Искусство аккумулирования тепла: использование энергии для устойчивого будущего

В эпоху, определяемую растущим спросом на энергию и насущными экологическими проблемами, стремление к устойчивым энергетическим решениям стало как никогда важным. Среди различных исследуемых стратегий аккумулирование тепловой энергии (TES) выделяется как многообещающая технология с потенциалом революционизировать то, как мы управляем и используем энергию. Это подробное руководство углубляется в принципы, технологии, приложения и преимущества TES, предлагая глобальную перспективу ее роли в построении более устойчивого будущего.

Что такое аккумулирование тепловой энергии (TES)?

Аккумулирование тепловой энергии (TES) — это технология, которая позволяет накапливать тепловую энергию (тепло или холод) для последующего использования. Она устраняет разрыв между предложением и спросом энергии, позволяя накапливать энергию в периоды низкого спроса или высокой доступности (например, от солнечной энергии в течение дня) и высвобождать ее, когда спрос высок или доступность низка. Такое временное разделение может значительно повысить энергоэффективность, снизить затраты и улучшить интеграцию возобновляемых источников энергии.

По своей сути системы TES функционируют путем передачи тепловой энергии в накопительную среду. Этой средой может быть множество материалов, включая воду, лед, камни, почву или специализированные материалы с фазовым переходом (PCM). Выбор накопительной среды зависит от конкретного применения, диапазона температур и продолжительности хранения.

Типы технологий аккумулирования тепловой энергии

Технологии TES можно широко классифицировать на основе используемой накопительной среды и метода:

Аккумулирование явной теплоты

Аккумулирование явной теплоты включает в себя аккумулирование энергии путем повышения или понижения температуры накопительной среды без изменения ее фазы. Количество накопленной энергии прямо пропорционально изменению температуры и удельной теплоемкости накопительного материала. К распространенным материалам для аккумулирования явной теплоты относятся:

• Вода: Широко используется благодаря своей высокой удельной теплоемкости и доступности. Подходит как для отопления, так и для охлаждения. Примеры включают аккумулирование горячей воды для бытового использования и аккумулирование охлажденной воды для централизованного охлаждения.
• Камни/почва: Экономически эффективны для крупномасштабного хранения. Часто используются в подземных системах аккумулирования тепловой энергии (UTES).
• Масла: Используются в высокотемпературных приложениях, таких как концентрирующие солнечные электростанции (CSP).

Аккумулирование скрытой теплоты

Аккумулирование скрытой теплоты использует тепло, поглощаемое или высвобождаемое во время фазового перехода (например, плавления, замерзания, кипения, конденсации) для аккумулирования энергии. Этот метод предлагает более высокую плотность аккумулирования энергии по сравнению с аккумулированием явной теплоты, поскольку значительное количество энергии поглощается или высвобождается при постоянной температуре во время фазового перехода. Наиболее распространенными материалами, используемыми для аккумулирования скрытой теплоты, являются материалы с фазовым переходом (PCM).

Материалы с фазовым переходом (PCM): PCM — это вещества, которые поглощают или выделяют тепло при изменении фазы. Примеры включают:

• Лед: Обычно используется для охлаждения, особенно в системах кондиционирования воздуха. Системы аккумулирования льда замораживают воду в непиковые часы и растапливают ее в пиковые часы для обеспечения охлаждения.
• Солевые гидраты: Предлагают диапазон температур плавления и подходят для различных приложений отопления и охлаждения.
• Парафины: Органические PCM с хорошими тепловыми свойствами и стабильностью.
• Эвтектические смеси: Смеси двух или более веществ, которые плавятся или замерзают при постоянной температуре, обеспечивая индивидуальную температуру фазового перехода.

Термохимическое аккумулирование

Термохимическое аккумулирование включает в себя аккумулирование энергии посредством обратимых химических реакций. Этот метод предлагает наивысшую плотность аккумулирования энергии и потенциал для долгосрочного хранения с минимальными потерями энергии. Однако технологии термохимического аккумулирования, как правило, более сложны и дороги, чем аккумулирование явной и скрытой теплоты.

Примеры термохимических накопительных материалов включают гидриды металлов, оксиды металлов и химические соли.

Применение аккумулирования тепловой энергии

Технологии TES находят применение в широком спектре секторов, включая:

Отопление и охлаждение зданий

Системы TES могут быть интегрированы в системы HVAC зданий для повышения энергоэффективности и снижения пикового спроса. Примеры включают:

