Liên minh Nghiên cứu Năng lượng Châu Âu đã phát hành sách trắng về nghiên cứu và phát triển công nghệ lưu trữ nhiệt công nghiệp

Gần đây, Chương trình Nghiên cứu Chung của Liên minh Nghiên cứu Năng lượng Châu Âu (EERA) về Hiệu quả Năng lượng của Quy trình Công nghiệp (JP EEIP) đã phát hành sách trắng "Lưu trữ Nhiệt Công nghiệp: Hỗ trợ the Transformation to Decarbonized Industry", đưa ra tình trạng hiện tại, những thách thức và đề xuất nghiên cứu và phát triển của công nghệ lưu trữ nhiệt công nghiệp. Những điểm chính như sau:

1. Các ứng dụng tiềm năng của lưu trữ nhiệt trong công nghiệp

1. Làm nóng hoặc làm mát quy trình công nghiệp

Tùy thuộc vào điều kiện khí hậu, hệ thống sưởi ấm năng lượng mặt trời công nghiệp có thể được kết hợp với hệ thống lưu trữ nhiệt. Các ứng dụng hứa hẹn bao gồm: ① Đối với nhu cầu nhiệt quá trình ở nhiệt độ cao (400°C), có thể sử dụng hệ thống sưởi điện kết hợp với lưu trữ nhiệt rắn xốp; ② Đối với nước nóng ở nhiệt độ trung bình và nhu cầu xử lý hơi nước (lên đến 200°C), có nhiều lựa chọn, bao gồm sự kết hợp giữa bơm nhiệt công nghiệp và bộ lưu trữ nhiệt, và sự kết hợp giữa hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời và bộ lưu trữ nhiệt; ③Đối với kho lạnh công nghiệp (dưới 6°C), có thể cung cấp hệ thống làm lạnh (như máy làm mát không khí hoặc máy điều hòa không khí), nhiệt hợp lý hoặc hệ thống lưu trữ nhiệt vật liệu thay đổi pha. chu kỳ làm lạnh và sử dụng điện tái tạo chi phí thấp.

2. Tận dụng nhiệt thải công nghiệp

Các ứng dụng đầy hứa hẹn bao gồm: ① Lưu trữ nhiệt ngắn hạn, trong đó nhiệt dư từ quá trình xử lý hàng loạt được sử dụng để làm nóng sơ bộ lô tiếp theo nhằm giảm năng lượng đầu vào và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, đồng thời công nghệ lưu trữ nhiệt được sử dụng phụ thuộc vào lượng nhiệt dư có sẵn ( Ví dụ: quá trình tỏa nhiệt trong công nghiệp hóa chất đòi hỏi đủ nhiệt độ bắt đầu, chẳng hạn như trùng hợp hoặc alkoxyl hóa), lưu trữ nhiệt ngắn hạn cũng có thể cải thiện khả năng sưởi ấm khu vực bằng cách sử dụng nhiệt dư công nghiệp dao động; ② lưu trữ nhiệt dài hạn, sản xuất công nghiệp Nhiệt còn lại trong quy trình được lưu trữ để cung cấp sưởi ấm không gian cho cơ sở công nghiệp vào mùa đông hoặc xuất ra mạng lưới sưởi ấm khu vực, yêu cầu nhiệt độ lưu trữ nhiệt ở mức 70-120°C hoặc để nâng cấp nhiệt độ thấp được lưu trữ,

3. Bộ lưu trữ nhiệt dự phòng công nghiệp

Bộ lưu trữ nhiệt dự phòng công nghiệp có thể được sử dụng như một nguồn cung cấp năng lượng nhiệt liên tục trong trường hợp khẩn cấp, đòi hỏi phản ứng nhanh và độ tin cậy cao. Hiện tại, ngành công nghiệp chủ yếu dựa vào nồi hơi đốt khí làm nguồn nhiệt dự phòng và hệ thống lưu trữ nhiệt có thể cung cấp hơi dự phòng, tránh sử dụng nồi hơi. Các sản phẩm hiện có trên thị trường là bình tích áp hơi nước, trong khi các giải pháp lưu trữ nhiệt bằng vật liệu thay đổi pha và lưu trữ nhiệt hóa học là trọng tâm của sự phát triển trong tương lai. Để lưu trữ nhiệt ở nhiệt độ cao hơn, có thể sử dụng lưu trữ nhiệt rắn xốp, và các vật liệu thay đổi pha ở nhiệt độ cao và lưu trữ nhiệt hóa học có thể được phát triển trong tương lai.

