Хранение энергии. Обзор. Хранение энергии 28.06.22. Хранение энергии в контексте энергетического перехода обзор технологий Аннотация
 Скачать 4.08 Mb.
|
2.2.5. Технологии хранения тепловой энергии (TES)Технологии хранения тепловой энергии (TES) включают ряд решений для хранения, в которых тепловая энергия, такая как тепло или холод, является выходной формой энергии. TES могут иметь на входе прямую тепловую энергию, такую как отработанное тепло, отработанный холод и солнечная тепловая энергия, но также электричество, после преобразования в тепло или холод, может рассматриваться как источник энергии TES. Для технологий TES, обсуждаемых в этом разделе, эффективность определяется как отношение тепловой энергии, которая может быть получена из системы хранения, к тепловой энергии, используемой для зарядки системы хранения. В зависимости от материала хранения и процесса хранения TES можно разделить на три основные категории: хранение явного тепла тепловой энергии (SH-TES); Хранение тепловой энергии со скрытой теплотой (LH-TES); Термохимическое хранение энергии (TCES) [40,74, 85, 116,174–176]. Sensible Heat TES - это наиболее распространенное и интуитивно понятное решение для хранения тепловой энергии. Как следует из названия, основываясь на чувствительных тепловых свойствах данного материала для хранения, тепловая энергия может накапливаться путем изменения температуры среды хранения. Наиболее популярной технологией в этой категории является использование резервуаров для горячей воды, которые являются экономически эффективным вариантом, используемым в качестве буфера для хранения горячей воды для бытовых нужд (DHW). Материалы могут быть выбраны в зависимости от их тепловых свойств, а также требуемой рабочей температуры и емкости для хранения. Вода (для хранения при температуре ниже 100°C) и пар (для хранилищ выше 100 °C) являются обычным явлением, но все шире используются расплавленные соли и твердые минералы, такие как гравий, бетон и камни, для хранения тепловой энергии. Эффективность SH-TES может варьироваться (50–90%), в основном из-за тепловых утечек и проблем с тепловой изоляцией. SH-TES имеют низкую удельную энергию (10–50 Вт·ч)/кг), что подразумевает потребность в больших емкостях для хранения и умеренное время отклика, поскольку преобразование не требуется. Большая часть текущих исследований и разработок (НИОКР) сосредоточена на новых материалах и устройствах для повышения удельной энергии и разработки эффективных теплоизоляционных материалов. [74,174–176]. Основываясь на другом тепловом свойстве, Latent Heat TES использует процесс фазового перехода для накопления тепловой энергии, включающий превращение твердое-твердое или твердое-жидкое при постоянной температуре. Обычно материалы для хранения в этой технологии TES называются материалами с фазовым переходом (PCM). Концепция LH-TES устраняет два недостатка SH-TES. Одна связана с температурой разряда, которая у первых постоянна, а у вторых изменяется, а другая связана с удельной энергией, которая у первых может быть в пять-четырнадцать раз выше, чем у вторых.[116,174– 176] Наиболее распространенные решения LH-TES связаны с системами отопления/ вентиляции/кондиционирования воздуха (HVAC). Холодильные хранилища с использованием фазового перехода между жидкой водой и льдом (или другими комбинациями жидкости и твердого тела) могут улучшить системы HVAC, а также снизить пиковую нагрузку на электроэнергию зданий или промышленных предприятий, которые имеют повышенные потребности в охлаждении. Другое интересное решение связано с включением PCM в легкие стены зданий. Ночью они остывают и затвердевают, а днем тают, тем самым уменьшая проникновение тепла в помещение и уменьшая или устраняя потребности в кондиционировании воздуха. Эта комплексная концепция, как показано на Рис. 13, называется пассивным охлаждением[116,174].  LH-TES имеют КПД, который может варьироваться (75–90%), в том числе из-за проблем с тепловой изоляцией и умеренной удельной энергией (50–150 Вт·ч)/кг). Три основных недостатка по сравнению с SH-TES связаны с более высокими затратами, более медленным временем отклика, поскольку задействовано фазовое превращение, и сроком службы, который может быть ограничен из-за сопротивления материала термоциклированию. Большая часть текущих исследований и разработок сосредоточена на новых материалах для высокотемпературного хранения с фазовым переходом в промышленных применениях.[74,174]. Термохимическое хранение энергии — это технология, использующая химические реакции, которые преобразуют тепловую энергию в химическую энергию. Однако цель состоит не в том, чтобы синтезировать новые материалы, которые впоследствии можно будет использовать, как в случае с преобразованием солнечной энергии в топливо, а в том, чтобы применить обратимые процессы, такие как окислительно-восстановительные реакции, реакции адсорбции-десорбции и гидратации-дегидратации, для накопления тепловой энергии, которая впоследствии будет повторно использована [116,174– 177] Одна отличительная характеристика TCES связана с его циклом хранения. При зарядке термохимический материал поглощает тепло, а затем распадается на два компонента, обычно твердый и жидкий, которые можно хранить отдельно при температуре окружающей среды. Возможность хранения этих компонентов при умеренной температуре резко снижает потери тепла и позволяет использовать этот метод для длительного хранения [116, 175]. TCES имеют еще более высокую удельную энергию (120–250 Вт·ч)/кг) по сравнению с SH-TES и LH-TES в результате использования химических реакций и КПД, который может варьироваться (75–100%) в этом случае из-за тепловых потерь в термохимическом реакторе, а также из-за утечки материала. Недостатками TCES являются более высокая стоимость и более высокая техническая сложность по сравнению с SH-TES и LH-TES. Однако среди всех технологий TES технология TCES находится на самой ранней стадии разработки, поскольку ей необходимы дополнительные исследования и разработки для лучшего понимания реакции и улучшения проектирования более эффективных реакторов [74, 174–177]. 