Австралийский стартап MGA Thermal завершил производство демонстрационной теплоаккумулирующей установки ёмкостью 5 МВт·ч. Уникальное для отрасли решение позволяет не просто запасать энергию солнца и ветра в тепловом аккумуляторе — оно открывает путь к повсеместной замене парогенерирующих мощностей на ископаемом топливе в промышленности и системах центрального отопления.

Источник изображения: MGA Thermal

Проект MGA Thermal частично финансируется Австралийским агентством по возобновляемым источникам энергии (ARENA). Средства в объёме $1,27 млн были получены компанией в августе 2022 года. Всего на создание пилотной установки в штаб-квартире компании в Томаго требовалось собрать $2,85 млн. На днях MGA Thermal сообщила об успешном запуске опытной установки мощностью 500 кВт, доказав практическую осуществимость концепции.

Экспериментальный тепловой аккумулятор состоит из 3700 «кирпичей» — чуть больше строительных по размеру. Каждый из них представляет собой своего рода графитовый каркас, в который помещён легкоплавкий металл. В процессе нагрева «кирпичей» электричеством от возобновляемых источников металл в каркасе плавится и остаётся жидким до остывания.

Поскольку на переход вещества из одного агрегатного состояния в другое затрачивается больше всего энергии, это даёт возможность запасать её в большем объёме и, следовательно, дольше и эффективнее отдавать при затвердевании металла. По оценкам компании, таким образом можно хранить на 200–300 % больше энергии, чем в случае альтернативных тепловых аккумуляторов. Пилотная система способна отдавать пар в течение 24 часов после полного нагрева со стабильной мощностью 500 кВт.

Созданная MGA Thermal установка рассчитана на отдачу энергии в виде перегретого водяного пара температурой от 150 до 550 °C. Это необходимо для многих промышленных процессов, а также для центрального отопления жилых зданий. Наконец, пар можно направить на обычные паровые турбины для выработки электроэнергии. Установка способна одновременно заряжаться и разряжаться, генерируя пар, что также делает её отличной от аналогичных решений в отрасли.

Генеральный директор MGA Thermal Марк Краудейс (Mark Croudace) заявил, что представленная технология предлагает масштабируемое средство преобразования нестабильной возобновляемой генерации в «высоконадёжные и универсальные» источники технологического тепла и электроэнергии для промышленности.

«Это недостающий элемент головоломки для декарбонизации тяжёлой промышленности, — сказал он. — Мы решили проблему непрерывной подачи пара из непостоянных возобновляемых источников, что делает её технически и коммерчески привлекательной».

Предложенное компанией решение занимает в 24 раза меньше земли по сравнению с другими тепловыми аккумулирующими системами и характеризуется модульным подходом. Систему легко масштабировать хоть до 1 ГВт, уверяют в компании, и заявляют о готовности сотрудничать с любыми заказчиками.

Финская компания Polar Night Energy сообщила о договорённости построить в стране второй тепловой аккумулятор на песке. Это всё ещё будет экспериментальная установка, на базе которой будут испытаны новые решения, включая работу при более высокой температуре накопителя энергии.

Источник изображений: Polar Night Energy

Сейчас в Порнайнене (Pornainen) на юге Финляндии завершается этап проверки работы в зимних условиях первой установки Polar Night Energy пиковой мощностью 1 МВт и ёмкостью 100 МВт·ч. Установка преобразует электричество от солнечных и ветряных электростанций в тепло и запасает его в толще песка. Ёмкость с песком диаметром 15 м и высотой 13 м содержит 2000 т песка.

Впрочем, песок использовался только в пилотной установке мощностью 100 кВт, построенной компанией в 2022 году. В тепловом аккумуляторе в Порнайнене в качестве накопителя тепла применялся так называемый мыльный камень (талькохлорит) — отходы местного производства облицовочного материала для печей, саун и каминов. Он обладает более высокой теплоёмкостью и, следовательно, лучше выполняет функцию накопителя тепла.

Второй масштабный тепловой аккумулятор на песке компания Polar Night Energy договорилась построить в Валкеакоски (Valkeakoski), тоже на юге Финляндии, в сотрудничестве с городской энергетической компанией Valkeakosken Energia. Строительство должно начаться осенью 2025 года и завершиться примерно через год. На новой площадке разработчик планирует применить ряд нововведений, включая поддержку более высокой температуры накопителя тепла для повышения эффективности всей системы. Отработка деталей улучшенной технологии позволит компании выйти на создание установок коммунального масштаба.