4. Cung cấp nhiệt điện công nghiệp

Ngoài pin, bộ lưu trữ nhiệt có thể cung cấp một giải pháp chi phí thấp để đáp ứng nhu cầu trong tương lai về năng lượng cao, công suất lớn và lưu trữ năng lượng lâu dài. Cung cấp nhiệt công nghiệp cần tập trung vào phát triển một số công nghệ: ①Pin Carnot nhiệt độ cao, sử dụng điện Hệ thống sưởi lưu trữ nhiệt trong chất rắn xốp lên đến 800°C; ②Pin Carnot nhiệt độ trung bình, sử dụng bơm nhiệt để chuyển điện năng thành nhiệt, lên đến 200°C, để nâng cao hiệu suất, có thể dùng nhiệt thải công nghiệp làm nguồn nhiệt cho bơm nhiệt; ③Hệ thống khí nén đoạn nhiệt, Yêu cầu lưu trữ nhiệt ở nhiệt độ cao (thường sử dụng chất rắn xốp gốm).

2. Hiện trạng và thách thức của công nghệ lưu trữ nhiệt công nghiệp

1. Lưu trữ nhiệt hợp lý

Lưu trữ nhiệt hợp lý lưu trữ hoặc giải phóng nhiệt bằng cách tăng hoặc giảm nhiệt độ của vật liệu. Các vật liệu lưu trữ nhiệt điển hình bao gồm nước, dầu nhiệt, đá, sa thạch, đất sét, gạch, thép, bê tông và muối nóng chảy.

(1) Mức độ trưởng thành kỹ thuật (TRL) của bộ lưu trữ nhiệt hợp lý dựa trên chất lỏng đã đạt đến cấp 9 và nó chủ yếu được sử dụng trong các trường hợp chi phí thấp và không gian không bị hạn chế, và thời gian lưu trữ nhiệt là vài giờ đến vài ngày. Những thách thức kỹ thuật chính mà loại công nghệ này phải đối mặt là: ① tăng mật độ năng lượng thể tích, do đó giảm yêu cầu về không gian; ② giảm nhiệt độ, áp suất và làm chậm sự ăn mòn của muối nóng chảy; ③ giảm thất thoát nhiệt do không gọn nhẹ.

(2) TRL lưu trữ nhiệt hợp lý dựa trên chất rắn đạt cấp 7, chủ yếu được sử dụng trong các trường hợp chi phí thấp và không gian không bị hạn chế, thời gian lưu trữ nhiệt từ vài giờ đến vài ngày. Những thách thức kỹ thuật chính mà loại công nghệ này phải đối mặt là: ① giảm trọng lượng và tăng mật độ năng lượng thể tích, do đó giảm yêu cầu về không gian và trọng lượng hệ thống; ② cải thiện quá trình trao đổi nhiệt.

(3) TRL lưu trữ nhiệt hợp lý dựa trên các hồ chứa ngầm như tầng chứa nước đạt cấp 7, chủ yếu được sử dụng để lưu trữ nhiệt theo mùa quy mô lớn dưới 90°C và cũng có thể sử dụng nhiệt trong quá trình sạc. Những thách thức kỹ thuật chính mà loại công nghệ này phải đối mặt là: ①giảm yêu cầu về diện tích; ②giảm sự phụ thuộc vào điều kiện địa chất cụ thể; ③giảm tổn thất nhiệt ở nhiệt độ cao; ④giảm thời gian khởi động; ⑤tăng phạm vi nhiệt độ.

