Достижения в области термохимического хранения энергии для долгосрочного энергоснабжения

Понимание термохимического хранения энергии

Термохимическое хранение энергии (ТХЭ) представляет собой сдвиг парадигмы в том, как мы храним и отправляем энергию для долгосрочных применений. В отличие от обычных батарей, которые хранят электрическую энергию напрямую, или разумное хранение тепла, которое зависит от температурных градиентов, ТХЭ использует обратимые химические реакции для поглощения, хранения и высвобождения тепловой энергии с минимальными потерями с течением времени. Основной принцип элегантный: эндотермическая реакция поглощает тепло во время зарядки, преобразуя реагенты в продукты, которые могут храниться бесконечно при температуре окружающей среды. Когда энергия необходима, обратная экзотермическая реакция запускается, высвобождая накопленное тепло для преобразования в электричество или прямого теплового использования.

Привлекательность TCES заключается в его способности отделять производство электроэнергии от спроса в течение периодов от дней до целых сезонов.По мере того, как доля переменных возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия и ветер, продолжает расти, потребность в доступном, высокоплотном, долгосрочном хранении становится критической. Системы TCES могут быть интегрированы с концентрацией солнечных электростанций, восстановлением тепла промышленных отходов и даже блоками питания в масштабе сети, предлагая гибкий путь к полностью возобновляемой энергетической системе.

Как работает термохимическое хранилище

В его основе система ТКЭС содержит химический реактор, емкость для хранения разъединенных реагентов и теплообменную сеть. При зарядке тепловая энергия приводит в действие эндотермическую реакцию, разрывая химические связи и создавая высокоэнергетические продукты. Эти продукты хранятся отдельно до разряда, после чего их рекомбинируют в контролируемой экзотермической реакции для выработки тепла при полезной температуре.

Общие семьи реакций включают:

Каждый тип реакции предлагает различные температурные диапазоны, плотность энергии и характеристики цикличности, что делает выбор материала критическим фактором проектирования.

Последние достижения в области материалов и реакторов

Новые солевые гидрогены и гидроксиды

Недавние прорывы в исследованиях гидрата соли были сосредоточены на преодолении общих механизмов деградации, таких как деликсценция, плавление и агломерация. Исследователи разработали композитные структуры, встраивающие гидраты соли в пористые матрицы — кремнеземные гели, цеолиты и расширенный графит, которые улучшают теплопроводность, ограничивают соль в стабильных порах и поддерживают цикличность реакции. Например, гексагидратные композиты из хлорида магния (MgCl2) продемонстрировали стабильную цикличность более 100 циклов с плотностью энергии более 1,5 ГДж / м3. Системы гидроксида на основе кальция и стронция также разрабатываются с допантами для тонкой настройки кинетики разложения и более низкой рабочей температуры.

Металлооксидные системы Redox

TCES на основе Redox набрал обороты, поскольку он избегает необходимости обрабатывать коррозионные газы, такие как CO2 или NH3. Оксид кобальта (Co3O4 / CoO) и оксид марганца (Mn2O3 / Mn3O4) предлагают высокотемпературную работу (800-1200°C) и отличную совместимость с солнечными приемниками. Недавние исследования показали, что допинг с железом или медью может снизить температуру снижения и улучшить кинетику обмена кислорода. Программа SUNLAMP Министерства энергетики США поддержала разработку реакторов с жидким слоем для прямого солнечного нагрева окислительно-восстановительных частиц, что позволяет непрерывно работать в дневные солнечные часы.

ТСЭС на основе аммиака

Синтез аммиака является одной из наиболее хорошо характеризуемых химических реакций в промышленном масштабе. Использование его для хранения энергии включает разложение аммиака на азот и водород (эндотермический, 400-700°C) и затем повторное синтезирование аммиака (экзотермический), когда требуется мощность. Исследования в Ноттингемском университете и другие оптимизировали железо-рутениевые катализаторы для быстрой, обратимой работы при умеренных давлениях. Пилотная установка в Австралии, поддерживаемая Австралийским агентством по возобновляемым источникам энергии, недавно продемонстрировала блок TCES на основе аммиака мощностью 150 кВт с эффективностью в оба конца выше 70%. Поскольку и аммиак, и газы разложения могут храниться в виде сжатых жидкостей, плотность энергии остается очень высокой - около 3-4 ГДж / м3.