2.3. Другие подсистемы ES При оценке интегрированной системы ES, т. е. правильно подключенной и функциональной установки ES, помимо технологического устройства ES, следует оценивать две основные подсистемы: систему преобразования мощности (PCS) и баланс предприятия (BOP) [60, 178]. Система преобразования энергии включает все необходимое оборудование для установления электрического интерфейса между EES и сетью в соответствии с технологическими и прикладными характеристиками.  PCS необходима для преобразования электроэнергии из переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) и наоборот практически для всех технологий EES, кроме механических, работающих непосредственно на переменном токе. Следовательно, PCS действует как выпрямитель при заряде (переменный ток в постоянный) и как инвертор при разряде (постоянный ток в переменный). PCS также обеспечивает согласование питания во время преобразования (зарядка и разрядка), что позволяет избежать потенциального повреждения устройства EES.[178].  Можно определить три категории PCS. Тип I, называемый непрерывным запросом, применяется, когда EES должна ответить в течение 20 миллисекунд. Тип I необходимо поддерживать в режиме ожидания, чтобы мощность могла подаваться в течение указанного выше времени отклика, что приводит к потерям в режиме ожидания. Тип II, называемый запрограммированным непрерывным, используется для применения ES с запланированной подачей энергии с предварительным уведомлением не менее чем за 10 минут. Тип II может отключаться между интервалами разрядки, не имея потерь в режиме ожидания. Тип III, называемый быстрым прерывистым, также предназначен для применения, на которые EES должна реагировать в течение 20 миллисекунд. Однако тип III специально показан для областей, требующих импульсной мощности от EES. Как и тип I, тип III должен находиться в режиме ожидания, также имея потери в режиме ожидания.[60]. Следующее Таблица 2 с обобщенными типами PCS, временем отклика и продолжительностю разряда, а также эффективностю при зарядке, разрядке и режиме ожидания. Затраты на PCS рассчитываются по номинальной мощности и выражаются в долларах США за кВт. База расчета, т. е. значение мощности, которое следует умножить на соответствующий показатель в долларах США за кВт, может варьироваться по типу PCS. Типы PCS I и II зависят от самого низкого напряжения, достигаемого во время непрерывного разряда, называемого V.мин, а тип III зависит от соотношения мощности импульса и номинальной мощности, называемого коэффициентом импульса (Pf). Ссылка [60] дает эмпирическую оценку затрат, которая выражается в Таблице 3. Разработка конкретных PCS для применения EES является возможным источником развития средств EES, учитывая, что каждое устройство EES работает по-своему. Затраты на PCS могут достигать от 33% до 50% от общей стоимости объекта ES. Исследования и разработки PCS сосредоточены на разработке новых технологий, снижающих затраты и количество процессов внутреннего преобразования, заменяя традиционные кремниевые биполярные транзисторы с изолированным затвором передовыми высоковольтными полупроводниками.[178–180]. Балансовая стоимость предприятия включает затраты на оборудование, такие как защитные кожухи, системы HVAC и другие устройства технического обслуживания /поддержки, а также затраты, связанные со строительством, такие как владение землей, фундамент, конструкции и защита электрической системы. Другие устройства управления и мониторинга, инженерные проекты и управленческие расходы также включены в ПБ. Вкратце, любые дополнительные ресурсы и услуги, необходимые для развертывания и эксплуатации системы ES, которые не рассматриваются в рамках ПК и устройства технологии ES. Следовательно, BOP является наиболее переменной стоимостью в системе ES [60,178]. 2.4. Краткое описание технологий В этом разделе в таблицах 4 и 5 будут обобщены доступные данные потехнологиям EES с использованием технических характеристик, выбранных в разделе 2.1. Ссылки на данные из каждой строки приведены в таблице 5. Для всех технологий доступные данные будут обобщены в таблице 6, а для Технологии хранения химической энергии, приведенные в Таблице 7 Приложения ES Обзор приложений  Цель этого раздела — дать обзор систем ES, показать, как они обычно классифицируются, и выделить некоторые соответствующие характеристики. Технологии ES имеют широкий спектр применения, и возможны многочисленные подходы к классификации. Первая классификация отделяет ТES от категорий EES , которые включают в себя несколько приложений. В конкретном случае EES категоризация всех потенциальных областей может быть очень сложной задачей с учетом используемой логики классификации. На самом деле в литературе есть две наиболее распространенные логики классификации систем EES , но количество приложений в этих публикациях может варьироваться от трех до двадцати четырех. Первая общая логика классификации основана на логистической перспективе системы электроснабжения, классифицируя по цепочке создания стоимости электроэнергии. Другая классификация основана на параметрической перспективе, классифицируя применение по их техническим характеристикам, обычно с точки зрения номинальной мощности и емкости хранения (обычно выражаемой с точки зрения продолжительности разряда), но также упоминается время отклика. Последняя логика классификации позволяет напрямую связывать системы и технологии EES, являясь наиболее часто используемой. Существует альтернативное представление логики параметрической классификации, в которой подразделяются на энергетические области, при этом номинальная мощность является наиболее важным техническим требованием для первого, а емкость хранения - для второго. На основе [36,40,41,44,57,85,181–184] были отобраны десять характеристик EES и разделены на две группы в соответствии с логистической перспективой: пять характеристик на уровне генерации / сети и пять характеристик на уровне конечного пользователя. Первая группа включает в себя следующие приложения: |