European Energy Research Alliance ga ut en hvitbok om forskning og utvikling av industriell varmelagringsteknologi

. Nylig ga European Energy Research Alliance (EERA) Joint Research Program on Energy Efficiency of Industrial Processes (JP EEIP) ut hvitboken "Industrial Heat Storage: Supporting Transformation to Decarbonized Industry", som presenterer dagens status, utfordringer og forsknings- og utviklingsforslag til industriell varmelagringsteknologi. Hovedpunktene er som følger:

1. Potensielle anvendelser av varmelagring i industrien

1. Industriell prosessoppvarming eller -kjøling

Avhengig av de klimatiske forholdene kan industrielle solvarmeanlegg kombineres med varmelagringssystemer. Lovende bruksområder inkluderer: ① For høytemperatur prosessvarmebehov (400°C), kan elektrisk oppvarming kombinert med porøs fast varmelagring brukes; ② For middels temperatur varmtvann og prosessdampbehov (opptil 200°C), er det flere alternativer, inkludert kombinasjonen av industrielle varmepumper og varmelagring, og kombinasjonen av solvarmesystemer og varmelagring; ③For industriell kjølelagring (under 6°C), kjølesystemer (som luftkjølere eller klimaanlegg), varmelagringssystemer for varme eller faseendringsmaterialer kan leveres lavtemperaturenergi for å møte kuldebehovstopper ved starten av en ny kjølesyklus og utnytte lavpris fornybar elektrisitet.

2. Utnyttelse av industriell spillvarme

Lovende bruksområder inkluderer: ① Kortvarig varmelagring, der restvarmen fra batchbehandling brukes til å forvarme neste batch for å redusere energitilførselen og forbedre energieffektiviteten, og varmelagringsteknologien som brukes avhenger av tilgjengelig restvarme (f.eks. eksoterme prosesser i kjemisk industri som krever tilstrekkelig starttemperatur, som polymerisasjon eller alkoksylering), kan kortvarig varmelagring også forbedre potensialet for fjernvarme ved bruk av varierende industriell overskuddsvarme; ② langsiktig varmelagring, industriell produksjon Den gjenværende varmen i prosessen lagres for å gi romoppvarming til industribasen om vinteren, eller utgang til fjernvarmenettet, som krever at varmelagringstemperaturen er på 70-120°C , eller for å oppgradere den lagrede lavtemperaturvarmen,

3. Industriell backup varmelagring

Industriell backup termisk lagring kan brukes som en uavbrutt termisk energiforsyning i nødstilfeller, noe som krever rask respons og høy pålitelighet. For tiden er industrien for det meste avhengig av gassfyrte kjeler som backup varmekilde, og varmelagringssystemet kan gi backup damp, og unngår bruk av dampkjeler. Produktene som for tiden er tilgjengelige på markedet er dampakkumulatorer, mens faseendringsmateriale varmelagring og termokjemiske varmelagringsløsninger er fokus for fremtidig utvikling. For varmelagring med høyere temperatur kan porøs fast varmelagring brukes, og faseendringsmaterialer med høy temperatur og termokjemisk varmelagring kan utvikles i fremtiden.

4. Industriell termisk strømforsyning

I tillegg til batterier kan varmelagring gi en rimelig løsning for å møte fremtidens behov for høy effekt, høy kapasitet og langsiktig energilagring. Industriell varmestrømforsyning må fokusere på utviklingen av flere teknologier: ①Høytemperatur Carnot-batteri, bruker elektrisitet Oppvarming lagrer varme i porøse faste stoffer opp til 800°C; ②Carnot-batteri med middels temperatur, ved hjelp av en varmepumpe for å konvertere elektrisitet til varme, opptil 200°C, for å forbedre ytelsen, kan industriell spillvarme brukes som varmekilde for varmepumpen; ③Adiabatisk trykkluftsystem, krever varmelagring ved høy temperatur (ofte ved bruk av keramiske porøse faste stoffer).

2. Nåværende status og utfordringer ved industriell varmelagringsteknologi

1. Fornuftig varmelagring

Fornuftig varmelagring lagrer eller frigjør varme ved å heve eller senke temperaturen på materialer. Typiske varmelagringsmaterialer inkluderer vann, termisk olje, stein, sandstein, leire, murstein, stål, betong og smeltet salt.

(1) Det tekniske modenhetsnivået (TRL) for væskebasert fornuftig varmelagring har nådd nivå 9, og det brukes hovedsakelig i situasjoner der kostnadene er lave og plassen ikke er begrenset, og varmelagringsperioden er flere timer til flere dager. De viktigste tekniske utfordringene denne typen teknologi står overfor er: ① øke volumetrisk energitetthet, og dermed redusere plassbehovet; ② redusere temperatur, trykk og redusere korrosjon av smeltet salt; ③ redusere varmetapet på grunn av manglende kompakthet.