• Кондиционирование воздуха с аккумулированием льда: Замораживание воды в лед в непиковые часы (например, ночью, когда цены на электроэнергию ниже) и таяние льда в пиковые часы (например, днем, когда спрос на охлаждение высок) для обеспечения охлаждения. Это снижает нагрузку на электросеть и снижает затраты на электроэнергию. Широко используется в коммерческих зданиях, таких как офисы, больницы и торговые центры, по всему миру. Пример: большой офисный комплекс в Токио, Япония, использует аккумулирование льда для снижения пикового потребления электроэнергии в жаркие летние месяцы.
• Аккумулирование охлажденной воды: Хранение охлажденной воды, произведенной в непиковые часы, для использования в пиковые периоды охлаждения. Это похоже на аккумулирование льда, но без фазового перехода.
• Аккумулирование горячей воды: Хранение горячей воды, произведенной солнечными тепловыми коллекторами или другими источниками тепла, для последующего использования в космическом отоплении или бытовом горячем водоснабжении. Обычно используется в жилых зданиях и системах централизованного теплоснабжения. Пример: Системы солнечного горячего водоснабжения с резервуарами для аккумулирования тепла распространены в средиземноморских странах, таких как Греция и Испания, где высока солнечная радиация.
• Строительные материалы с улучшенными PCM: Включение PCM в строительные материалы, такие как стены, крыши и полы, для улучшения тепловой инерции и уменьшения колебаний температуры. Это повышает тепловой комфорт и снижает нагрузку на отопление и охлаждение. Пример: гипсокартонные плиты с улучшенными PCM используются в зданиях в Германии для улучшения тепловых характеристик и снижения потребления энергии.

Централизованное теплоснабжение и охлаждение

TES играет решающую роль в системах централизованного теплоснабжения и охлаждения (DHC), которые предоставляют централизованные услуги отопления и охлаждения нескольким зданиям или целым сообществам. TES позволяет системам DHC работать более эффективно, интегрировать возобновляемые источники энергии и снижать пиковый спрос. Примеры включают:

• Подземное аккумулирование тепловой энергии (UTES): Аккумулирование тепловой энергии в подземных водоносных горизонтах или геологических образованиях. UTES можно использовать для сезонного хранения тепла или холода, позволяя улавливать избыточное тепло в летние месяцы и высвобождать его в зимние месяцы, или наоборот. Пример: Drake Landing Solar Community в Окотоксе, Канада, использует скважинное аккумулирование тепловой энергии (BTES) для обеспечения круглогодичного космического отопления с использованием солнечной тепловой энергии.
• Крупномасштабные резервуары для воды: Использование больших изолированных резервуаров для воды для хранения горячей или охлажденной воды для сетей централизованного теплоснабжения или охлаждения. Пример: Многие скандинавские страны, такие как Дания и Швеция, используют крупномасштабные резервуары для хранения горячей воды в своих системах централизованного теплоснабжения для хранения избыточного тепла от комбинированных тепловых и электрических установок (CHP) и промышленных процессов.

Промышленный нагрев и охлаждение

TES можно использовать для повышения эффективности промышленных процессов, требующих нагрева или охлаждения. Примеры включают:

• Утилизация отработанного тепла: Улавливание отработанного тепла от промышленных процессов и его хранение для последующего использования в других процессах или для космического отопления. Пример: сталелитейный завод в Южной Корее использует систему аккумулирования тепла для улавливания отработанного тепла от своих печей и его использования для предварительного нагрева материалов, снижая потребление энергии и выбросы.
• Сглаживание пиков: Аккумулирование тепловой энергии в непиковые часы и ее использование в пиковые часы для снижения спроса и затрат на электроэнергию. Пример: Пищевой комбинат в Австралии использует систему аккумулирования льда для снижения пикового спроса на электроэнергию для охлаждения.

Интеграция возобновляемой энергии

TES необходима для интеграции прерывистых возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия, в энергосистему. TES может накапливать избыточную энергию, вырабатываемую в периоды высокой выработки возобновляемой энергии, и высвобождать ее, когда производство низкое, обеспечивая более надежное и стабильное энергоснабжение. Примеры включают:

• Концентрирующие солнечные электростанции (CSP): Использование расплавленной соли или других высокотемпературных накопительных материалов для аккумулирования тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами. Это позволяет CSP-станциям генерировать электроэнергию даже тогда, когда солнце не светит. Пример: Солнечная электростанция Noor Ouarzazate в Марокко использует тепловое аккумулирование расплавленной соли для обеспечения электроэнергией 24 часа в сутки.
• Аккумулирование ветровой энергии: Использование TES для аккумулирования избыточной электроэнергии, вырабатываемой ветряными турбинами. Затем эту энергию можно использовать для нагрева воды или воздуха или преобразовать обратно в электроэнергию с помощью теплового двигателя. Пример: Несколько исследовательских проектов изучают использование TES в сочетании с ветряными турбинами в Германии и Дании.

Преимущества аккумулирования тепловой энергии

Внедрение технологий TES предлагает множество преимуществ, охватывающих экономические, экологические и социальные аспекты:

• Снижение затрат на электроэнергию: Перемещая потребление энергии с пиковых на непиковые часы, TES может значительно снизить затраты на электроэнергию, особенно в регионах с посезонной ценой на электроэнергию.
• Повышение энергоэффективности: TES оптимизирует использование энергии, улавливая и накапливая отработанное тепло или избыточную энергию, сводя к минимуму потери энергии и максимизируя использование доступных ресурсов.
• Повышение стабильности сети: TES помогает стабилизировать электросеть, обеспечивая буфер между предложением и спросом энергии, уменьшая потребность в пиковых электростанциях и сводя к минимуму риск отключений электроэнергии.
• Интеграция возобновляемой энергии: TES облегчает интеграцию прерывистых возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия, путем аккумулирования избыточной энергии и ее высвобождения при необходимости, обеспечивая более надежное и устойчивое энергоснабжение.
• Сокращение выбросов парниковых газов: Повышая энергоэффективность и обеспечивая интеграцию возобновляемой энергии, TES способствует сокращению выбросов парниковых газов и смягчению последствий изменения климата.
• Повышение энергетической безопасности: TES повышает энергетическую безопасность, снижая зависимость от ископаемого топлива и диверсифицируя источники энергии.
• Перенос пиковой нагрузки: TES смещает пиковый спрос на электроэнергию, снижая нагрузку на сеть.