Композитные материалы и добавки

Для решения проблемы плохой теплопроводности, типичной для твердых реагентов, исследователи включают в себя проводящие добавки, такие как графитовые хлопья, углеродные нанотрубки или металлические пены. Эти композиты не только улучшают теплообмен, но и обеспечивают структурную целостность посредством повторяющихся циклов расширения и сокращения. Новые пути синтеза, такие как обработка золгеля и литье под замораживанием, позволяют создавать иерархические поровые структуры, которые максимизируют реактивную площадь поверхности при сохранении механической стабильности. В недавней статье в ] Природная энергия выделен оксид кальция / гидратированный солевой композит, который достиг плотности энергии 1,8 ГДж / м3 с менее чем 10% деградацией после 500 циклов.

Сравнение с другими технологиями длительного хранения

Литий-ионные батареи

Литий-ионные батареи доминируют в кратковременном хранении, но сталкиваются с экономическими и материальными ограничениями более 4-8 часов. Их плотность энергии (0,5-0,7 ГДж / м3) значительно ниже, чем TCES, и скорость саморазряда 2-5% в месяц не может быть пренебрежена для сезонного хранения. Кроме того, деградация батареи в течение тысяч циклов остается проблемой затрат. TCES предлагает более низкую эффективность круглого пути (обычно 40-65% при включении преобразования тепла в электричество), но может хранить энергию в течение месяцев с незначительными потерями и использует обильные нетоксичные материалы.

Накачанное гидрохранилище

Насосная гидроэнергетика является действующей для длительного хранения, с ~ 90% эффективностью кругосветного путешествия и низкой стоимостью. Однако ее географические ограничения и ограниченная масштабируемость воздействия на окружающую среду. TCES может быть размещен почти в любом месте, имеет гораздо более высокую плотность энергии (до 10 × больше на единицу объема) и избегает огромных затрат на гражданское строительство водохранилищ. Для пустынных концентрирующих солнечных электростанций TCES является естественным соединением, где доступность воды может быть скудной.

Расплавленная соляная термальная складская

Системы расплавленной соли (обычно нитратные соли) являются самыми современными для установок CSP, сохраняя разумное тепло при 290-565 ° C. Их плотность энергии составляет около 0,5-0,7 ГДж / м3, а потери тепла увеличиваются с продолжительностью хранения из-за требований к паразитной насосной и изоляционной емкости. TCES может хранить такое же количество энергии в доле объема, и поскольку хранимые продукты химически стабильны при температуре окружающей среды, потери тепла во время хранения становятся незначительными. Это делает TCES особенно привлекательным для длительности хранения, превышающей 24 часа.

Основные преимущества термохимического хранения энергии

Высокая плотность энергии и длительность

При теоретической плотности энергии 2-5 ГДж/м3 (в зависимости от реакции) ТКЭС может хранить энергию в течение нескольких дней в компактном пространстве. Практические системы уже демонстрируют 1,5-2,5 ГДж/м3, что намного превосходит варианты расплавленной соли или батареи. Эта компактность снижает землепользование, затраты на строительство и требования к материалам.

Почти нулевой саморазряд

Возможно, самое убедительное преимущество сезонного хранения: как только химические продукты отделяются и хранятся при температуре окружающей среды, накопленная энергия остается запертой в химических связях на неопределенный срок. Во время хранения не требуется теплоизоляция, и нет паразитного потребления энергии. Это делает TCES идеальным для захвата избыточной летней солнечной энергии для зимнего отопления или избытка энергии ветра для последующей отправки.

Масштабируемость и модульность

Реакторы ТКЭС могут быть построены как модульные блоки — от жилых систем мощностью 100 кВт до электросетевых установок мощностью 100 МВт. Одинаковая химия может быть адаптирована для различных масштабов с использованием стандартизированных реакционных контейнеров и компонентов для обработки газа. Эта модульность снижает производственные затраты за счет массового производства и упрощает обслуживание, позволяя обслуживание по единицам без остановки системы.

Экологические и безопасные преимущества

Большинство материалов, которые могут быть предложены для использования в ТКЭС — карбонат кальция, оксид магния, оксиды металлов — в изобилии, нетоксичны и пригодны для вторичной переработки. Не требуется никаких редкоземельных элементов или конфликтных минералов. Риск пожара значительно ниже, чем для литиевых батарей, и системы работают в безопасном режиме, в условиях ограниченного давления. Утилизация в конце срока службы проста, и многие материалы могут быть повторно использованы непосредственно в цементной или удобрительной промышленности после вывода из эксплуатации.

Проблемы и текущие направления исследований

Материальное разложение и стабильность велосипеда

Повторное тепловое циклирование может вызвать спекание, агломерацию или фазовую сегрегацию, которая уменьшает реактивную площадь поверхности и снижает плотность энергии с течением времени. Гидратированные соли склонны к проблемам плавления и повторной кристаллизации, в то время как карбонаты страдают от засорения пор мелкими частицами. Исследования высокотемпературных ингибиторов спекания, наноструктурированных покрытий и передовых алгоритмов контроля реакции активно решают эти проблемы. Например, было показано, что осаждение атомного слоя глинозема на частицах CaO сохраняет реактивность в течение 100 циклов.