(2) Fastbasert fornuftig varmelagring TRL når nivå 7, som hovedsakelig brukes i situasjoner der kostnadene er lave og plassen ikke begrenset, og varmelagringsperioden er fra flere timer til flere dager. De viktigste tekniske utfordringene denne typen teknologi står overfor er: ① redusere vekt og øke volumetrisk energitetthet, og dermed redusere plassbehov og systemvekt; ② forbedre varmevekslingsprosessen.

(3) Fornuftig varmelagring TRL basert på underjordiske reservoarer som akviferer når nivå 7, som hovedsakelig brukes til storskala sesongbasert varmelagring under 90°C, og varme kan også brukes under lading. De viktigste tekniske utfordringene denne typen teknologi står overfor er: ①redusere arealkravene; ②redusere avhengigheten av spesifikke geologiske forhold; ③reduser varmetap ved høy temperatur; ④reduser oppstartstiden; ⑤øk temperaturområdet.

(4) Det gruvebaserte fornuftige varmelageret TRL når nivå 7, som hovedsakelig brukes til storskala varmelagring i temperaturområdet 60-80°C i flere uker til flere måneder, og varmen kan også brukes i løpet av lading. De viktigste tekniske utfordringene denne typen teknologi står overfor er: ①redusere behovet for overflateareal; ②forbedre varmelagringseffektiviteten, og forbedre påvirkningen av varmelagringstemperaturnivået og lagdelingsegenskapene.

2. Latent varmelagring

Latent varmelagring utnytter faseendringen av lagringsmaterialer. Typiske faseendringsmaterialer inkluderer is, parafin, fettsyrer, sukkeralkoholer, salthydrater, uorganiske salter og metaller. TRL for denne teknologien er 4-7, og den brukes hovedsakelig i små varmelagringsenheter, og varmelagringsperioden er fra flere timer til flere dager. De viktigste tekniske utfordringene denne typen teknologi står overfor er: ① øke varmeoverføringshastigheten; ② forbedre standardiserings- og kommersialiseringsprosessen for faseendringsmaterialer; ③ forbedre allsidigheten til løsninger; ④ forbedre holdbarheten til faseendringsmaterialer; ⑤ forbedre renheten til varmelagringsmaterialer.

3. Adsorpsjonsvarmelagring

Adsorpsjonsvarmelagring er basert på reversible gass-faste reaksjoner mellom adsorbater (gasser) og faste eller flytende adsorbenter, typisk ved temperaturer under 200 °C. Adsorpsjonsvarmen som er involvert i denne reversible adsorpsjons-/desorpsjonsprosessen er vanligvis større enn den fornuftige og latente varmelagringen, som har fordelen av å kunne lagre varme i lang tid med minimalt varmetap. Typiske faste sorbenter inkluderer porøse strukturerte materialer som zeolitter, silikagel og aktivert alumina som kan adsorbere/desorbere gasser som vann eller ammoniakkdamp; Typiske flytende sorbenter er konsentrerte saltløsninger som litiumklorid, litiumbromid og vandig natriumhydroksidløsning. TRL for adsorpsjonsvarmelagring er 6-8, som hovedsakelig brukes ved begrenset plass, og varmelagringsperioden er fra flere timer til flere måneder. De viktigste tekniske utfordringene denne typen teknologi står overfor er: ① øke de kommersielle materialene som kan brukes over 200 °C; ② bruke den genererte kalde energien for å forbedre effektiviteten; ③ reduser temperaturforskjellen mellom lading og utlading.

4. Termokjemisk varmelagring

Termokjemisk varmelagring er også basert på reversible gass-faste reaksjoner, i likhet med adsorpsjonsvarmelagring, og har dermed også fordelen med lite varmetap, men har høyere varmelagringstetthet og lavere kostnad. Hovedforskjellen fra adsorpsjonsvarmelagring er at gassen absorberes direkte av det faste gitteret, og dermed endrer krystallstrukturen. Når temperaturen er under 200°C, bruk faste uorganiske salter og gasser for termokjemisk varmelagring, slik som kalsiumklorid og vanndamp, eller strontiumklorid og ammoniakkdamp; i temperaturområdet 250-600°C, bruk hydroksyd til å danne (som kalsiumoksid/kalsiumhydroksid) og karbonatiseringsreaksjon (som kalsiumoksid/kalsiumkarbonat) for varmelagring; i temperaturområdet 800-1800°C kan oksidasjonsreaksjoner brukes til varmelagring, slik som bariumperoksid/bariumoksid eller jern/jernoksid. TRL for termokjemisk varmelagring er 4-6, som hovedsakelig brukes ved begrenset plass, og varmelagringsperioden er fra flere timer til flere måneder. De viktigste tekniske utfordringene denne typen teknologi står overfor er: ① forbedre holdbarheten og stabiliteten til materialer; ② eliminere problemet med agglomerasjon/agglomerasjon; ③ redusere temperaturforskjellen mellom lading og utlading.

