Это приводит к значительным потерям электроэнергии. В такой ситуации может показаться логичным использовать избыток возобновляемой электроэнергии для производства тепла и электроэнергии по мере необходимости. Однако мы сталкиваемся с технологической проблемой: нам не хватает системы, способной экономически эффективно хранить и производить эту энергию по требованию.
 
Исследователи из Института солнечной энергии Политехнического университета Мадрида (IES-UPM) нашли возможное решение: систему, которая могла бы очень экономично хранить большие объемы возобновляемой электроэнергии в течение длительных периодов времени и обеспечивать теплом и электроэнергией по требованию.
 
Система, описанная в недавней статье, опубликованной в журнале Joule, использует избыток электроэнергии, вырабатываемой из непостоянных возобновляемых источников, таких как солнечная или ветровая энергия, для плавления недорогих металлов, таких как кремний или ферросилицийные сплавы, при температурах, превышающих 1000 °C. Кремниевые сплавы могут накапливать большое количество энергии в процессе плавления. Этот тип энергии называется «скрытой теплотой». Например, один литр кремния запасает более 1 кВт·ч энергии в виде скрытой теплоты, что в точности соответствует количеству энергии, содержащейся в одном литре водорода, сжатого до 500 бар. Однако, в отличие от водорода, кремний можно хранить при атмосферном давлении, что делает систему потенциально более экономичной и безопасной.
 
Ключевой аспект системы касается преобразования запасенного тепла в электричество. Когда кремний плавится при температуре более 1000 °C, он светится, как солнце. Поэтому возможно преобразовать излучаемое тепло обратно в электричество с помощью фотоэлектрических элементов. Так называемые термофотоэлектрические генераторы представляют собой миниатюрные фотоэлектрические установки, которые могут производить в 100 раз больше энергии, чем обычная солнечная электростанция. Другими словами, если один квадратный метр солнечной панели производит 200 Вт, то один квадратный метр термофотоэлектрической панели производит 20 кВт. И при этом не только выходная мощность, но и эффективность преобразования выше. Эффективность термофотоэлектрических элементов составляет от 30% до 40% в зависимости от температуры источника тепла. Для сравнения, эффективность коммерческих фотоэлектрических солнечных панелей колеблется от 15% до 20%. Использование термофотоэлектрических генераторов вместо традиционных тепловых двигателей (таких как циклы Стирлинга, Брайтона или Ранкина) позволяет избежать использования движущихся частей, жидкостей или сложных теплообменников. Это делает всю систему экономичной, компактной и бесшумной.
 
Согласно исследованию, фотоэлектрические батареи, использующие скрытую теплоту, могут хранить большие объемы избыточной возобновляемой электроэнергии. «Большая часть этой электроэнергии будет производиться, когда нет спроса, поэтому она будет продаваться очень дешево на рынке электроэнергии», — говорит Алехандро Датас, исследователь из IES-UPM, руководитель проекта. «Поэтому крайне важно хранить эту электроэнергию в очень недорогой системе, поскольку хранить столь дешевую энергию в очень дорогом контейнере не имеет смысла. Именно поэтому хранение избыточной электроэнергии в виде тепла имеет смысл, поскольку это один из самых дешевых способов хранения энергии», — продолжает исследователь. В частности, кремний и ферросилицийсодержащие сплавы могут хранить энергию по цене менее 4 евро за кВт·ч, что в 100 раз дешевле, чем существующие стационарные литий-ионные батареи. Общая стоимость будет выше после учета контейнера и теплоизоляции. Но, согласно исследованию, можно достичь стоимости около 10 евро за кВт·ч, если система достаточно большая, как правило, более 10 МВт·ч, поскольку стоимость теплоизоляции составит лишь небольшую часть общей стоимости системы.
 
Тот факт, что лишь часть накопленного тепла преобразуется обратно в электричество, не обязательно является проблемой. Если система будет достаточно недорогой, то возможность рекуперации всего 30-40% энергии в виде электроэнергии сделает её предпочтительнее других, более дорогих технологий, таких как литий-ионные батареи. Кроме того, оставшиеся 60-70% тепла, не преобразованного в электроэнергию, могут быть направлены непосредственно в здания, заводы или города, снижая потребление природного газа. На тепло приходится более 50% мирового спроса на энергию и 40% мировых выбросов CO2. Поэтому хранение энергии ветра или солнечной фотоэлектрической энергии в батареях с накопительной теплопроводностью (LHS) позволит не только существенно сэкономить средства, но и удовлетворить часть этого большого спроса на тепло за счёт возобновляемых источников. Таким образом, «разработка таких систем может стать ключом к снижению нашей зависимости от ископаемого топлива не только в электроэнергетическом секторе, но и в секторе отопления», — заключает Датас.
 
Первый лабораторный прототип системы, изготовленный в рамках европейского проекта (AMADEUS), теперь доступен в IES-UPM, и первые экспериментальные результаты опубликованы в исследовании. Это кульминация более чем 10-летних исследований в IES-UPM. Однако для выхода на рынок технология все еще требует значительных инвестиций. Например, текущий лабораторный прототип имеет емкость хранения менее 1 кВт⋅ч, но для экономической эффективности этой технологии необходима емкость хранения энергии более 10 МВт⋅ч. Поэтому следующая задача — масштабирование технологии и проверка ее жизнеспособности в больших масштабах. С этой целью исследователи в IES-UPM уже формируют команду, которая сделает это возможным.

Более подробная информация