Как термоэнергетическое хранение повышает эффективность концентрированных солнечных электростанций
Критическая роль термоэнергетического хранения в современных концентрированных солнечных электростанциях
Концентрированные солнечные электростанции (ЦСП) представляют собой одну из наиболее масштабируемых и диспетчеризируемых форм генерации возобновляемой энергии. В отличие от фотоэлектрических систем, которые преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество, установки ЦСП используют зеркала или линзы для концентрации солнечного света на приемнике, генерируя высокотемпературное тепло, которое приводит в движение обычный турбинный генератор. Этот тепловой путь открывает дверь к мощному преимуществу: возможность хранить тепло напрямую и отправлять электроэнергию по требованию. Термическое хранилище энергии (ТЕС) появилось в качестве стержня, который превращает ЦСП из прерывистого источника в твердого, дружественного к сети поставщика электроэнергии. Отделяя теплосбор от производства электроэнергии, системы ТЭС значительно улучшают факторы мощности установки, стабильность сети и общую экономическую жизнеспособность. В этой статье исследуется, как работает ТЭС, различные доступные технологии хранения и ощутимые способы повышения эффективности и надежности установок ЦСП во всем мире.
Что такое термоэнергетическое хранилище и почему оно важно?
Хранение тепловой энергии захватывает избыточную тепловую энергию, производимую в периоды высокого солнечного излучения, и удерживает ее для последующего использования. В контексте CSP это накопленное тепло может быть привлечено для генерации пара и запуска турбин в течение нескольких часов после захода солнца или во время прерывистого облачного покрова. Основной принцип прост: преобразовывать солнечный свет в тепло, хранить это тепло в среде с высокой тепловой мощностью и низкими потерями тепла, а затем выпускать его, когда электричество необходимо больше всего.
Значение TES выходит далеко за рамки простого удобства. Без хранения установка CSP работает только тогда, когда светит солнце - обычно от 2000 до 2500 эквивалентных часов полной нагрузки в год. При адекватном TES эта цифра может более чем удвоиться, достигая 5000-6000 часов. Это улучшенное использование радикально снижает уравновешенную стоимость электроэнергии (LCOE) и делает CSP конкурентоспособным с пиковыми установками, работающими на ископаемых. Кроме того, TES позволяет CSP предоставлять вспомогательные услуги, такие как регулирование частоты и поддержка напряжения, что делает его ценным активом для операторов сетей.
Ведущие проекты CSP по всему миру, такие как комплекс Noor Ouarzazate в Марокко и завод Crescent Dunes в Неваде, демонстрируют реальный потенциал TES. Эти объекты включают в себя хранение расплавленной соли, что позволяет им генерировать энергию хорошо в ночное время, часто работая 24/7 в пиковые летние месяцы.
Как TES повышает эффективность CSP: многомерное преимущество
Повышение эффективности от интеграции TES с CSP не ограничивается более длительной эксплуатацией турбины. Они каскадируются в тепловой, электрической и экономической областях. Ниже приведены основные механизмы, с помощью которых TES повышает общую производительность установки.
Расширенный фактор генерации и мощности
Наиболее очевидным преимуществом является возможность производить электроэнергию за пределами светового дня. Завод CSP с 8-12 часами расплавленной соли TES может достичь коэффициента мощности 50-70% по сравнению с 20-25% без хранения. Эта расширенная генерация означает, что одно и то же солнечное поле и блок питания производят гораздо больше мегаватт-часов в год, распределяя затраты основного капитала на большую выработку энергии и снижая LCOE.
Стабильность и диспетчеризация сети
Электросети требуют постоянного баланса между спросом и предложением. Солнечные и ветровые ресурсы являются переменными, но CSP с TES могут быть отправлены по команде. Операторы установок могут хранить тепло в течение дня, удерживать его и выпускать его во время вечернего пика, когда цены на электроэнергию самые высокие. Эта диспетчеризация снижает потребность в установках пикеров природного газа и помогает операторам сетей управлять нарастающими событиями. Исследования Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) подчеркивают, что CSP, оснащенный TES, может обеспечить прочную мощность, сравнимую с угольными или газовыми установками, но с нулевыми выбросами.
Улучшение использования тепла и снижение паразитарных потерь
На установке CSP без хранения блок питания должен быть отведен точно к пиковой тепловой мощности от солнечного поля. Это часто означает, что турбина работает при частичной нагрузке рано утром или поздно днем, снижая эффективность. TES действует как тепловой буфер, позволяя солнечному полю быть негабаритным относительно турбины. Турбина может затем работать в своей точке проектирования в течение большего количества часов в день, оптимизируя термодинамический цикл. Кроме того, TES уменьшает тепловой цикл турбины, что снижает затраты на техническое обслуживание и продлевает срок службы оборудования.
Снижение затрат за счет улучшения интеграции
TES также снижает стоимость оборудования для нисходящего потока. Поскольку блок питания может быть меньше по сравнению с солнечным полем, капитальные затраты на турбины, генераторы и системы охлаждения снижаются. Сама среда хранения - обычно расплавленная соль - относительно недорогая (примерно 25-50 долларов за кВт-ч тепловой), что делает ее экономически эффективным способом хранения больших количеств энергии. За время эксплуатации установки сочетание более высокого коэффициента мощности и более низкой капиталоемкости значительно улучшает внутреннюю норму прибыли (IRR).
