Table of Contents

Солнечные тепловые электростанции, также известные как системы концентрирования солнечной энергии (CSP), стали краеугольным камнем возобновляемых источников энергии в масштабе коммунальных услуг. Используя зеркала или линзы для концентрации солнечного света, эти установки производят высокотемпературное тепло, которое приводит в движение обычную паровую турбину или тепловой двигатель для выработки электроэнергии. Истинный игровой механизм, однако, заключается в их способности интегрировать системы накопления тепловой энергии (TES), которые отделяют теплоснабжение от производства электроэнергии. Эта способность позволяет солнечным тепловым установкам круглосуточно доставлять отводимую по требованию энергию, решая одну из самых постоянных проблем солнечной энергии: прерывистость. В последние годы значительные успехи в материалах для хранения, проектировании установок и операционных стратегиях привели к тому, что CSP с интегрированным хранением играет ведущую роль в глобальном энергетическом переходе. В этой статье рассматриваются передовые достижения, экономические выгоды и будущий потенциал этих систем.

Последние технологические разработки в области солнечного термохранилища

За последнее десятилетие наблюдается всплеск инноваций, направленных на повышение эффективности, стоимости и долговечности теплового хранения для установок CSP. Первоначально доминировали системы косвенной двухтанковой расплавленной соли (где тепло передается от теплопередающей жидкости к соли), в настоящее время промышленность изучает конфигурации прямого хранения, передовые составы соли и твердотельные носители. Эти разработки не только повышают рабочие температуры - повышая эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую - но также увеличивают продолжительность хранения от нескольких часов до более 12 часов, обеспечивая полную базовую нагрузку и даже возобновляемую энергию 24/7.

Высокотемпературная расплавленная соль и альтернативные жидкости

Традиционные нитратные соли (смесь нитратов натрия и калия) работают при температуре до 565 ° C. Новые солевые смеси на основе хлорида, такие как разработанные в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (] NREL ), могут выдерживать температуры выше 700° C. Эти высокотемпературные соли позволяют установкам CSP использовать более эффективные сверхкритические циклы мощности диоксида углерода (sCO2) вместо циклов пара Ранкина, потенциально повышая эффективность от ~ 40 % до более 50 %. Кроме того, жидкие металлы, такие как жидкий натрий и свинцовый висмут, исследуются для приема прямого поглощения, сочетая сбор и хранение тепла в одной петле и устраняя промежуточные теплообменники.

Материалы для усовершенствования фазовых изменений

Материалы с фазовым изменением (PCM) хранят скрытое тепло во время плавления и выделяют его при затвердевании, предлагая более высокую плотность энергии и стабильные температуры разряда по сравнению с разумным хранением тепла. Последние прототипы включают металлические пены и графитовые матрицы для повышения теплопроводности - критическое ограничение многих PCM. Например, инкапсулированные PCM в сферических оболочках (диаметр 0,5-10 мм) тестируются в системах хранения на упакованной кровати. Эти конструкции могут уменьшить объем резервуара для хранения на 30-50% по сравнению с расплавленной солью, снижая капитальные затраты и площадь участка.

Термохимическое хранение

Хотя все еще на стадии исследования и пилотного этапа термохимическое хранение (TCS) представляет собой границу длительного хранения с высокой плотностью. TCS использует обратимые химические реакции (например, уменьшение / окисление оксида металла или диссоциация аммиака / синтез) для хранения и высвобождения тепла. Теоретически TCS может достигать плотности энергии в 5-10 раз выше, чем расплавленная соль, и хранить тепло бесконечно при температуре окружающей среды с незначительными потерями. Такие проекты, как программа CSP:APOLLO SunShot Initiative и проект финансируемого ЕС HYDRA , продвигают проекты реакторов TCS с использованием таких материалов, как оксид кобальта, перовскитовые манганиты и петля кальция.

