Съхраняването на топлинна енергия (TES) е технология, която позволява съхраняване и освобождаване на топлина или студ в по-късен момент. ТЕС може да се използва за балансиране на търсенето и предлагането на енергия, особено от възобновяеми източници като напр слънчев и вятър, които са периодични и променливи. TES може също така да подобри енергийната ефективност на сгради, индустрии и електроцентрали, като намали пиковото натоварване и подобри производителността на системите за отопление и охлаждане. TES може да помогне за намаляване на емисиите на парникови газове, по-ниски разходи за енергия и повишаване на надеждността и устойчивостта на енергийните системи.
TES има много приложения в различни сектори и региони, като например:
- Отопление и охлаждане на сгради със сезонни ТЕС или денонощни ТЕС
- Производство на електроенергия, използвайки концентрирана слънчева енергия (CSP) или комбинирана топлина и електроенергия (CHP)
- Промишлени процеси, използващи оползотворяване на отпадна топлина или интегриране на топлина от процеса
- Транспортиране, използване на хладилни хранилища за храна или съхранение на лед за климатизация
- Селско стопанство, използващо парниково отопление или сушене на културите
В тази публикация в блога ще разгледаме различните видове TES, техните предимства и недостатъци и някои примери за материали и технологии, използвани за всеки тип. Ще обсъдим и потенциала и предизвикателствата на ТЕС за бъдещето на енергийните системи.
Видове съхранение на топлинна енергия
ТЕС може да се класифицира в три категории въз основа на начина, по който топлината се съхранява и освобождава: чувствителна топлина, латентна топлина и термохимично съхранение на топлина.
- Разумното съхранение на топлина е най-разпространеният и прост тип ТЕС, където топлината се съхранява чрез повишаване или понижаване на температурата на течна или твърда среда, като вода, разтопени соли, метали или скали. Количеството съхранена топлина зависи от масата, специфичната топлина и температурната разлика на средата. Разумното съхранение на топлина има малък капацитет за съхранение, но висока ефективност, ниска цена и висока безопасност.
- Латентното съхранение на топлина е по-усъвършенстван тип TES, където топлината се съхранява чрез промяна на фазата на даден материал, като топене, замразяване, изпаряване или кондензация. Материалът се нарича материал с фазова промяна (PCM). Количеството съхранена топлина зависи от масата, латентната топлина и температурата на фазов преход на PCM. Латентното съхранение на топлина има висок капацитет за съхранение, но ниска ефективност, висока цена и ниска безопасност.
- Термохимическото съхранение на топлина е най-новият и сложен тип ТЕС, където топлината се съхранява чрез разкъсване или образуване на химични връзки в обратима реакция, като хидратация, дехидратация, окисление или редукция. Материалът се нарича термохимичен материал (TCM). Количеството съхранена топлина зависи от масата, енталпията и равновесната константа на реакцията. Термохимическото съхранение на топлина има много висок капацитет за съхранение, но много ниска ефективност, много висока цена и много ниска безопасност.
В следващите раздели ще обсъдим всеки тип TES по-подробно и ще предоставим някои примери за материали и технологии, използвани за всеки тип.
!Разумно съхранение на топлина)
Разумно съхранение на топлина
Разумното съхранение на топлина е най-широко използваният тип ТЕС, тъй като е прост, надежден и икономичен. Принципът на разумното съхранение на топлина е да се съхранява топлина чрез повишаване или намаляване на температурата на течна или твърда среда, без промяна на нейната фаза. Топлината може да се освободи чрез обръщане на процеса, т.е. намаляване или повишаване на температурата на средата.
Най-разпространеният и широко използван вариант за разумно съхранение на топлина са водните резервоари, които могат да съхраняват топла или студена вода за отопление или охлаждане. Резервоарите за вода могат да бъдат класифицирани в два вида: стратифицирани и смесени. Стратифицираните водни резервоари имат слой гореща вода върху слой студена вода, разделени от термоклин. Резервоарите за смесена вода имат еднаква температура в целия резервоар, постигната чрез разбъркване или изпомпване на водата. Резервоарите за стратифицирана вода имат по-висок капацитет за съхранение и ефективност от резервоарите за смесена вода, но изискват по-внимателен дизайн и експлоатация, за да се поддържа стратификацията.
Някои алтернативни възможности за разумно съхранение на топлина са разтопени соли, метали или подземно съхранение на топлинна енергия (UTES). Разтопените соли са смеси от соли, които се топят при високи температури, като натриев нитрат и калиев нитрат. Те могат да съхраняват топлина при температури до 600°C и се използват за CSP инсталации. Металите са материали с висока топлопроводимост и специфична топлина, като алуминий, мед или стомана. Те могат да съхраняват топлина при температури до 1000°C и се използват за промишлени процеси. UTES е метод за съхраняване на топлина в земята, като се използват сондажи, водоносни хоризонти или пещери. Може да съхранява топлина при температури до 90°C и се използва за сезонно отопление и охлаждане на сгради.