Теплообмен и проектирование реакторов

Твердофазные реагенты часто имеют плохую теплопроводность (0,1-1 Вт / мК), ограничивая скорость теплопередачи во время зарядки и разрядки. Стратегии включают в себя реакторы с жидким слоем, которые обеспечивают отличный газо-твердый контакт и теплообмен; непрямой теплообмен с использованием встроенных трубок с теплообменными жидкостями; и системы движущегося слоя, которые рециркулируют частицы между реактором и шахтой хранения. Вычислительная динамика жидкости (CFD) и моделирование дискретного метода элементов (DEM) в настоящее время используются для оптимизации внутренних элементов реактора и минимизации тепловых градиентов.

Пути снижения затрат

В настоящее время системы ТКЭС стоят дороже, чем хранение расплавленной соли или аккумуляторных батарей на кВт-ч, в основном из-за сложности реактора и капитальной стоимости газоперерабатывающего оборудования. Однако прогнозы стоимости от Международного энергетического агентства (МЭА) предполагают, что при массовом производстве стандартизированных реакторных модулей ТКЭС может достичь 20–30 / кВт-ч к 2030 году, что конкурентоспособно с гидронакачкой. Исследования также изучают конфигурации с открытым контуром, где рабочий газ выпускается (например, CO2 из карбонатов) и позже повторно захватывается из атмосферы, устраняя необходимость в резервуарах для хранения под высоким давлением.

Интеграция с электросетями и возобновляемыми источниками

Подключение ТКЭС к существующей электрической сети требует эффективного преобразования тепла в электричество. Сверхкритические циклы CO2 Brayton и усовершенствованные паровые циклы Rankine могут достигать 50% + эффективности при высоких температурах, доступных из окислительно-восстановительных и аммиачных систем. Между тем, прерывистая природа солнечного тепла может быть сглажена путем соединения ТКЭС с тепловыми буферами или с помощью работающих реакторов в полуэтапном режиме. Несколько исследовательских проектов, финансируемых Европейским союзом (например, TCES-h2020) и Министерством энергетики США (например, «STORE»), проводят полевые испытания полномасштабной интеграции с реальными установками CSP и промышленными объектами.

Приложения и проекты реального мира

Пилотные развертывания уже демонстрируют жизнеспособность TCES в масштабе. Проект TES-Box в Швеции использует систему гидроксида магния мощностью 5 МВтч для хранения тепла с электростанции на биомассе для централизованного отопления. В Австралии прототип TCES на основе 10 тонн аммиака, построенный Университетом Ньюкасла, обеспечивает резервную мощность для удаленной добычи. Немецкий аэрокосмический центр (DLR) построил реактор на оксиде кальция мощностью 1 МВт на солнечной башне Юлих, который достиг непрерывного 8-часового разряда при 650°C. В Китае установка CSP мощностью 100 МВт в провинции Ганьсу включает в себя блок TCES с использованием реакций на основе карбида кальция для продления выработки электроэнергии с 8 часов до 24 часов в день.

Эти проекты подтверждают базовую технологию и предоставляют данные для расширения. Они также подчеркивают универсальность TCES: от промышленного рекуперации тепла отработанного (где температура слишком высока для гидратов, но идеально подходит для оксидов металлов) до солнечного технологического тепла для химического производства, спектр применения продолжает расширяться.

Будущее и выводы

В то время как остаются значительные инженерные проблемы, особенно в стабильности материалов, конструкции реактора и стоимости, быстрые темпы инноваций сокращают разрыв между лабораторными прототипами и коммерческим развертыванием. Международное сотрудничество, такое как задача МЭА 42 по термохимическому хранению, ускоряет обмен знаниями и устанавливает стандартные протоколы испытаний.

Заглядывая в будущее, в следующем десятилетии, вероятно, появятся первые многочасовые установки ТКЭС, подключенные к национальным сетям, что обусловлено падением стоимости возобновляемой электроэнергии и растущим спросом на надежную, диспетчерскую чистую энергию. По мере развития технологии она вполне может стать основой инфраструктуры длительного хранения, дополняя батареи для краткосрочной балансировки и гидронакачки для геологической осуществимости. Для регионов с высоким солнечным или ветровым потенциалом, но ограниченными водными или земельными ресурсами для традиционного хранения, ТКЭС предлагает компактную, безопасную и устойчивую альтернативу.

In summary, advances in thermochemical energy storage are not just incremental improvements—they represent a fundamental shift toward chemically-based, long-duration power supply that can bridge the gaps between generation and demand on timescales that matter for a fully renewable grid.