Основные типы решений для термохранилища

Комплексное хранение на заводах CSP подразделяется на три основные категории, каждая из которых имеет различные эксплуатационные характеристики и зрелость разработки.

Значимое теплохранилище

Это наиболее развернутая технология, основанная на изменении температуры среды хранения (твердой или жидкой) для удержания энергии. Расплавленная соль косвенного хранения (текущий стандарт) использует теплопередающую жидкость, такую как синтетическое масло, для нагрева двух резервуаров соли. Прямое хранение использует теплопередающую жидкость в качестве среды хранения, уменьшая потери теплообменника. Твердотельное разумное хранение использует бетон, камни или керамический кирпич в упакованных слоях; воздух или газ проходит через эти среды для зарядки и разрядки. Хорошо известный пример - завод Gemasolar в Испании, который использует расплавленную соль как теплопередающую и накопительную среду, обеспечивая 15 часов хранения при полной нагрузке.

Хранение сжатого тепла

Системы хранения скрытого тепла используют PCM, которые поглощают или выделяют тепло во время фазовых переходов (твердо-жидкие или твердо-твердые). Общие кандидаты PCM включают эвтектику нитратной/нитритной соли, гексагидрат магния и даже расплавленные металлы. Хранение латента обеспечивает более высокую плотность энергии и почти постоянную температуру во время разряда, что выгодно для стабильной выработки энергии. Однако такие проблемы, как низкая теплопроводность, изменение объема и коррозия, могут ограничить срок службы цикла. Текущие исследования сосредоточены на композитных PCM со встроенными наночастицами или углеродными нановолокнами для повышения проводимости, как изучено немецким аэрокосмическим центром DLR .

Термохимическое хранение

Как описано выше, TCS связывает тепло в обратимых химических связях. Хотя он все еще предрекает себя продаже, он имеет огромные перспективы для очень высоких температур (выше 800°C) и длительного хранения (от дней до месяцев). Реакции твердого газа (например, оксид кальция + вода ≤ гидроксид кальция или металл + кислород ≤ оксид металла) требуют надежных конструкций реакторов для обработки больших изменений объема и обеспечения стабильности материала. Пилотные проекты, такие как проект RECYCLE-SALT (финансируемый Министерством энергетики США), тестируют TCS, каскадированный с расплавленной солью, чтобы продлить хранение более чем на 12 часов экономически эффективно.

Преимущества интегрированного хранения для растений CSP

Интеграция теплового хранилища превращает CSP из прерывистого генератора в гибкий, диспетчеризируемый источник энергии, который может поддерживать ветровую и солнечную фотоэлектрическую энергию. Преимущества выходят за рамки надежности, включая экономические, сетевые и экологические преимущества.

  • Непрерывное электроснабжение: Заводы могут вырабатывать электроэнергию даже после захода солнца или в пасмурные периоды. Комплекс Noor Ouarzazate в Марокко, имеющий до 7,5 часов хранения, хорошо обеспечивает питание в ночное время. Некоторые заводы, такие как Cerro Dominador в Чили (17.5 часов хранения), могут добиться почти круглосуточной работы в течение лета.
  • Пикоподъемность: Хранимая тепловая энергия может быть отправлена, когда спрос и цены на электроэнергию являются самыми высокими. На многих рынках CSP с хранением получает более высокие доходы, чем солнечная фотоэлектрическая энергия, потому что она может поставлять вечерние пики (5-10 вечера).
  • Сокращение запасов ископаемого топлива: В регионах с высоким проникновением солнца CSP с хранением может вытеснить установки пикеров природного газа. Исследование NREL показало, что включение 10% хранения CSP в высоковозобновляемой сети может сократить спрос на природный газ для балансировки на 30%.
  • Система стабильности и вспомогательных услуг: Заводы CSP с хранением могут обеспечивать инерцию, регулирование частоты и поддержку напряжения — характеристики, которые являются сложными для возобновляемых источников энергии на основе инвертора. Гигант DEWA CSP Park в Дубае (всего 950 МВт) предназначен для обеспечения твердой возобновляемой мощности, которая отвечает ночному спросу Дубая.
  • Низкая уравновешенная стоимость электроэнергии (LCOE): В то время как первоначальная стоимость CSP с хранением остается выше, чем солнечная фотоэлектрическая энергия, стоимость диспетчерской мощности часто делает LCOE конкурентоспособной, когда рассматриваются долгосрочные контракты или затраты на интеграцию в сеть. Отчет IRENA о затратах на возобновляемую энергию в 2019 году показал, что CSP LCOE упал на 68% в период с 2010 по 2019 год, при этом дальнейшие сокращения ожидаются за счет расширенного хранения.

