В ключевых регионах были запущены правительственные инициативы по ускорению развития технологий промышленной декарбонизации, таких как улавливание и хранение углерода (CCUS), тепловые насосы и системы аккумулирования тепловой энергии (TES), а также других технологий прямой электрификации. В своем новом отчете о рынке «Аккумуляторы тепловой энергии 2024-2034: технологии, игроки, рынки и прогнозы» компания IDTechEx прогнозирует, что к 2034 году в отрасли будет установлено более 40 ГВт·ч мощностей по аккумулированию тепловой энергии.

Формирующийся рынок систем хранения тепловой энергии

Технологии теплообменников (ТЭ) широко применяются в различных областях и на рынках, например, в сочетании с электростанциями, использующими концентрированную солнечную энергию (CSP), централизованным теплоснабжением, холодильными цепями и отоплением зданий. Их проникновение в промышленный сектор значительно ниже: только 1% от общей мощности ТЭ приходится на системы, установленные в промышленных условиях. Поскольку правительства стремятся сократить промышленные выбросы для достижения более широких целей по нулевым выбросам, ожидается увеличение доли глобальной мощности ТЭ, представленной промышленными установками. Учитывая большое разнообразие промышленных процессов отопления, важно изучить различные технологии ТЭ, разрабатываемые ключевыми игроками, и то, как конструкция систем и уровень коммерциализации повлияют на их внедрение в промышленность.

Основные игроки и технологии в области промышленного аккумулирования тепловой энергии

Большинство промышленных игроков в секторе аккумулирования тепловой энергии расположены в Европе, США и Австралии. Как показано в отчете IDTechEx о рынке, эти игроки разрабатывают и коммерциализируют системы аккумулирования тепловой энергии как с использованием явной, так и скрытой теплоты для промышленного применения, и большинство из них уже запустили пилотные или коммерческие демонстрационные проекты.

Карта мира с указанием штаб-квартир основных игроков в сфере аккумулирования тепловой энергии. Источник: IDTechEx

В системах аккумулирования тепловой энергии с использованием явной теплоты теплоаккумулирующее вещество, такое как расплавленная соль, бетон или огнеупорный кирпич, нагревается до более высокой температуры, аккумулирует это тепло до тех пор, пока оно не понадобится, и передает его в промышленный процесс при разрядке. Тепло может передаваться теплоносителю, такому как вода, воздух или термомасло. В системах с использованием скрытой теплоты фазоизменяющийся материал (PCM), такой как металлический сплав или кремний, нагревается при постоянной температуре для изменения его фазового состояния из твердого в жидкое.

Аккумулирование тепловой энергии за счет скрытой теплоты

Системы, использующие скрытую теплоту, могут обеспечить более высокую плотность аккумулирования энергии, чем системы, использующие явную теплоту, поскольку для изменения фазового состояния материала из твердого в жидкое требуется большое количество тепла. Это может быть полезно в промышленности, где существующие производственные помещения могут быть уже ограничены по площади. Еще одним преимуществом систем, использующих скрытую теплоту, является их способность обеспечивать тепло при постоянной температуре, поскольку они могут работать в изотермических условиях. Это важно для промышленных процессов, требующих подачи тепла при постоянных рабочих параметрах, таких как температура, давление и/или расход.

Однако, герметичность фазоизменяющихся материалов и изменение их свойств в течение длительных циклов являются факторами, требующими дальнейшего развития, если системы с использованием скрытой теплоты должны иметь более длительный срок службы или требовать меньшего количества замен материалов на протяжении всего срока службы системы. Кроме того, количество ключевых игроков, разрабатывающих системы с использованием скрытой теплоты, меньше, чем количество компаний, разрабатывающих системы с использованием явной теплоты. Одним из примеров является австралийская компания 1414 Degrees, которая разрабатывает технологию хранения скрытой теплоты на основе кремния (TES). Вероятно, в среднесрочной перспективе эти факторы приведут к сокращению коммерческого внедрения систем хранения скрытой теплоты.

Аккумулирование тепловой энергии за счет явной теплоты

Технологии аккумулирования тепловой энергии с использованием расплавленных солей (TES) широко применяются в схемах теплопередачи (HTC), что, вероятно, способствовало их коммерческому внедрению в промышленность раньше, чем другие технологии TES. Однако при разрядке температура теплоаккумулирующего материала, используемого в системах с явной теплотой, снижается, что без дополнительной доработки системы привело бы к колебаниям температуры, подаваемой в промышленный процесс, — ситуация, которая была бы непрактичной или, по крайней мере, нежелательной.

