Съвременни технологии за съхранeние на топлинна енергия

Cистемите за съхранение на енергия са предназначени да акумулират топлинната енергия, когато производството й надвишава консумацията, и да осигуряват достъп до нея при необходимост от страна на потребителите. Те спомагат за постигането на съответствие между доставката и потреблението на енергия, за използването на променливата по характер енергия от ВЕИ, за повишаването на общата ефективност, както и за намаляване емисиите на въглероден диоксид.

Една система за съхранение на енергия обикновено се характеризира с параметрите капацитет, мощност, ефективност, период за съхранение, време за зареждане/разреждане и цена. Капацитетът, мощността и времето за разреждане са взаимозависими променливи. Например, при системи за съхранение на топлинна енергия (ССТЕ) високата мощност означава усилен топлообмен (допълнителни ребра на топлообменния апарат), който, за определен обем, редуцира количеството материал за активно съхранение и по този начин понижава и капацитета.

Топлинната енергия може да бъде съхранявана под формата на топлосъдържание в среда за съхранение, латентна топлина, свързана с фазови изменения на материалите, или като термохимична енергия, свързана с химични реакции, протичащи при температури от -40 °C до над 400 °C.

Съхранение като топлосъдържание

Използването на резервоари за топла вода е добре позната технология за съхранение на топлинна енергия. Целта на тези резервоари е пестенето на енергия чрез системи за подгряване на вода със соларна енергия или чрез когенерационни системи. Съвременните проекти доказват, че съхранението във водни резервоари е икономически изгоден вариант. Ефективността им може да бъде повишена чрез осигуряване на оптимална стратификация на водата в резервоара и поставянето на високоефективна изолация.

В момента разработчиците са съсредоточени върху вакуумна суперизолация с ниво на термални загуби от 0,01 W/mK при 90 °C и 0,1 mbar, както и върху оптимизирано системно интегриране.

Системите за съхранение на топла вода се използват като буферен запас за снабдяване с битова гореща вода (БГВ) и обикновено са с обем от 500 l до няколко кубика. Тази технология се прилага и за соларни термални инсталации за БГВ, комбинирани със сградни отоплителни инсталации. Големите резервоари за топла вода се използват за сезонно съхранение на слънчева топлина в комбинация с малки системи за централно отопление.

Тези системи могат да са с капацитет от няколко хиляди кубика. Температурите, при които става зареждането им, варират между 80 и 90 °C. Използваемата температурна разлика може да бъде увеличена чрез термопомпи, до около 10 °C.

Например, соларна система за централно отопление в Мюнхен захранва с енергия за отопление на помещения и БГВ около 320 апартамента в 12-етажна сграда с обща жилищна площ от 30 400 m2. Системата е проектирана да покрива повече от 50% от топлоенергийните нужди (около 2000 MWh/a) посредством събраната соларна енергия от пластинчати колектори с площ 2761 m2.

Събраната топлина или се използва директно, или се съхранява в подземна система за сезонно съхранение с обем 6000 m3. Допълнително отопление се осигурява чрез абсорбционна термопомпа, задвижвана от системата за централно отопление, която използва сезонното хранилище като резервоар за вода с ниска температура. Това позволява експлоатационният температурен интервал на съхранение да е в широки граници (между 10 и 90 °C).

Директната връзка между централната система и отоплителните инсталации в къщите предотвратява типичното понижаване на температурата при топлообменниците и подобрява разпределението на топлината. Системата за централно отопление се експлоатира при температура на водата от 60 °C и температура на връщащата се вода 30 °C, като тези температури са обект на постоянен мониторинг.

Подземно съхранение на топлинна енергия

Подземното съхранение също е широко използвана технология, която оползотворява подземна среда за съхранение на топлинна енергия. Сред прилаганите методи са съхранение в подземни топлообменници, във водоносен пласт, и в пещери и рудници. Съхранението във вертикални топлообменни апарати, монтирани под земята, осигурява пренос на топлинна енергия от и до земните пластове (глина, пясък, скали).

Много от изградените инсталации целят сезонно съхранение на соларна енергия, акумулираща се през лятото, за отопление на жилища или офиси през зимата. Подземните топлообменници често се използват в комбинация с термопомпи, при което топлообменникът извлича топлина с ниска температура от почвата.

При съхранението във водоносен слой за среда се използва естественият подземен водопропусклив слой. Трансферът на топлинна енергия се постига чрез масопренос (т. е. извличане/добавяне на вода от/към подземния пласт). При някои съществуващи системи се съхранява студенината от зимата, която после се оползотворява за охлаждане на големи офис сгради и индустриални процеси през лятото. Основна предпоставка за прилагането на тази технология е наличието на подходящи геоложки формации.

Съхранението на топлинна енергия в пещери и рудници става в големи подземни водни резервоари, създадени в подпочвения слой. Макар и технологията да е технически осъществима, приложението й е ограничено поради високите инвестиционни разходи.

За съхранение на топлинна енергия с по-висока температура (над 100 °C) се прилага технология, базирана на употребата на течности (например масло или разтопени соли за температури до 550 °C). При необходимост от съхранение на топлина с още по-висока температура се използват и твърди материали, като керамика и бетон.