Проблемы и возможности

Несмотря на многочисленные преимущества, широкое внедрение технологий TES сталкивается с рядом проблем:

• Высокие первоначальные затраты: Первоначальные инвестиционные затраты на системы TES могут быть относительно высокими, что может стать барьером для некоторых приложений.
• Требования к пространству: Системы TES, особенно крупномасштабные резервуары для хранения или системы UTES, требуют значительного пространства.
• Ухудшение производительности: Некоторые материалы TES, такие как PCM, могут со временем ухудшаться из-за повторяющихся фазовых переходов.
• Тепловые потери: Потери тепла из резервуаров для хранения и трубопроводов могут снизить общую эффективность систем TES.

Однако существуют также значительные возможности для дальнейшего развития и развертывания технологий TES:

• Технологические достижения: Текущие усилия по исследованиям и разработкам направлены на улучшение производительности, снижение стоимости и увеличение срока службы материалов и систем TES.
• Политическая поддержка: Государственная политика и стимулы, такие как налоговые льготы, субсидии и правила, могут сыграть решающую роль в содействии внедрению технологий TES.
• Модернизация сети: Модернизация электросети, включая развертывание интеллектуальных сетей и усовершенствованной инфраструктуры учета, может облегчить интеграцию TES и других распределенных энергетических ресурсов.
• Повышение осведомленности: Повышение осведомленности среди потребителей, предприятий и политиков о преимуществах TES может стимулировать спрос и ускорить ее внедрение.

Глобальные примеры внедрения аккумулирования тепловой энергии

Технологии TES внедряются в различных странах и регионах по всему миру, демонстрируя их универсальность и адаптируемость.

• Дания: Дания является лидером в централизованном теплоснабжении, широко используя крупномасштабные резервуары для хранения горячей воды для интеграции возобновляемых источников энергии и повышения эффективности системы. Многие города используют морскую воду для аккумулирования тепла.
• Германия: Германия активно исследует и разрабатывает строительные материалы с улучшенными PCM для повышения энергоэффективности и снижения нагрузки на отопление и охлаждение.
• Канада: Drake Landing Solar Community в Окотоксе, Канада, демонстрирует эффективность скважинного аккумулирования тепловой энергии (BTES) для сезонного хранения солнечной тепловой энергии.
• Марокко: Солнечная электростанция Noor Ouarzazate в Марокко использует тепловое аккумулирование расплавленной соли для обеспечения электроэнергией 24 часа в сутки.
• Япония: Япония широко внедрила системы кондиционирования воздуха с аккумулированием льда в коммерческих зданиях для снижения пикового спроса на электроэнергию.
• США: Многие университеты и больницы в США используют аккумулирование охлажденной воды для снижения пикового потребления электроэнергии для охлаждения.
• Австралия: Некоторые предприятия пищевой промышленности и центры обработки данных в Австралии используют аккумулирование тепла для снижения пикового спроса на электроэнергию для охлаждения и охлаждения.
• Китай: Китай активно развертывает системы UTES и строительные материалы с улучшенными PCM для удовлетворения растущего спроса на энергию и улучшения качества воздуха.

Будущее аккумулирования тепловой энергии

Аккумулирование тепловой энергии должно играть все более важную роль в глобальном энергетическом ландшафте. Поскольку спрос на энергию продолжает расти, а потребность в устойчивых энергетических решениях становится все более острой, TES предлагает убедительный путь к повышению энергоэффективности, снижению затрат и интеграции возобновляемых источников энергии. Текущие усилия по исследованиям и разработкам направлены на улучшение производительности, снижение стоимости и расширение применения технологий TES. Благодаря постоянным инновациям и политической поддержке TES может преобразовать то, как мы управляем и используем энергию, прокладывая путь к более устойчивому и устойчивому будущему.

Заключение

Искусство аккумулирования тепла заключается в его способности устранять разрыв между предложением и спросом энергии, предлагая мощный инструмент для повышения энергоэффективности, интеграции возобновляемых источников энергии и снижения нашей зависимости от ископаемого топлива. От отопления и охлаждения зданий до систем централизованного энергоснабжения и промышленных процессов технологии TES преобразуют то, как мы управляем и используем энергию в широком спектре секторов. По мере продвижения к более устойчивому будущему аккумулирование тепловой энергии, несомненно, будет играть ключевую роль в формировании более чистой, устойчивой и эффективной энергетической системы для будущих поколений. Принятие TES — это не просто вариант; это необходимость для устойчивой планеты.