В конце октября финский стартап Polar Night Energy завершил наполнение ёмкости теплового аккумулятора 2000 тонн измельчённого мыльного камня. Аккумулятор будет хранить до 100 МВт·ч тепловой энергии с пиковой отдачей мощности 1 МВт. Этой ёмкости хватит на отопление небольшого городка неделю зимой и на месяц нагрева воды летом. Ввод в эксплуатацию состоится в 2025 году. Испытания начнутся через месяц или чуть позже.

Источник изображений: Polar Night Energy

О начале строительства масштабного накопителя тепла от избыточной выработки энергии солнечными и ветряными установками в регионе было сообщено в начале 2024 года. Ранее компания Polar Night Energy на примере пилотной установки мощностью 100 кВт и ёмкостью 8 МВт·ч показала, что идея хранить тепло в нагретом песке для последующего использования вполне рабочая и достаточно эффективная.

Для реализации масштабного проекта был заключён договор с общиной Порнайнен на юге Финляндии. Проект предусматривал наполнение бункера теплового аккумулятора диаметром 15 м и высотой 13 м 2000 тоннами песка. Точнее, песок использовался в пилотном проекте. Для масштабного проекта был выбран более теплоёмкий материал и по совместительству отходы производства одной из местных компаний — талькохлорит, который ещё называют мыльным камнем. Этот материал используется компанией Tulikivi для облицовки каминов и печей для саун. Использование для теплоаккумулятора отходов производства — это высший пилотаж в сфере безотходной экономики, и финны оказались в этом вопросе на высоте.

Поскольку основная часть работы завершена и остался только монтаж внешних узлов, работы вскоре перейдут в область проверки накопителя в условиях зимней эксплуатации. Ожидается, что полностью заряженный тепловой аккумулятор сможет неделю снабжать теплом дома граждан округа Lämpö. Накопитель будет подключёна к системе централизованного отопления и сможет обогревать до 5 тысяч граждан. Сдача объекта в эксплуатацию ожидается позже в 2025 году по результатам испытаний.

Группа учёных Стэнфордского университета опубликовала работу, в которой дала прогноз по темпам роста в США тепловой аккумуляции в огнеупорных кирпичах. К 2050 году специалисты ожидают полный переход теплоёмких производств в США на возобновляемые источники энергии. Кирпичи станут недорогой альтернативой химическим аккумуляторам, накапливая и отдавая около 14 % энергии для теплоёмких производств.

Источник изображений: Rondo Energy

Огнеупорные кирпичи изготавливаются из обычных материалов, поэтому стоимость системы хранения тепла из огнеупорного кирпича будет более чем в десять раз дешевле, чем создание эквивалентной системы хранения энергии на обычных электрических аккумуляторах. В зависимости от используемого материала, кирпичи можно будет нагревать прямым способом, если они будут токопроводными, например, с графитом, или внешним нагревательным элементом, если кирпичи не будут пропускать через себя ток.

Тепловые аккумуляторы из кирпичей рассматриваются действующими властями США как проекты с высокой степенью повторяемости, что чрезвычайно удобно при массовом создании установок. В частности, Министерство энергетики США в настоящее время обсуждает вопрос субсидии в размере $75 млн компании Diageo North America, если она согласиться разместить на своих мощностях две теплоаккумулирующие установки на кирпичах производства компании Rondo Energy. Последняя поддержана фондом Билла Гейтса, и строит в Тайланде мегазавод по производству теплоаккумулирующих кирпичей, а производству нужен сбыт.

Согласно выводам учёных из Стэнфорда, в США возобновляемые источники энергии могут обеспечить теплом до 90 % энергоёмких промышленных процессов. Чтобы удовлетворить этот спрос, системы накопления энергии из кирпичей должны достичь ёмкости 2,6 ТВт·ч с пиковой отдачей 170 ГВт. Это позволит сократить вредные выбросы промышленности США на 9,6 %. В случае обеспечения кирпичами мирового теплоёмкого производства с использованием исключительно возобновляемой энергии, необходимо будет аккумулировать и выдавать в нагрузку 2,1 ТВт тепловой мощности.

В обозначенных масштабах системы накопления тепла из огнеупорного кирпича не только заменят 14 % ёмкости аккумуляторов, но и сократят годовое производство водорода для электрогенерации примерно на 31 % и мощности подземных хранилищ тепла примерно на 27 %.