3. Nye varmelagringsteknologiløsninger

1. Solid fornuftig varmelagring

Solide fornuftige varmelagringssystemer gir en pålitelig og sikker metode for lagring av høytemperaturvarme, og nyere fremvoksende teknologier inkluderer betongvarmelagring og varmelagring i pakket seng. Norges EnergyNest-selskap har utviklet og demonstrert et modulært varmelagringssystem basert på sterkt ledende betong, kalt Heatcrete®, som nylig ble påført damprørnettet til et kjemisk anlegg i Norge og skal brukes i teglfabrikken og Senftenbacher-selskapet i Østerrike i fremtiden Sloecentrale kombikraftverk i Nederland. I Siemens Gamesas Kano batteripilotanlegg brukes et 740°C basaltpakket varmelagringssystem med en varmelagringskapasitet på 130 MWh; ArcelorMittals stålgjenvinningsanlegg i Spania bruker også gjenvinning av spillvarmegjenvinning for varmelagring i pakket seng.

2. Faseendringsmateriell for varmelagring

Den nye utviklingen av faseendringsmaterialer for varmelagring er høytemperaturfaseendringsvarmelagringsmaterialer, hvis smeltetemperatur overstiger 100 °C, slik som nitrat-eutektikum, dikarboksylsyre, sukkeralkohol og til og med metallmaterialer. De siste årene har det blitt utført mye forskning på å forbedre varmelagringsytelsen til faseendringsmaterialer, for eksempel å forbedre den termiske ledningsevnen ved å tilsette ledende fyllstoffer, og dermed øke ladnings-/utladningshastigheten. Ved å redusere varmeoverføringsoverflaten (som metallfinner), kan mer kompakte og rimelige varmelagringssystemer bygges. I tillegg utvikles nye høytemperaturbestandige emballasjematerialer for å forbedre bruksutsiktene for varmelagringsmaterialer med høy temperaturfaseendring.

3. Termokjemisk og adsorpsjonsvarmelagring

Termokjemiske og adsorpsjonsvarmelagringsteknologier utvikler komposittmaterialer med høy energitetthet og stabilitet. Forsknings- og utviklingsavdelingen utforsker komposittmaterialet og dets fremstillingsteknologi for å tilsette salt i den porøse matrisen, med sikte på å øke energilagringstettheten, forbedre stabiliteten til adsorpsjon/reaksjon og forlenge levetiden på samme tid. I tillegg er det utviklet beleggsteknologier for å forhindre sammenbakning eller pulverisering av termokjemiske materialer. Det svenske energiselskapet SaltX Technology har bekreftet gjennomførbarheten av denne ordningen. Selskapet har utviklet et nanobelagt salt for et termokjemisk varmelagringssystem kalt EnerStore, som har oppnådd flere ladinger/utladninger med rimelige materialer. Sirkulasjon, et system basert på en termokjemisk reaksjon mellom kalsiumoksid og vann/damp, har blitt testet for Power-To-Heat ved Vattenfall kraftvarmeverk i Berlin og har vært i drift siden bruk i mars 2019. Dens varmelagringskapasitet er 10 MWh, den totale effektiviteten til elektrisk oppvarming er 72%-85%, og det teoretiske maksimumet er 92%, som kan kontrollere varmeavgivelseshastigheten og nivået med høy presisjon.

4. Avansert simulering

Utviklingen av simuleringsmodeller kan effektivt støtte anvendelsen av varmelagringssystemer i integrerte industrielle energisystemer, og kan raskt designe varmelagringssystemer og gjennomføre sensitivitetsanalyser for innovative konfigurasjoner. For eksempel er det nylig utviklet en simuleringsbasert ytelsesevaluering av systemdesign innen latent varmelagring. Spesielt for industrielle termokjemiske varmelagringssystemer, kan kinetikken til termokjemiske reaksjoner i reaktor- og prosessdesign forutsies av avanserte ikke-parametriske modeller. Effektiviteten til det totale systemet kan forbedres ved å endre den originale adsorpsjonsenheten til å være en del av en hybrid adsorpsjons-/kompresjonskjøler. Ordningen øker utnyttelsen av fornybar energi ved å kombinere termisk og elektrisk energi,