Системы на расплавленных солях, такие как разработанные норвежской компанией Kyoto Group, могут решить эту проблему за счет использования непрерывных циркуляционных контуров, которые поддерживают температуру соли в рабочем диапазоне, непрерывно подавая тепло постоянной температуры в промышленный процесс. Одним из главных недостатков теплообменников на расплавленных солях является то, что эти системы не могут аккумулировать тепло при температурах выше 600 °C из-за разложения соли. Это ограничивает применение данной технологии, хотя она по-прежнему будет востребована в низко- и среднетемпературных промышленных процессах, таких как сушка и нагрев технологических жидкостей.

Твердотельные системы теплопередачи используют такие материалы, как бетон и огнеупорный кирпич, и разрабатываются ведущими компаниями, такими как EnergyNest и Rondo Energy. В твердотельной системе, подающей горячий воздух в технологический процесс, его можно смешивать с окружающим или более холодным потоком воздуха в момент выхода, при этом пропорции будут меняться со временем, так что воздух будет подаваться в процесс при постоянной температуре. Однако это увеличит сложность и стоимость системы. Что еще более важно, твердотельные системы могут передавать тепло при температурах, превышающих 1000 °C, что будет иметь решающее значение для декарбонизации некоторых процессов производства стекла, металла и цемента.

Перспективы развития технологий аккумулирования тепловой энергии

Многие разрабатываемые технологии теплоаккумуляции на основе твердотельных материалов по-прежнему испытывают трудности с обеспечением тепла при температурах выше 1300 °C из-за ограничений механической и термической стабильности материалов. Для обеспечения тепла при постоянных температурах может потребоваться смешивание более холодных жидкостей с более горячими жидкостями, которые покидают систему в момент разряда. Поэтому для декарбонизации некоторых высокотемпературных промышленных систем отопления, включая определенные процессы термообработки и выплавки металлов, потребуется разработка новых материалов или изменение существующих составов. Одна из ключевых компаний, американская Electrified Thermal Solutions, разрабатывает технологию теплоаккумуляции, использующую электропроводящие керамические кирпичи. Химический состав этих кирпичей был изменен таким образом, чтобы они могли поглощать электричество в качестве источника энергии и функционировать как нагревательный элемент, накапливая тепло, выделяемое электричеством. С помощью этих кирпичей можно было бы построить печь для обеспечения лучистого тепла непосредственно в процессе, потенциально до 1800 °C. Это позволило бы декарбонизировать атмосферу. Это позволило бы декарбонизировать некоторые из наиболее экстремальных промышленных процессов нагрева, которые происходят в металлургической и стекольной промышленности.

Кроме того, в будущем на рынок могут выйти технологии термохимического аккумулирования энергии (ТХЭ). Эти технологии могут использовать сорбцию (адсорбцию или абсорбцию) между двумя материалами или химические реакции для хранения энергии в виде химического потенциала. Такие системы обладают более высокой теоретической плотностью энергии и меньшими потерями тепла с течением времени, чем системы, использующие скрытую и явную теплоту. Это может сделать их пригодными для будущих бытовых и сезонных применений в системах хранения энергии. Было создано несколько прототипов ТХЭ, хотя большое количество комбинаций материалов, которые гипотетически могут быть использованы в этих системах, может стать препятствием для коммерческого развития любой технологии ТХЭ. Для вывода этих технологий на рынок необходимы доработка, повышение осведомленности и финансирование.

Аккумуляторы тепловой энергии LCR для промышленного применения. Источник: IDTechEx

В следующем десятилетии, как показывает рыночный отчет IDTechEx, ожидается, что системы теплоаккумуляции с использованием явной теплоты будут доминировать на рынке промышленных систем теплоаккумуляции. Использование доступных и недорогих материалов в сочетании с их способностью обеспечивать температуру выше 1000 °C в случае твердотельных систем делает их подходящими технологиями для широкого спектра применений в промышленном отоплении. Ожидается дальнейшее развитие технологий теплоаккумуляции с использованием скрытой теплоты и систем теплоаккумуляции с использованием явной теплоты для декарбонизации промышленного отопления, хотя более широкие рынки и области применения также могут выиграть от использования этих систем, которые предлагают более высокую плотность энергии.

Автор: Конрад Николс, старший технологический аналитик компании IDTechEx