Что касается себестоимости хранения тепловой энергии в кирпичах, то аналитики заявляют, что она будет, как минимум, в десять раз дешевле стоимости хранения энергии в аккумуляторах. Так, по некоторым оценкам в 2035 году стоимость хранения энергии в электрических аккумуляторах составит $60 за каждый кВт·ч. Это даёт стоимость энергии на уровне $6 за 1 кВт·ч в случае её хранения в огнеупорных кирпичах. А с учётом быстрого удешевления химических аккумуляторов остаётся вероятность, что суммы будут ещё меньше.

Солнечные панели уже вырабатывают большой объём энергии, но революция произойдёт после того, как человечество начнёт преобразование тепла в электричество. Тепло от Солнца, от энергоёмких промышленных процессов, от ЦОД и неисчислимого количества источников пока невозможно эффективно превращать в электричество. Слишком высокой должна быть температура, чтобы мизерный КПД современных термоэлектрических элементов принёс хоть какую-то ощутимую пользу. Но надежда есть.

Источник изображений: Brenda Ahearn, Michigan Engineering

Учёные из Университета Мичигана около десяти лет совершенствуют придуманную ими термоэлектрическую ячейку на основе комбинации тонкослойных полупроводниковых материалов из арсенида индия-галлия (InGaAs). Особенностью термоэлектрического элемента команды из США можно считать комбинацию полупроводника с воздушным зазором и отражательным элементом из золота.

Перед учёными стоит задача улавливать как можно больше фотонов с инфракрасными длинами волн. Строго подобранный воздушный зазор с зеркальной подложкой позволяет возвращать фотоны, которые не поглотились полупроводником, обратно в тепловой аккумулятор. Это даёт им шанс снова попытаться быть поглощёнными, если их энергия достигнет необходимого значения. Тем самым КПД ячейки удалось повысить с предыдущего значения 37 % до 44 %, а со временем это позволит добиться ещё большей эффективности — на уровне 50 %.

Также важно отметить, что заявленный КПД получен при гораздо меньшем уровне нагрева источника тепла. Если до этого КПД до 40 % удавалось показывать при нагреве графита до 2000 °C или около того, то в новой работе КПД на уровне 44 % получен при нагреве графита до 1435 °C. Исследователи утверждают, что это позволило им в два раза повысить выход электрической энергии с каждого килограмма графита. Технология пока далека от масштабов выработки киловатт и более энергии, но понижение температуры рабочего тела (аккумулятора) с одновременным увеличением эффективности термоэлемента — это шаг в правильном направлении.

Финский стартап Polar Night Energy объединился с местной компанией централизованного теплоснабжения для строительства на юге Финляндии системы хранения тепловой энергии промышленного масштаба. В системе на основе песка в качестве накопителя будет использоваться мыльный камень — побочный продукт производителя каминов и печей отопления.

Демонстратор мощностью 100 кВт ёмкостью 8 МВт·ч. Источник изображения: Polar Night Energy

Ранее компания Polar Night Energy уже создала и запустила подобную тепловую установку мощностью 100 кВт и ёмкостью 8 МВт·ч тепловой энергии, так что опыт у неё есть и рабочие технологии тоже. Прошлый демонстратор представлял собой вертикальное хранилище тепла высотой 7 м и диаметром 4 м на основе обычного, только очищенного от грязи песка. Новая установка будет высотой 13 м и шириной 15 м. На пике она будет отдавать 1 МВт тепловой мощности и хранить до 100 МВт·ч тепловой энергии.

Есть и другие отличия по проектам. Демонстратор накапливал излишки тепловой энергии из системы отопления и от работы серверов. Теплообменник был погружён в песок в центре ёмкости, и других источников тепла не было. В новом проекте теплоёмкий накопитель будет нагреваться излишками электроэнергии от солнечной или ветровой электростанции. Запасённой тепловой энергии должно хватить на нужды общины Порнайнен на юге Финляндии на месяц летом и на неделю зимой, обслуживая, тем самым, около 5 тыс. человек населения.

Вместо песка решено использовать чуть более теплоёмкое решение — измельчённые отходы местного производителя облицовки из такого теплоёмкого материала, как талькохлорит или мыльный камень. На реализацию проекта отводится 13 месяцев. Переход на «песчаное отопление» позволит на 70 % снизить выбросы парниковых газов в общине, связанных с отоплением.