4. Integrasjon av industriell varmelagringssystem

1. Elektrisk oppvarming og kraftproduksjon (Power-to-Heat-to-Power)

Elektrifisering av industriell produksjon har blitt fokus for forskning og anvendelse, men å erstatte industrielt prosessbrensel med elektrisk energi vil forårsake problemer knyttet til svingende kraftforsyning og nettkapasitet, som må løses av energilagringssystemer. Så langt er det mangel på kostnadseffektive energilagringssystemer som ikke er begrenset av geografiske lokasjoner. Power-to-X-to-Power (PXP) anses som en lovende løsning, som vil Elektrisk energi konverteres til andre former for energibærer og lagres, omdannes til elektrisk energi når det er nødvendig. Generering av elektrisk oppvarming (Power-to-Heat-to-Power) er et rimelig alternativ for PXP, også kjent som Carnot batteriløsning. Siemens Gamesa har gjort en vellykket demonstrasjon. Dets Carnot-batterilager i Hamburg. Termisk kraftverk ble satt i drift sommeren 2019, ved å bruke en basaltpakket seng for varmelagring og ladeluft gjennom elektriske varmeovner og blåsere. Systemet bruker en damp Rankine-syklus for å konvertere lagret varme til elektrisk energi med en elektrotermisk-elektrisk effektivitet på 45 % og en maksimal kraftproduksjon på 1,5 megawatt.

2. Renovering av eksisterende kraftverk

Integrerte varmelagringssystemer kan også bidra til å ettermontere eksisterende kraftverk med fossilt brensel, spesielt kullanlegg som står overfor delvis nedleggelse under CO2-reduksjonsmål. For eksempel konverterer det tyske I-Tess-prosjektet overskuddskraften til eksisterende kullkraftverk til varme, og bruker dampsyklusen til kraftverket til å konvertere varmeenergi når det er mangel på kraft. Det tyske Store To Power-prosjektet utvikler et pilotanlegg for termisk lagring av kraftproduksjon som kombinerer et eksisterende kullkraftverk med høytemperaturvarmelagring, inkludert elektrisk oppvarming og en dampgenerator som kan transportere omtrent 10 % av dampen i dampen syklusen til et kullkraftverk. Siemens Gamesa er et av de ledende selskapene dedikert til transformasjon av kullkraftverk. Ved å integrere varmelagringssystemet, den kan gi elektrisitet, varme eller damp med tilførsel av fluktuerende fornybar energikraft. Det har allerede utført et 30 MW basalt varmelagringssystem. demonstrasjon.

5. Tekniske tiltaksforslag

For å lette bruken av industriell varmelagring i stor skala, kreves det umiddelbare tekniske tiltak, spesielt for pre-kommersialiseringsfasen (fase P) og kommersialiseringsfasen (fase C), og anbefaler: (1)

Utfør industriell varmelagring forsknings- og utviklingsprosjekter (P-fase), med fokus på de tekniske utfordringene nevnt ovenfor.

(2) Utfør teknisk og økonomisk forskning på varmelagring og dens industrielle anvendelse (P-trinn), inkludert: ① Anvendelse av varmelagringsteknologi i fornybar energikraft-varme-/kaldkraftproduksjon, for eksempel Carnot-batteri; ② I fornybar energi. Varmelagringsteknologi brukes i elektrisk oppvarming/kjøling for å matche varierende strømforsyning med industriell varmebehov; ③ Utnytte geotermisk energi og solenergi for å møte varmebehovet; ④ Gjenvinning, lagring og utnyttelse av industriell spillvarme; ⑤ Varmelagring i industrielle kjøle- og kaldkjedeapplikasjoner; ⑥ bruk varmelagring som et pålitelig backup-system når andre varmeteknologier svikter.

(3) Identifiser og del applikasjoner der varmelagring har økonomiske, miljømessige og operasjonelle fordeler fremfor andre former for energilagring (batterier eller hydrogen) (Fase P).

(4) Utvikle og drifte demonstrasjonsprosjekter for varmelagring og gi resultater og data med åpen tilgang (Fase P).

(5) Del aktivt beste praksis og spre kunnskap og data til industrien, beslutningstakere og andre interessenter gjennom publikasjoner, taler og andre former for medieengasjement (Fase P).

(6) Utvikle en tilgjengelig database for varmelagringsmateriale med enhetlige nøkkelytelsesindikatorer (fase C).

(7) Samarbeide med regulatorer, fagorganer og industri for å utvikle standardiserte varmelagringssystemer (Fase C).