Фазови изменения на материалите

Съхранението като топлосъдържание е относително евтино, но то има и недостатъци - ниска плътност на енергията и променлива температура на разреждане. Тези проблеми могат да бъдат преодолени с помощта на базирани на фазови изменения на материалите ССТЕ, които осигуряват по-голям капацитет и целево-ориентирани температури на разреждане. Фазовото изменение може да е или от твърдо към течно състояние, или от твърдо към твърдо. Процесите на топене са свързани с енергийни плътности от 100 kWh/m3 (например лед), в сравнение с типичните за ССТЕ като топлосъдържание 25 kWh/m3.

Системите с фазово изменение на материалите могат да бъдат прилагани както за краткосрочно (ежедневно), така и за дългосрочно (сезонно) съхранение на енергия, като се използва разнообразие от техники и материали. Например вграждането на микрокапсулирани материали, променящи фазовото си състояние (парафинов восък) в гипсови стени може значително да повиши термалната маса и капацитет на сградни стени.

Микрокапсулираните материали се охлаждат и втвърдяват през нощта и се стапят през деня, охлаждайки стените, като по този начин се намалява или елиминира нуждата от електрически чилъри. Други приложения на системите за активно охлаждане включват използването на микрокапсулирани соли, които се стапят при подходяща температура. Фазово изменящите се материали могат да бъдат съхранявани в сградната вентилация, като студеният въздух може да се подава от подови или тавански системи.

Променящите фазовото си състояние суспензии също са обещаваща технология - например ледени или водно-парафинови суспензии се използват за сградно или промишлено охлаждане. Тъй като суспензиите могат да бъдат препомпвани, те намират приложение както за съхранение, така и за снабдяване с топлинна енергия.

Съхранение на топлинна енергия чрез химични реакции

Висока енергийна плътност (300 kWh/m3) в системите за съхранение може да се постигне чрез използването на химични реакции. Термохимичните реакции, като адсорбцията, могат да бъдат използвани за съхранение на топлина или студенина, както и за контрол на влажността. Често използвана е адсорбцията на водна пара от силикагел или зеолити. От особено значение при горещ и влажен климат или затворени пространства с висока влажност е прилагането на отворени сорбционни системи, базирани на литиев хлорид.

Съхранението на топлинна енергия посредством адсорбционен процес се осъществява по следния начин: по време на зареждане водните молекули се десорбират от вътрешната повърхност на адсорбента; системата остава в това състояние, докато водните молекули не могат да бъдат адсорбирани повторно и отново да протече разряд. Интерес в областта представлява оползотворяването на отпадъчна топлина. В този контекст, термохимичните системи могат едновременно да съхраняват топлинна енергия с висока ефективност и да превръщат топлина в студенина.

Големият капацитет за съхранение на сорбционните процеси позволява и извършването на пренос на енергия. Например, в един съществуващ проект отпадъчната топлина от инсинераторна инсталация се използва за процес на промишлено сушене. Сорбционната ССТЕ, базирана на зеолити/вода, се зарежда при 150 °C, енергията се пренася на разстояние от 7 km, и се разрежда при 180 °C.

Сухият и горещ въздух по време на разряд се интегрира директно в процеса на сушене. По-високата температура на разряд е възможна, защото енталпията на влажния въздух от сушенето се оползотворява за адсорбцията на водна пара. Към момента осъществими са системи за съхранение с 13 t зеолити, капацитет 3 MWh и зарядна мощност 500 kW.

Крайната цена на енергията се определя от разстоянието между източника и крайната точка, инвестиционните разходи и енергийния капацитет. Докато сорбционните системи работят със само до около 350 °C, при използването на химични реакции могат да бъдат постигнати много по-високи температури.

Приложение

Важни области на приложение на ССТЕ са строителният сектор (за БГВ, отопление и климатизация на помещения) и промишлеността (процесна топлина или студенина). ССТЕ могат да бъдат монтирани под формата на централизирани инсталации или разпределени устройства. Централизираните системи се проектират за съхранение на отпадъчна топлина от мащабни индустриални процеси и ВЕИ инсталации, като например концентриращи фотоволтаици.

Тяхната мощност варира от стотици kW до няколко MW. Разпределените устройства обикновено са буферни системи за съхранение на слънчева топлина, които се използват в жилищни и търговски сгради (за гореща вода, отопление, домакински уреди). Разпределените системи най-често са с мощност от няколко десетки kW.

ССТЕ, независимо дали са централизирани или разпределени, повишават енергийната ефективност на промишлените процеси, на енергопотреблението в жилищни сгради и топлоелектроцентрали, чрез съхраняването на отпадъчна или възобновяема топлинна енергия и доставянето й при необходимост.

Термохимичните системи за съхранение конвертират отпадъчната топлина в топлина с по-висока температура или в студенина. Ползи от употребата на ССТЕ имат редица енергийно интензивни сектори - производството на цимент, желязо и стомана, стъкло и др. Други производства, например автомобилната индустрия, също могат значително да се облагодетелстват от внедряването на такива системи.

Най-важното им приложение обаче остава подпомагането на интегрирането на променливата слънчева топлина в енергийната система. Това се отнася както за краткосрочно съхранение за подгряване на БГВ, така и за дългосрочно съхранение чрез използването на големи централизирани системи за съхранение и централни отоплителни мрежи.