!съхранение на латентна топлина)
Съхранение на латентна топлина
Латентното съхранение на топлина е по-усъвършенстван тип ТЕС, тъй като може да съхранява повече топлина в по-малък обем и при постоянна температура. Принципът на съхранение на латентна топлина е да се съхранява топлина чрез промяна на фазата на материала, като топене, замразяване, изпаряване или кондензация. Материалът се нарича материал с фазова промяна (PCM). Топлината може да бъде освободена чрез обръщане на процеса, т.е. промяна на фазата на материала обратно в първоначалното му състояние.
Основните предизвикателства и възможности при използването на PCM за TES са:
- Намиране на подходящ PCM, който има висока латентна топлина, ниска цена, висока стабилност и ниско въздействие върху околната среда
- Подобряване на топлопроводимостта и топлопреминаването на PCM, които обикновено са ниски и бавни
- Интегриране на PCM с други компоненти и системи, като топлообменници, тръби, помпи или контейнери
Някои примери за PCM типове и приложения са:
- Ледът е PCM, който замръзва и се топи при 0°C и има латентна топлина от 334 kJ/kg. Може да се използва за хладилно съхранение или климатизация, като се използват резервоари за лед, ледена каша или системи лед върху намотка.
- Парафинът е PCM, който се топи и втвърдява при различни температури, в зависимост от дължината на въглеродната верига, и има латентна топлина от 200-250 kJ/kg. Може да се използва за отопление или охлаждане, като се използват парафинови капсули, панели или тръби.
- Солните хидрати са PCM, които дехидратират и хидратират при различни температури, в зависимост от вида и състава на солта, и имат латентна топлина от 250-500 kJ/kg. Те могат да се използват за отопление или охлаждане, като се използват солени хидратни композити, пелети или тухли.
!Термохимично съхранение на топлина)
Термохимично съхранение на топлина
Термохимическото съхранение на топлина е най-новият и сложен тип ТЕС, тъй като може да съхранява много големи количества топлина за много дълги периоди от време, без никакви топлинни загуби. Принципът на термохимично съхранение на топлина е да се съхранява топлина чрез разкъсване или образуване на химически връзки в обратима реакция, като хидратация, дехидратация, окисление или редукция. Материалът се нарича термохимичен материал (TCM). Топлината може да бъде освободена чрез обръщане на реакцията, т.е. образуване или разкъсване на химичните връзки.
Основните предимства и ограничения на използването на термохимично съхранение за ТЕС са:
- Много висок капацитет и плътност на съхранение, тъй като топлината се съхранява под формата на химическа енергия, която е много по-висока от топлинната енергия
- Много ниски топлинни загуби, тъй като топлината се съхранява под формата на химически продукти, които са стабилни и инертни
- Много висока температура на съхранение, тъй като топлината се отделя чрез екзотермични реакции, които могат да достигнат до 1000°C
- Много ниска ефективност и мощност, тъй като топлината се отделя от бавни и сложни реакции, които изискват катализатори и реактори
- Много висока цена и риск, тъй като материалите и технологиите са скъпи и опасни
Някои примери за системи и материали за термохимично съхранение са:
- Металните хидриди са TCM, които абсорбират и отделят водород при различни температури и налягания, в зависимост от типа и състава на метала, и имат енталпия от 20-200 kJ/mol. Те могат да се използват за отопление или охлаждане, като се използват метални хидридни слоеве, реактори или резервоари.
- Сорбцията е процес, който включва адсорбция или абсорбция на газ или течност от твърдо вещество или течност, като вода от зеолити или соли. Той може да съхранява топлина при различни температури и налягания, в зависимост от типа и концентрацията на сорбента и сорбата, и има енталпия от 50-500 kJ/kg. Може да се използва за отопление или охлаждане, чрез използване на сорбционни охладители, термопомпи или модули.
- Синтезът на метанол е реакция, която превръща въглеродния диоксид и водорода в метанол и вода и обратно. Той може да съхранява топлина при температури от 200-300°C и налягане от 50-100 bar и има енталпия от 90 kJ/mol. Може да се използва за производство на електроенергия чрез използване на реактори за синтез на метанол, турбини или горивни клетки.
Заключение
В тази публикация в блога научихме за различните видове TES, техните предимства и недостатъци и някои примери за материали и технологии, използвани за всеки тип. Ние също така обсъдихме потенциала и предизвикателствата на ТЕС за бъдещето на енергийните системи.
TES е обещаваща технология, която може да помогне за постигането на устойчиво бъдеще с чиста енергия, като позволи интегрирането на възобновяеми енергийни източници, подобряване на енергийната ефективност на сгради, индустрии и електроцентрали и намаляване на емисиите на парникови газове, разходите за енергия и въпроси, свързани с надеждността и устойчивостта на енергийните системи.
TES обаче е изправена и пред много технически, икономически и социални бариери, като липсата на стандартизация, регулиране и осведоменост, високите първоначални инвестиции и оперативни разходи, както и рисковете за безопасността и околната среда. Следователно са необходими повече изследвания и разработки, демонстрации и внедряване, както и политическа и пазарна подкрепа, за да се преодолеят тези предизвикателства и да се насърчи приемането и разпространението на TES.
