Термосъхранението: предимства спрямо водорода и електрификацията

Съхранението на топлина остава най-рентабилният метод за съхранение на енергия, установиха немски изследователи (снимка: Bartleby08 в Wikimedia, CC SA 4.0)

Ново немско проучване показва предимствата на съхранението на топлинна енергия като част от декарбонизацията на промишлени процеси. Изследователите стигат до извода, че технологията носи ясни предимства от гледна точка на разходите, изпреварвайки водорода и електрификацията откъм разходна ефективност.

Съхранението на топлинна енергия е по-изгодната технология за резервиране на електрически мрежи и производство на електроенергия от възобновяеми източници, сочи нов анализ на Kraftblock, немски специалист по съхранение на топлинна енергия, и немската консултантска компания DWR Eco. Като цяло положителните резултати от проучването не са изненадващи, но все пак биха могли да привлекат вниманието, подчертавайки по-значителните икономически предимства на технологията.

Термо-съхранение

Съхранението на топлинна енергия представлява складиране на топлина за последваща употреба. Използвайки много различни технологии, термосъхранението позволява излишната топлинна енергия да се съхранява за часове, дни или месеци. Мащабът както на съхранение, така и на използване може да варира от много малък до много голям – от отделни процеси до области, градове или региони.

Примери за използване на този подход са балансирането на търсенето на енергия между деня и нощта, съхраняване на лятна топлина за зимно отопление или зимен студ за лятно охлаждане (сезонно съхранение на топлинна енергия).

Широко приложение

Системите за съхранение на топлинна енергия могат да се зареждат с отпадъчна топлина, особено от промишлени процеси, или с електричество и да съхраняват енергия под формата на топлина при температура до 1300°C. Изследователите казват, че подобни системи са подходящи за тежки индустрии като стомана, металообработка и химикали, където процесната топлина представлява до две трети от потреблението на промишлена енергия.

Проучването изследва как топлинното съхранение може да доставя топлина за процесите, като същевременно поддържа електрическите мрежи. Технологията е приложима за всички ключови пазари, включително Съединените щати, Европа и Австралия. Технологията носи редица предимства пред водорода и директната електрификация. Проучването показва, че чрез нея индустриите в Германия могат да намалят разходите за електроенергия с до 30%.

„Резултатите показват, че технологията е много по-евтина и много по-ефективна от водорода, а също и по-евтина от директната електрификация“, каза Мартин Шихтел, управляващ директор и съосновател на Kraftblock.

Например, в „екстремната“ ценова среда в Австралия системите за топлинно съхранение могат да постигнат възвръщаемост над 150%. Високите и продължителни отрицателни цени на електроенергията, заедно с големите „ножици“ между отрицателните и последващите положителни цени, превръщат топлинното съхранение в „нетно-положителен сценарий“. През 2023 г. отрицателните цени на електроенергията представляваха 20% от общия брой часове на пазара.

Германия също е изправена пред нарастваща нужда от повече гъвкавост на мрежата. Това прави съхранението на топлинна енергия „не само технологично предимство, но и съществено решение за енергийните системи и индустрии“, каза съоснователят на Kraftblock Сузане Кьониг. Тези системи струват много по-малко в сравнение с големите батерии и предлагат по-голяма продължителност на съхранение на енергия.

Технологии за съхранение

Директното съхранение на топлина е най-често използваният метод. Топлинната енергия се запазва чрез даден носител, при който температурата бива повишена или намалена. Този тип съхранение е най-достъпният.

Материалите обикновено са евтини и безопасни. Една от най-евтините и най-често използвани опции е резервоар за вода. През последните години се използват и други носители като разтопени соли или метали, които могат да се нагряват до по-високи температури и следователно предлагат по-висок капацитет за съхранение. Енергията може да се съхранява под земята, в подземен резервоар, или в някакъв вид топлопреносна течност, протичаща през система от тръби, разположени вертикално в U-образни структури (сондажи) или хоризонтално в изкопи.

Друг тип система предполага сухо съхранение, при което топлината се съхранява чрез нагряващ се инертен материал – например ситно натрошени скали – и работният флуид, обикновено въздух, протича през „легло“ от затоплените камъни или керамични тухли, за да добави или извлече топлина.

Технологията на разтопената сол се използва най-често за съхраняване на слънчева енергия при високи температури. Разтопените соли се поддържат в течно състояние при температури от няколкостотин градуса. Понастоящем това е най-честото решение за акумулиране на топлина в централите на база концентрирана слънчева енергия. Топлината може по-късно да се преобразува в пара за захранване на конвенционални парни турбини и генериране на електричество по-късно. Използват се различни смеси от соли (напр. натриев нитрат, калиев нитрат и калциев нитрат). Съществува опит с такива системи и извън соларните централи – например в химическата и металургичната промишленост.

Съхранението на гореща вода и пара в резервоари, езера и пещери е друг често използван подход. Най-често е под формата на добре изолиран стоманен резервоар, съдържащ гореща вода и пара под налягане. Този метод се използва при производството на топлина от променлив или постоянен източник и променлива нужда от топлина.

Този тип се използват масово в скандинавските страни за съхранение на топлина за няколко дни, за отделяне на производството на топлина и електроенергия и за подпомагане на посрещането на пиковите нужди. Някои градове използват цели изолирани езера, нагрявани от слънчева енергия, като източник на топлина за термопомпи за централно отопление.

Технологията на горещия силиций предлага много по-високи температури на съхранение от солите с последващ по-голям капацитет и ефективност. Проучва се като възможна по-енергийно ефективна технология за съхранение. Силицият е в състояние да съхранява повече от 1 MWh енергия на кубичен метър при 1400°C. Допълнително предимство е относителното изобилие на силиций в сравнение със солите, използвани за същата цел.

Разтопеният алуминий е друг топлоносител, който може да съхранява топлинна енергия. Тази технология е разработена от шведи. Материалът се нагрява до 600°C. Когато е необходимо, енергията се транспортира до двигател на Стърлинг с помощта на течност за пренос на топлина.

Съхранението на топлина с помощта на масла набира скорост в последните години за приложения със средни до високи температури. Използват се различни видове масла в зависимост от температурния диапазон и специфичните изисквания на системата за съхранение на топлинна енергия: минерални масла, синтетични масла, растителни масла. Последните са все по-търсени, защото са възобновяеми и биоразградими.

Използват се многобройни критерии за избор на масло за конкретно приложение: висок капацитет за съхранение на енергия и специфичен топлинен капацитет, висока топлопроводимост, висока химическа и физическа стабилност, нисък коефициент на разширение, ниска цена, наличност, ниска корозия и съвместимост със смесени материали и др.