Тематические исследования: успешная интеграция хранения в CSP

Несколько коммерческих заводов демонстрируют зрелость и надежность CSP с интегрированным хранилищем, служащим чертежами для будущих проектов.

1. Гемасолярная солнечная теплоэлектростанция (Испания)

С 2011 года Гемасоларная установка мощностью 19,9 МВт в Фуэнтес-де-Андалусия была первым коммерческим объектом CSP, использующим расплавленную соль в качестве теплопередающей и накопительной среды. Его 15-часовая емкость позволяет непрерывно работать 24 часа в течение летних месяцев. Гемасолар достиг коэффициента мощности, превышающего 70% в течение нескольких лет, доказав, что возобновляемая базовая мощность осуществима. Успех завода повлиял на проект многих последующих башен, включая проект Серро Доминадор.

2. Комплекс Нур Уарзазат (Марокко)

Этот комплекс мощностью 580 МВт, включающий четыре фазы (Noor I-IV), интегрирует параболическое корыто (Noor I и II, 3-7 часов хранения), вышку электропитания (Noor III, 7 часов хранения) и PV (Noor IV). Noor III с его 7-часовым хранилищем расплавленной соли был крупнейшей в мире башней с хранением по ее завершении (2018 г. Комплекс демонстрирует гибридные синергии хранения CSP + PV, используя CSP для стабилизации ночной выработки всего объекта. Проект сократил выбросы CO2 в Марокко более чем на 700 000 тонн в год и поставляет электроэнергию по высококонкурентному тарифу для Африки.

3. Crescent Dunes Solar Energy Project (США, реконструкция)

Завод Crescent Dunes мощностью 110 МВт в Неваде, который вышел в сеть в 2015 году, первоначально использовал вышку из расплавленной соли с 10 часами хранения. Несмотря на технические и финансовые проблемы, он стал испытательным полигоном для инноваций в области приемника и управления теплом. В 2022 году он был приобретен и отремонтирован новым оператором. Уроки, извлеченные из его ранних эксплуатационных проблем, проинформировали об улучшенных конструкциях приемника, управлении химией соли и системах управления для новых проектов.

Экономическое и экологическое воздействие

Сочетание CSP и хранения создает значительную экономическую и экологическую ценность, особенно в регионах с высоким прямым нормальным излучением.

Тенденции затрат

Стоимость CSP с хранением быстро снизилась. Согласно IRENA, глобальный средневзвешенный LCOE для CSP упал с $0,346/кВтч в 2010 году до $0,108/кВтч в 2019 году. Заводы, награжденные на недавних аукционах (например, Чили, Дубай, Китай), достигли LCOE ниже $0,07/кВтч для хранения в течение 12+ часов. Это обусловлено более крупными размерами завода (200–950 МВт), более высокими эксплуатационными температурами и более дешевыми носителями. Цель Министерства энергетики США в рамках инициативы SunShot 2030 заключается в достижении $0,05/кВтч для базовой нагрузки CSP с 12-часовым хранением.