Усиление гибкости в проектировании растений
С TES, CSP заводы могут быть сконфигурированы для удовлетворения различных требований к сети. Например, установка может быть разработана для обеспечения базовой нагрузки (с > 12 часов хранения) или служить в качестве пиковой установки с всего 4-6 часов хранения. Эта модульность позволяет разработчикам адаптировать проекты к местным солнечным ресурсам, структурам рынка электроэнергии и коммунальным потребностям. Она также позволяет гибридизации с другими возобновляемыми источниками энергии, такими как связь CSP с фотоэлектрическими (PV) системами и батареями, чтобы создать высокоустойчивые микросети.
Типы технологий хранения тепловой энергии
Не все системы ТЭС созданы равными. Выбор технологии хранения зависит от диапазона температур, длительности хранения, стоимости и совместимости с циклом питания. Три основные категории, используемые в КСП, — это разумное хранение тепла, скрытое хранение тепла и термохимическое хранение. В настоящее время на коммерческих установках доминирует разумное хранение тепла, особенно с расплавленными солями.
Значимое теплохранилище
Чувствительное хранение тепла зависит от повышения температуры среды без изменения фазы. Наиболее распространенным материалом является смесь 60% нитрата натрия и 40% нитрата калия, известная как «солнечная соль». Эти соли являются жидкими выше 220 °C и стабильными до 565 °C, что делает их идеальными для сопряжения с перегретыми паровыми циклами. В типичной двухтанковой системе хранения горячая соль из приемника перекачивается в горячий бак в течение дня. Когда требуется мощность, горячая соль течет через теплообменник для получения пара, затем возвращается в холодный резервуар для повторного нагрева.
Твердотельное разумное хранение с использованием керамики, бетона или камней также изучается для низкотемпературных применений. В то время как менее дорогие, чем расплавленная соль, твердые среды страдают от более низких скоростей теплопередачи и более высоких температурных колебаний, которые могут снизить эффективность цикла. Тем не менее, исследования продолжаются в таких учреждениях, как Управление технологий солнечной энергии Министерства энергетики США , чтобы оптимизировать твердотельные среды TES для CSP следующего поколения.
Хранение сжатого тепла
Скрытые накопители тепла используют энтальпию изменения фазы - обычно плавления или затвердевания - для хранения большого количества энергии при почти постоянной температуре. Материалы с фазовым изменением (PCM), такие как расплавленные соли, металлы или эвтектические смеси, могут хранить в 5-10 раз больше энергии на килограмм, чем разумные хранилища в узком температурном диапазоне. Эта характеристика особенно ценна для стабилизации температуры подачи тепла, что повышает эффективность блока питания. Однако PCM сталкиваются с проблемами коррозии, сдерживания и теплопередачи из-за низкой теплопроводности. Инкапсулированные PCM и композиционные материалы являются активными областями исследований для преодоления этих барьеров.
Термохимическое хранение
Термохимическое хранение включает обратимые химические реакции, которые поглощают тепло во время эндотермической прямой реакции и высвобождают его во время экзотермической обратной реакции. Примеры включают циклы окисления оксида металла (например, оксид кобальта, оксид марганца) и гидратации / обезвоживания солей. Эти системы предлагают самую высокую плотность энергии - потенциально 100-200 кВтч на кубический метр - и почти нулевые потери тепла в течение длительных периодов времени, потому что продукты могут храниться при температуре окружающей среды. Однако термохимическое хранение все еще находится в лабораторном или экспериментальном масштабе, со значительными техническими проблемами в конструкции реактора, стабильности материала и стоимости. Коммерческое развертывание, вероятно, через десять или более лет.
Интеграция TES с архитектурой CSP Plant
Эффективность ТЭС определяется не только средой хранения; она также зависит от того, как система хранения интегрирована с солнечным полем и блоком питания. Доминируют две основные коммерческие технологии CSP: параболический корыт и солнечная электростанция. Каждая накладывает разные ограничения на дизайн ТЭС.
Параболические растения шероховатости
Параболические корытные системы используют длинные изогнутые зеркала для фокусировки солнечного света на приемной трубке, содержащей теплообменник (HTF), обычно синтетическое масло. Масло достигает около 390°C и течет к набору теплообменников для генерации пара. Для интеграции TES добавляется вторичная петля расплавленной соли. Горячий HTF из солнечного поля нагревает расплавленную соль в теплообменнике, который затем хранится в горячем резервуаре. Во время разряда горячая соль нагревает HTF, который затем приводит в действие паровой цикл. Эта косвенная конфигурация вводит тепловые потери в теплообменниках и ограничивает максимальную температуру соли до около 390°C, ограничивая эффективность хранения. Тем не менее, несколько параболических корытовых установок в Испании и США (например, Andasol, Solana) успешно работают с 6-8 часами косвенного хранения расплавленной соли.