(4) TRL lưu trữ nhiệt hợp lý dựa trên mỏ đạt cấp 7, chủ yếu được sử dụng để lưu trữ nhiệt quy mô lớn trong khoảng nhiệt độ 60-80 ° C trong vài tuần đến vài tháng và nhiệt cũng có thể được sử dụng trong quá trình sạc. Những thách thức kỹ thuật chính mà loại công nghệ này phải đối mặt là: ①giảm yêu cầu về không gian bề mặt; ②cải thiện hiệu quả lưu trữ nhiệt và cải thiện ảnh hưởng của mức nhiệt độ lưu trữ nhiệt và đặc điểm phân tầng.

2. Lưu trữ nhiệt tiềm ẩn

Lưu trữ nhiệt tiềm ẩn sử dụng sự thay đổi pha của vật liệu lưu trữ. Các vật liệu thay đổi pha điển hình bao gồm nước đá, paraffin, axit béo, rượu đường, muối hydrat, muối vô cơ và kim loại. TRL của công nghệ này là 4-7 và nó chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ nhiệt nhỏ và thời gian lưu trữ nhiệt là vài giờ đến vài ngày. Những thách thức kỹ thuật chính mà loại công nghệ này phải đối mặt là: ① tăng tốc độ truyền nhiệt; ② cải thiện quy trình tiêu chuẩn hóa và thương mại hóa vật liệu thay đổi pha; ③ cải thiện tính linh hoạt của các giải pháp; ④ cải thiện độ bền của vật liệu thay đổi pha; ⑤ cải thiện độ tinh khiết của vật liệu lưu trữ nhiệt.

3. Lưu trữ nhiệt hấp phụ

Lưu trữ nhiệt hấp phụ dựa trên phản ứng khí-rắn thuận nghịch giữa chất hấp phụ (khí) và chất hấp phụ rắn hoặc lỏng, thường ở nhiệt độ dưới 200 °C. Nhiệt hấp phụ liên quan đến quá trình hấp phụ/giải hấp thuận nghịch này thường lớn hơn quá trình tích trữ nhiệt ẩn và hợp lý, có ưu điểm là có thể lưu trữ nhiệt trong thời gian dài với tổn thất nhiệt tối thiểu. Các chất hấp thụ rắn điển hình bao gồm các vật liệu có cấu trúc xốp như zeolit, silica gel và nhôm hoạt tính có thể hấp phụ/khử khí như nước hoặc hơi amoniac; chất hấp thụ lỏng điển hình là dung dịch muối đậm đặc như liti clorua, liti bromua và dung dịch nước natri hydroxit. TRL của lưu trữ nhiệt hấp phụ là 6-8, chủ yếu được sử dụng trong trường hợp không gian hạn chế, và thời gian lưu nhiệt là vài giờ đến vài tháng. Những thách thức kỹ thuật chính mà loại công nghệ này phải đối mặt là: ① tăng các vật liệu thương mại có thể được sử dụng trên 200 °C; ② sử dụng năng lượng lạnh được tạo ra để nâng cao hiệu quả; ③ giảm chênh lệch nhiệt độ giữa sạc và xả.

