аккумулятора GHEX можно увидеть в исследовании ASHRAE Building. Как видно на графике "Температура грунтового контура и окружающего воздуха по датам" (рисунок 2–7), легко заметить синусоидальную форму годового цикла температуры земли: тепло сезонно извлекается из земли зимой и возвращается в землю летом, создавая "тепловой заряд" земли в один сезон, который затем разряжается и движется в обратном направлении от нейтрального состояния до наступления следующего сезона. Другие, более продвинутые примеры наземных тепловых аккумуляторов, использующие специальные тепловые профили скважин, в настоящее время находятся в стадии исследований и раннего внедрения.

A ground heat exchanger (GHEX) is an area of the earth that is utilized as a seasonal/annual cycle thermal battery. These thermal batteries are areas of the earth into which pipes have been placed in order to transfer thermal energy. Energy is added to the GHEX by running a higher temperature fluid through the pipes and thus raising the temperature of the local earth. Energy can also be taken from the GHEX by running a lower temperature fluid through those same pipes. GHEX are usually implemented in two forms. The picture above depicts what is known as a "horizontal" GHEX where trenching is used to place an amount of pipe in a closed loop in the ground. They are also formed by drilling boreholes into the ground, either vertically or horizontally, and then the pipes are inserted in the form of a closed loop with a "u bend" fitting on the far end of the loop. Heat energy can be added to or removed from a GHEX at any point in time. However, they are most often used as a Seasonal thermal energy storage operating on an annual cycle where energy is extracted from a building during the summer season to cool a building and added to the GHEX. Then that same energy is later extracted from the GHEX in the winter season to heat the building. This annual cycle of energy addition and subtraction is highly predictable based on energy modelling of the building served. A thermal battery used in this mode is a renewable energy source as the energy extracted in the winter will be restored to the GHEX the next summer in a continually repeating cycle. This type is solar powered because it is the heat from the sun in the summer that is removed from a building and stored in the ground for use in the next winter season for heating. There are two main methods of Thermal Response Testing that are used to characterize the thermal conductivity and Thermal Capacity/Diffusivity of GHEX Thermal Batteries—Log Time 1 Dimensional Curve Fit and newly released Advanced Thermal Response Testing. A good example of the Annual Cycle nature of a GHEX Thermal Battery can be seen in the ASHRAE Building study. As seen there in the 'Ground Loop and Ambient Air temperatures by date' graphic (Figure 2–7), one can easily see the annual cycle sinusoidal shape of the ground temperature as heat is seasonally extracted from the ground in winter and rejected to the ground in summer, creating a ground "thermal charge" in one season that is not uncharged and driven the other direction from neutral until a later season. Other more advanced examples of Ground based Thermal Batteries utilizing intentional well bore thermal patterns are currently in research and early use.

Другие тепловые батареи

В оборонной промышленности первичные батареи из расплавленной соли называются "термическими батареями". Это неперезаряжаемые электрические батареи, использующие эвтектическую смесь ионных солей металлов с низкой температурой плавления (хлориды натрия, калия и лития, бромиды и т.д.) в качестве электролита, изготовленные из солей в твердом состоянии. Пока соли остаются твердыми, батарея может иметь длительный срок хранения – до 50 лет. После активации (обычно пиротехническим источником тепла) и плавления электролита, она отличается высокой надежностью, а также высокой удельной энергией и мощностью. Они широко применяются в военной сфере, например, в управляемых ракетах малого и большого размера, а также в ядерном оружии. Существуют и другие устройства, которые исторически назывались "термическими батареями", такие как тепловые пакеты для хранения энергии, используемые лыжниками для обогрева рук и ног (см. грелка для рук). Они содержат железный порошок, увлажненный соленой водой без кислорода, который быстро корродирует в течение нескольких часов, выделяя тепло при контакте с воздухом. Мгновенные охлаждающие пакеты поглощают тепло за счет нехимического изменения фазы, например, путем поглощения тепла растворения определенных соединений. Общим принципом для всех этих других типов "термических батарей" является необратимость протекающей реакции. Следовательно, эти батареи не предназначены для хранения и повторного использования тепловой энергии.

Электрические тепловые накопители

Накопительные обогреватели широко распространены в европейских домах с многотарифным учетом электроэнергии (традиционно использующим более дешевую электроэнергию в ночное время). Они состоят из керамических кирпичей высокой плотности или блоков феолита, нагреваемых электричеством до высокой температуры, и могут быть оснащены хорошей изоляцией и системами управления для постепенного высвобождения тепла в течение нескольких часов. Рекомендуется не использовать их в помещениях, где находятся маленькие дети, или в местах с повышенным риском возгорания из-за ненадлежащего содержания, что обусловлено высокими температурами поверхности. С ростом ветровой и солнечной энергетики (и других возобновляемых источников), обеспечивающих все большую долю энергии в электросетях некоторых стран, ряд коммерческих компаний изучают возможности крупномасштабного хранения электрической энергии. В идеале, избыток возобновляемой энергии преобразуется в высокотемпературное тепло высокого качества в теплоаккумуляторах с высокой степенью изоляции для последующего использования по мере необходимости. Перспективной технологией является применение вакуумно-сверхизолированных (VSI) теплоаккумуляторов. Использование электричества для генерации тепла, а не прямого нагрева от солнечных тепловых коллекторов, позволяет достигать очень высоких температур, что потенциально обеспечивает межсезонный перенос тепла – накопление высококачественного тепла летом от избыточной генерации фотоэлектрических установок для использования в течение следующей зимы с относительно небольшими потерями на хранение.

Хранение солнечной энергии

Солнечная энергия является одним из способов аккумулирования тепловой энергии. Большинство практических систем аккумулирования солнечной тепловой энергии обеспечивают хранение энергии на несколько часов или на один день. Однако, все большее количество объектов использует сезонное аккумулирование тепловой энергии (STES), позволяющее накапливать солнечную энергию летом для обогрева помещений зимой. В 2017 году жилой комплекс Drake Landing Solar Community в провинции Альберта, Канада, достиг 97% доли солнечного отопления в течение года, что стало мировым рекордом, достигнутым благодаря использованию STES. Комбинированное использование скрытой и явной теплоты возможно при высокотемпературном солнечном тепловом воздействии. Различные эвтектические металлические смеси, такие как алюминий и кремний, обладают высокой температурой плавления, подходящей для эффективной генерации пара, а материалы на основе высокоглиноземистого цемента демонстрируют хорошие характеристики хранения.

Сбор тепловой энергии

В насосном накоплении тепловой энергии (PHES) для хранения энергии используется система реверсивного теплового насоса, создающая разницу температур между двумя теплоаккумуляторами.

Изентропическая

Изентропические системы включают в себя два изолированных контейнера, заполненных, например, дробленой породой или гравием: горячий сосуд, аккумулирующий тепловую энергию при высокой температуре/давлении, и холодный сосуд, аккумулирующий тепловую энергию при низкой температуре/давлении. Сосуды соединены сверху и снизу трубами, а вся система заполнена инертным газом, таким как аргон. Это сопоставимо с эффективностью более 80%, достижимой при использовании гидроаккумулирующих электростанций. Другая предлагаемая система использует турбомашины и способна работать на значительно более высоких уровнях мощности. Применение фазопереходных материалов в качестве теплоаккумулирующего материала может повысить эффективность системы.