Экологические преимущества

CSP с хранением вытесняет выработку ископаемого топлива более эффективно, чем прерывистая солнечная фотоэлектрическая энергия, потому что она может непосредственно заменять угольные и газовые установки в заказе на отправку. Анализ жизненного цикла, проведенный Институтом солнечных энергетических систем Фраунгофера , показал, что CSP с хранением расплавленной соли выделяет только 15-22 г CO2eq / кВтч в течение всего срока службы по сравнению с ~950 г для угля и ~450 г для природного газа. Кроме того, теплохранилища (соли, бетон, камни) в изобилии и перерабатываются, а потребление воды - когда-то проблема - было резко сокращено с помощью сухого охлаждения или гибридных систем охлаждения в засушливых регионах.

Создание рабочих мест и местная промышленность

Заводы по хранению CSP требуют различных навыков: инженерное дело, производство (зеркала, трубы, соли), строительство и долгосрочные операции. Башня CSP мощностью 100 МВт с 10 часами хранения может создать около 1500 строительных рабочих мест и 50-60 постоянных рабочих мест. Многие компоненты могут быть получены локально, например, стальные резервуары, соль из близлежащих шахт и бетон, поддерживающие внутреннее производство.

Будущее и новые тенденции

Траектория для CSP с интегрированным хранилищем яркая, на горизонте есть несколько преобразующих инноваций.

Сверхкритические циклы мощности CO2

Замена парового цикла Ранкина сверхкритическим циклом CO2 (sCO2) Brayton обеспечивает более высокую тепловую эффективность (45-50%) и меньший турбомашинный завод. В настоящее время ведется несколько пилотных установок, включая объект сверхкритической трансформационной электроэнергии (STEP) в Техасе, финансируемый DOE. В сочетании с высокотемпературным хранением (хлоридные соли или жидкие металлы), циклы sCO2 могут снизить CSP LCOE до уровня ниже 0,06 доллара США / кВтч к 2030 году.

Гибридные аккумуляторные установки CSP-PV

Все чаще разработчики объединяют CSP с солнечным фотоэлектрическим и аккумуляторным накопителем для оптимизации стоимости и диспетчеризации. PV обрабатывает дневное пиковое солнце по низкой цене, CSP с расплавленной солью обеспечивает вечернюю и ночную мощность, а небольшие батареи покрывают переходные пандусы. Такие проекты, как Noor Midelt (Марокко) и DEWA CSP Park , являются пионерами этой гибридной модели.

Цифровые близнецы и оптимизация ИИ

Операторы развертывают цифровых двойников - виртуальные копии установки CSP - которые используют прогнозы погоды в реальном времени, сигналы сетки и уровни хранения для оптимизации отправки. Алгоритмы машинного обучения предсказывают загрязнение, потерю тепла приемника и деградацию соли, что позволяет прогнозировать техническое обслуживание и сокращение простоев. Этот подход, основанный на данных, как ожидается, улучшит доступность установки с ~ 90% до > 95%.

Долгосрочное хранение после 24 часов

В настоящее время изучаются концепции сезонного хранения с использованием TCS или водорода из электролиза, управляемого CSP. Например, проект Hydra призван продемонстрировать прототип TCS мощностью 100 кВтч, способный хранить солнечное тепло с лета до зимы. Хотя еще десятилетие от коммерциализации, такие системы могут обеспечить 100% возобновляемые сети в высокоширотных регионах.

В заключение, солнечные тепловые электростанции с интегрированными решениями для хранения энергии превратились из нишевых демонстраторов в надежные, конкурентоспособные по стоимости активы чистой энергии. Преодолев перебои, они предлагают операторам сетей и коммунальным предприятиям проверенный путь для замены базовой нагрузки на ископаемое топливо. При продолжении НИОКР в передовые соли, материалы для фазового изменения, термохимическое хранение и высокоэффективные энергетические циклы, CSP с хранением будет занимать важную роль в глобальном портфеле декарбонизации. По мере того, как масштабы развертывания и затраты продолжают падать, эти установки будут не только производить электроэнергию по требованию, но и служить устойчивыми столпами возобновляемой энергетической сети.