4. Lưu trữ nhiệt hóa học

Lưu trữ nhiệt hóa học cũng dựa trên các phản ứng khí-rắn thuận nghịch, tương tự như lưu trữ nhiệt hấp phụ, do đó cũng có ưu điểm là tổn thất nhiệt nhỏ, nhưng mật độ lưu trữ nhiệt cao hơn và chi phí thấp hơn. Sự khác biệt chính của nó so với lưu trữ nhiệt hấp phụ là khí được hấp thụ trực tiếp bởi mạng rắn, do đó thay đổi cấu trúc tinh thể. Khi nhiệt độ dưới 200°C, sử dụng muối và khí vô cơ rắn để lưu trữ nhiệt hóa học, chẳng hạn như canxi clorua và hơi nước, hoặc stronti clorua và hơi amoniac; trong khoảng nhiệt độ 250-600°C, sử dụng hydroxit tạo thành (như canxi oxit/canxi hydroxit) và phản ứng cacbonat hóa (như canxi oxit/canxi cacbonat) để lưu nhiệt; trong phạm vi nhiệt độ 800-1800 ° C, các phản ứng oxy hóa có thể được sử dụng để lưu trữ nhiệt, chẳng hạn như bari peroxide/bari oxit hoặc sắt/Oxit sắt. TRL của lưu trữ nhiệt hóa nhiệt là 4-6, chủ yếu được sử dụng trong trường hợp không gian hạn chế và thời gian lưu trữ nhiệt là vài giờ đến vài tháng. Những thách thức kỹ thuật chính mà loại công nghệ này phải đối mặt là: ① cải thiện độ bền và độ ổn định của vật liệu; ② loại bỏ vấn đề tích tụ/tích tụ; ③ giảm chênh lệch nhiệt độ giữa sạc và xả.

3. Các giải pháp công nghệ lưu trữ nhiệt mới nổi

1. Lưu trữ nhiệt hợp lý bằng chất rắn

Hệ thống lưu trữ nhiệt hợp lý rắn cung cấp một phương pháp đáng tin cậy và an toàn để lưu trữ nhiệt độ cao, và các công nghệ mới nổi gần đây bao gồm lưu trữ nhiệt bê tông và lưu trữ nhiệt giường đóng gói. Công ty EnergyNest của Na Uy đã phát triển và trình diễn một hệ thống lưu trữ nhiệt dạng mô-đun dựa trên bê tông dẫn điện cao, được gọi là Heatcret®, gần đây đã được áp dụng cho mạng lưới đường ống hơi của một nhà máy hóa chất ở Na Uy và sẽ được sử dụng trong nhà máy gạch và công ty Senftenbacher ở Áo trong nhà máy điện chu trình hỗn hợp Sloecentrale trong tương lai ở Hà Lan. Trong nhà máy thí điểm pin Kano của Siemens Gamesa, một hệ thống lưu trữ nhiệt dạng tầng bazan 740°C với công suất lưu trữ nhiệt là 130 MWh được sử dụng; Nhà máy tái chế thép của ArcelorMittal ở Tây Ban Nha cũng sử dụng phương pháp thu hồi nhiệt thải từ thiết bị lưu trữ nhiệt giường đóng gói.

2. Vật liệu đổi pha trữ nhiệt

Sự phát triển mới của vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha là vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha ở nhiệt độ cao, có nhiệt độ nóng chảy vượt quá 100°C, chẳng hạn như nitrat eutectic, axit dicarboxylic, rượu đường và thậm chí cả vật liệu kim loại. Trong những năm gần đây, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm cải thiện hiệu suất lưu trữ nhiệt của vật liệu thay đổi pha, chẳng hạn như tăng cường tính dẫn nhiệt bằng cách thêm chất độn dẫn điện, do đó làm tăng tốc độ nạp/xả. Bằng cách giảm diện tích bề mặt truyền nhiệt (chẳng hạn như vây kim loại), có thể xây dựng các hệ thống lưu trữ nhiệt nhỏ gọn hơn và chi phí thấp hơn. Ngoài ra, các vật liệu đóng gói chịu nhiệt độ cao mới đang được phát triển để cải thiện triển vọng ứng dụng của vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha ở nhiệt độ cao.

