Холодное аккумулирование тепла имеет решающее значение для повышения эффективности хранения энергии в виде сжатого воздуха

Аккумулятор Challenger A12-200

Исследователи проанализировали 110 работ, посвященных хранению низкотемпературной тепловой энергии в системах аккумулирования энергии на основе жидкого воздуха, и пришли к выводу, что эффективность систем хранения низкотемпературной энергии оказывает гораздо большее влияние на эффективность всей системы, чем предполагалось ранее. Несмотря на то, что материалы с фазовым переходом обеспечивают высокий теоретический КПД, наиболее проработанным и экономически выгодным вариантом на данный момент являются более простые системы аккумулирования тепловой энергии в плотном слое. Для их масштабного внедрения необходимы дальнейшие экспериментальные исследования.

Вид сверху на аккумулирующее тепловое хранилище на основе гальки в качестве накопителя

Международная группа исследователей провела критический анализ литературы, посвященной использованию систем аккумулирования низкотемпературной тепловой энергии (СТЭ) в системах аккумулирования энергии на основе жидкого воздуха (АЭЖВ).

Роль CTES в системе LAES заключается в рекуперации эксергии криогена во время регазификации воздуха и повторном использовании ее на этапе сжижения, что значительно повышает эффективность обратного цикла.

«Это первый всеобъемлющий и критический обзор технологий, материалов и конфигураций систем хранения энергии для низкотемпературных систем, — рассказал автор исследования Алессио Тафоне. — Мы не просто анализируем существующие исследования, а систематически оцениваем различные технологии, материалы и конфигурации систем хранения энергии с использованием термодинамических и технико-экономических критериев. Это позволяет нам определить оптимальные стратегии проектирования, выявить устойчивые тенденции в производительности, а также четко обозначить текущие пробелы в исследованиях и пути дальнейшего развития».

«Несмотря на то, что обзор посвящен системам аккумулирования низкотемпературной энергии, многие выводы применимы и к системам аккумулирования тепловой энергии для криогенных применений в целом. Это ключевая технология для использования, хранения и повторного применения низкотемпературных тепловых ресурсов в энергетическом, промышленном и холодильном секторах, на терминалах регазификации сжиженного природного газа (СПГ) и в секторе промышленных газов», — продолжил Тафон.

Обзор группы включал анализ 110 публикаций, охватывающих широкий спектр конфигураций систем хранения и передачи энергии, в том числе систем с конвекцией, систем с фазовым переходом, гибридных и каскадных конструкций, а также систем с усовершенствованной геометрией. «Один из самых поразительных выводов заключается в том, насколько важную роль в общей эффективности систем хранения и передачи энергии играет аккумулирование холода. Согласно литературным данным, потери при аккумулировании холода могут в семь раз сильнее влиять на эффективность системы, чем потери при передаче тепла, которые часто недооценивают», — сказал Тафон.

Рецензенты также отметили, что, хотя многие высокоэффективные концепции накопителей энергии на основе термоэлектрических систем демонстрируют высокие показатели при моделировании, их преимущества сходят на нет при рассмотрении реалистичных условий эксплуатации, таких как циклическое включение и выключение, потери в режиме ожидания и работа при частичной нагрузке. Более простые и надежные конструкции накопителей энергии на основе термоэлектрических систем зачастую оказываются более эффективными с технико-экономической точки зрения, что указывает на то, что масштабируемость и эксплуатационная надежность в настоящее время важнее максимальной теоретической эффективности.

«Наш анализ показал, что наиболее проработанным и экономически выгодным вариантом являются заполненные слои с материалами, аккумулирующими тепло, в то время как системы на основе материалов с фазовым переходом обладают более высоким потенциалом эффективности — повышение эффективности при двустороннем теплообмене может достигать 55 % — но сталкиваются с проблемами, связанными со стоимостью, доступностью и масштабируемостью материалов, — заявили исследователи. — Гибридные и каскадные конфигурации показывают многообещающие результаты в ходе моделирования, хотя экспериментальных данных по-прежнему недостаточно».

В заключение авторы обзора отметили, что, несмотря на значительный прогресс в исследованиях в области низкотемпературной электроэнергетики за последние несколько лет, они по-прежнему носят фрагментарный характер. «Чтобы восполнить этот пробел, необходимы более скоординированные и междисциплинарные исследования, объединяющие теплотехнику, материаловедение, системы управления и экономическое моделирование», — добавили они.

Тафон сказал, что его команда сейчас «сосредоточена на переходе от идеализированного моделирования к экспериментально проверенным и динамически управляемым системам накопителей энергии на основе химических источников тока. В частности, нас интересуют гибридные концепции хранения энергии с использованием как активной, так и пассивной энергии, различные геометрические формы, поведение при длительном циклическом использовании и технико-экономическая оценка жизненного цикла в реальных условиях эксплуатации. Цель состоит в том, чтобы преодолеть разрыв между академическими концепциями и промышленными решениями для крупномасштабного хранения энергии».