Солнечные электростанции
Системы башни используют поле гелиостатов, отражающих солнечный свет на центральный приемник на вершине башни. Приемник может нагревать расплавленную соль непосредственно до 565 ° C, устраняя необходимость в промежуточном HTF. Эта конфигурация прямого хранения более эффективна, потому что сама соль служит как теплопередающей жидкостью, так и средой хранения. Теплая соль течет из приемника непосредственно в горячий резервуар для хранения, а при необходимости течет через парогенератор. Более высокая температура позволяет более эффективно использовать сверхкритические паровые циклы, достигая чистой эффективности преобразования солнечной энергии в электричество в 20-25% по сравнению с 15-18% для параболических желобов. Примеры включают проект Crescent Dunes (Невада, 110 МВт с 10 часами хранения) и башню Noor III в Марокко (150 МВт с 7,5 часами хранения).
Линейный френель и диш стирлинг
Линейные отражатели Френеля - это нишевая технология CSP, которая использует плоские или почти плоские зеркала для фокусировки солнечного света на линейном приемнике. Они менее эффективны, чем корыта, но дешевле в сборке. Интеграция TES возможна, но ограничена относительно низкой рабочей температурой (около 270°C). Системы Dish Stirling используют параболическую посуду для фокусировки солнечного света на двигателе Стирлинга в фокусе. Эти устройства являются модульными, мелкомасштабными (10-50 кВт) и не поддаются экономичному термическому хранению из-за их небольшого размера и высоких рабочих температур (700°C +). Их потенциал хранения в настоящее время теоретический и коммерчески не практикуется.
Экономические и экологические последствия ТЭС в КСП
Добавление TES трансформирует экономику CSP. Хотя оно увеличивает первоначальные капитальные затраты на 30-60%, увеличение годового производства энергии часто приводит к снижению LCOE. Программа SunShot Министерства энергетики США установила цель в размере $0,05 / кВтч для CSP с хранением к 2030 году, и многие аналитики считают, что это достижимо с помощью передовых конструкций TES и более крупных масштабов завода.
Экологически CSP с TES предлагает уникальные преимущества перед другими возобновляемыми источниками энергии. Поскольку он может обеспечить твердую, диспетчерскую мощность, он может вытеснять установки на ископаемом топливе, которые в противном случае работали бы во время вечерних пиков. Выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла CSP с хранением расплавленной соли составляют около 10-20 г CO2e / кВтч по сравнению с 400 + г / кВтч для природного газа и 800 + г / кВтч для угля. Кроме того, среда хранения (нитратные соли) нетоксична и пригодна для вторичной переработки. Потребление воды, однако, остается проблемой для заводов CSP с использованием влажного охлаждения; варианты сухого охлаждения существуют, но снижают эффективность и увеличивают стоимость.
Будущие направления и новые инновации
Исследования выталкивают TES за пределы текущей технологии расплавленной соли. Высокотемпературное хранение с использованием жидких металлов (натрия, свинца) или передовой керамики может позволить установкам CSP работать при температуре выше 800°C, что позволяет циклам Brayton с газовыми турбинами для эффективности, превышающей 50%. Программа Gen3 CSP в Соединенных Штатах активно разрабатывает приемники и хранилища на основе частиц, которые используют падающие керамические частицы как в качестве теплоносителя, так и в качестве среды хранения. Эти системы обещают более высокие температуры, более низкие затраты и снижение паразитного энергопотребления.
Еще одним перспективным направлением является гибридизация CSP с другими технологиями хранения. Например, интеграция TES с литий-ионными батареями может обеспечить как мощные (батарейные), так и долгосрочные (TES) возможности. Аналогичным образом, для создания возобновляемых систем в масштабе сети изучаются циклы передачи энергии на тепло- и энергоснабжение, которые используют дешевое тепловое хранилище для резервного копирования крупных фотоэлектрических установок. Поскольку рынки электроэнергии все чаще поощряют диспетчеризацию и длительное хранение, CSP с TES имеет все возможности играть растущую роль в декарбонизированной сети.
Заключение
Термальное хранение энергии - это не просто дополнение для концентрированных солнечных электростанций; это преобразующая технология, которая раскрывает весь потенциал солнечной тепловой энергии. Благодаря возможности расширенной генерации энергии, диспетчеризации сети и повышению тепловой эффективности, TES поднимает CSP из прерывистого источника в надежный, способный к базовой нагрузке актив. Три основные технологии TES - разумные, латентные и термохимические - предлагают различные компромиссы в стоимости, температуре и продолжительности хранения, с разумным хранением расплавленной соли, в настоящее время доминирующие в коммерческом развертывании. По мере того, как инновации толкают к более высоким температурам и более продвинутым материалам, CSP с TES станет еще более конкурентоспособным, предлагая чистую, твердую и гибкую альтернативу ископаемому топливу. Для операторов сетей, политиков и инвесторов, стремящихся ускорить переход к энергии, CSP с тепловым хранением представляет собой одно из самых убедительных решений, доступных сегодня.