3. Lưu trữ nhiệt hóa học và hấp phụ

Các công nghệ lưu trữ nhiệt hóa học và hấp phụ đang phát triển các vật liệu composite có mật độ năng lượng cao và ổn định. Bộ phận nghiên cứu và phát triển đang khám phá vật liệu composite và công nghệ điều chế thêm muối vào nền xốp, nhằm tăng mật độ lưu trữ năng lượng, nâng cao tính ổn định của phản ứng/hấp phụ, đồng thời kéo dài tuổi thọ. Ngoài ra, các công nghệ phủ đã được phát triển để ngăn chặn quá trình đóng bánh hoặc nghiền thành bột các vật liệu nhiệt hóa. Công ty năng lượng Thụy Điển SaltX Technology đã xác nhận tính khả thi của kế hoạch này. Công ty đã phát triển một loại muối phủ nano cho hệ thống lưu trữ nhiệt hóa học có tên là EnerStore, đã đạt được nhiều lần sạc/xả bằng vật liệu chi phí thấp. Vòng tuần hoàn, một hệ thống dựa trên phản ứng nhiệt hóa giữa canxi oxit và nước/hơi nước, đã được thử nghiệm cho Power-To-Heat tại nhà máy Vattenfall CHP ở Berlin và đã được đưa vào sử dụng từ tháng 3 năm 2019. Công suất lưu trữ nhiệt của nó là 10 MWh, tổng hiệu suất của hệ thống sưởi điện là 72% -85% và mức tối đa theo lý thuyết là 92%, có thể kiểm soát tốc độ và mức giải phóng nhiệt với độ chính xác cao.

4. Mô phỏng nâng cao

Sự phát triển của các mô hình mô phỏng có thể hỗ trợ hiệu quả cho việc ứng dụng các hệ thống lưu trữ nhiệt trong các hệ thống năng lượng công nghiệp tích hợp, đồng thời có thể nhanh chóng thiết kế các hệ thống lưu trữ nhiệt và tiến hành phân tích độ nhạy cho các cấu hình đổi mới. Ví dụ, đánh giá hiệu suất dựa trên mô phỏng của các thiết kế hệ thống đã được phát triển mới trong lĩnh vực lưu trữ nhiệt ẩn. Đặc biệt đối với các hệ thống lưu trữ nhiệt hóa học công nghiệp, động học của các phản ứng nhiệt hóa học trong lò phản ứng và thiết kế quy trình có thể được dự đoán bằng các mô hình phi tham số tiên tiến. Hiệu quả của toàn bộ hệ thống có thể được cải thiện bằng cách thay đổi bộ phận hấp phụ ban đầu thành một phần của bộ làm mát nén/hấp phụ lai. Đề án tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo bằng cách kết hợp năng lượng nhiệt và điện,

4. Tích hợp hệ thống lưu trữ nhiệt công nghiệp

1. Phát điện và sưởi ấm bằng điện (Power-to-Heat-to-Power)

Điện khí hóa sản xuất công nghiệp đã trở thành trọng tâm của nghiên cứu và ứng dụng, nhưng việc thay thế nhiên liệu quy trình công nghiệp bằng năng lượng điện sẽ gây ra các vấn đề liên quan đến nguồn cung cấp điện và công suất lưới điện dao động, cần được giải quyết bằng hệ thống lưu trữ năng lượng. Cho đến nay, vẫn còn thiếu các hệ thống lưu trữ năng lượng hiệu quả về chi phí không bị giới hạn bởi các vị trí địa lý. Power-to-X-to-Power (PXP) được coi là một giải pháp đầy triển vọng, sẽ chuyển đổi năng lượng điện thành các dạng chất mang năng lượng khác và được lưu trữ, chuyển đổi lại thành năng lượng điện khi cần thiết. Phát điện sưởi ấm bằng điện (Power-to-Heat-to-Power) là một lựa chọn chi phí thấp cho PXP, còn được gọi là giải pháp pin Carnot. Siemens Gamesa đã trình diễn thành công. Bộ lưu trữ pin Carnot của nó ở Hamburg Nhà máy nhiệt điện đã được đưa vào hoạt động vào mùa hè năm 2019, sử dụng một lớp đá bazan đóng gói để lưu trữ nhiệt và nạp không khí qua máy sưởi điện và quạt gió. Hệ thống sử dụng chu trình hơi nước Rankine để chuyển đổi nhiệt được lưu trữ thành năng lượng điện với hiệu suất điện-nhiệt-điện là 45% và công suất phát điện tối đa là 1,5 megawatt.

2. Cải tạo các nhà máy điện hiện có

Các hệ thống lưu trữ nhiệt tích hợp cũng có thể giúp trang bị thêm cho các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch hiện có, đặc biệt là các nhà máy than đang đối mặt với việc đóng cửa một phần theo mục tiêu giảm CO2. Ví dụ, dự án I-Tess của Đức chuyển đổi năng lượng dư thừa của các nhà máy nhiệt điện than hiện có thành nhiệt và sử dụng chu trình hơi nước của nhà máy điện để chuyển đổi năng lượng nhiệt khi thiếu điện. Dự án Store To Power của Đức đang phát triển một nhà máy thí điểm phát điện lưu trữ nhiệt kết hợp nhà máy nhiệt điện than hiện có với lưu trữ nhiệt độ cao, bao gồm hệ thống sưởi điện và máy tạo hơi nước có thể vận chuyển khoảng 10% hơi nước trong hơi nước. chu kỳ của một nhà máy nhiệt điện than. Siemens Gamesa là một trong những công ty hàng đầu chuyên về chuyển đổi các nhà máy nhiệt điện than. Bằng cách tích hợp hệ thống lưu trữ nhiệt, nó có thể cung cấp điện, nhiệt hoặc hơi nước với đầu vào là năng lượng tái tạo dao động. Nó đã thực hiện một hệ thống lưu trữ nhiệt bazan 30 MW. cuộc biểu tình.

5. Đề xuất hành động kỹ thuật

Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng lưu trữ nhiệt công nghiệp trên quy mô lớn, cần có hành động kỹ thuật ngay lập tức, đặc biệt là đối với giai đoạn tiền thương mại hóa (Giai đoạn P) và giai đoạn thương mại hóa (Giai đoạn C), khuyến nghị: (1) Thực

hiện các dự án nghiên cứu và phát triển thiết bị lưu trữ nhiệt công nghiệp (giai đoạn P), tập trung vào các thách thức kỹ thuật nêu trên.

(2) Tiến hành nghiên cứu kinh tế kỹ thuật về lưu trữ nhiệt và ứng dụng công nghiệp (giai đoạn P), bao gồm: ① Áp dụng công nghệ lưu trữ nhiệt trong sản xuất năng lượng tái tạo nhiệt/điện lạnh, chẳng hạn như pin Carnot; ② Trong năng lượng tái tạo Công nghệ lưu trữ nhiệt được sử dụng trong hệ thống sưởi ấm/làm mát bằng điện để phù hợp với nguồn cung cấp điện biến động với nhu cầu nhiệt công nghiệp; ③ Sử dụng năng lượng địa nhiệt và năng lượng mặt trời để đáp ứng nhu cầu nhiệt; ④ Thu hồi, lưu trữ và sử dụng nhiệt thải công nghiệp; ⑤ Lưu trữ nhiệt trong các ứng dụng lạnh công nghiệp và dây chuyền lạnh; ⑥ sử dụng bộ lưu trữ nhiệt như một hệ thống dự phòng đáng tin cậy khi các công nghệ sưởi ấm khác không thành công.

(3) Xác định và chia sẻ các ứng dụng trong đó lưu trữ nhiệt có lợi thế về kinh tế, môi trường và vận hành so với các dạng lưu trữ năng lượng khác (pin hoặc hydro) (Giai đoạn P).

(4) Phát triển và vận hành các dự án trình diễn lưu trữ nhiệt và cung cấp các kết quả và dữ liệu truy cập mở (Giai đoạn P).

(5) Tích cực chia sẻ các phương pháp hay nhất và phổ biến kiến ​​thức cũng như dữ liệu cho ngành, các nhà hoạch định chính sách và các bên liên quan khác thông qua các ấn phẩm, bài phát biểu và các hình thức tương tác truyền thông khác (Giai đoạn P).

(6) Phát triển cơ sở dữ liệu vật liệu lưu trữ nhiệt có thể truy cập với các chỉ số hiệu suất chính thống nhất (Giai đoạn C).

(7) Phối hợp với các cơ quan quản lý, cơ quan chuyên môn và ngành để phát triển các hệ thống lưu trữ nhiệt tiêu chuẩn (Giai đoạn C).