Может ли емкость со льдом или горячей водой быть батареей? Да! Если аккумулятор — это устройство для хранения энергии, то хранение горячей или холодной воды для питания системы отопления или кондиционирования здания — это другой тип хранения энергии. Эта технология, известная как накопление тепловой энергии, существует уже давно, но ее часто упускают из виду. Теперь ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) предпринимают усилия, чтобы вывести хранение тепловой энергии на новый уровень.
Чтобы преодолеть некоторые ограничения традиционного хранения тепловой энергии на водной основе , ученые Лаборатории Беркли рассматривают возможность разработки материалов и систем следующего поколения, которые будут использоваться в качестве нагревающей или охлаждающей среды. Они также создают основу для анализа и сравнения экономии затрат. В серии статей, опубликованных в этом году, исследователи лаборатории Беркли сообщили о важных достижениях в каждой из этих областей.
«Очень сложно декарбонизировать здания, особенно для отопления», — рассказывает Рави Прашер, заместитель директора лаборатории по энергетическим технологиям Berkeley Lab. «Но если вы храните энергию в форме конечного использования, то есть тепла, а не в форме энергоснабжения, то есть электричества, экономия затрат может быть очень значительной. А теперь, благодаря разработанной нами структуре, мы сможем сопоставить затраты на накопление тепловой энергии и накопление электроэнергии, например, с литиевыми батареями , что до сих пор было невозможно».
В Соединенных Штатах на здания приходится 40% общего потребления энергии. Из них почти половина приходится на тепловые нагрузки, которые включают отопление и охлаждение помещений, а также нагрев воды и охлаждение. Другими словами, пятая часть всей производимой энергии направляется на тепловые нагрузки в зданиях. Ожидается, что к 2050 году спрос на электрическую сеть резко возрастет, поскольку природный газ будет постепенно сокращен, а отопление все больше будет опираться на электроэнергию.
Жизнеспособная и экономичная альтернатива батареям
По мере того, как наше общество продолжает электрифицироваться, потребность в батареях для хранения энергии, согласно прогнозам, будет огромной и достигнет примерно 2-10 тераватт-часов (ТВтч) годового производства батарей к 2030 году с менее чем 0,5 ТВтч сегодня. Поскольку в обозримом будущем литий-ионная батарея будет доминирующей технологией хранения, ключевым ограничением станет доступность сырья , в том числе лития, кобальта и никеля, основных ингредиентов современных литиевых аккумуляторов. Хотя лаборатория Беркли активно работает над устранением этого ограничения, также необходимы альтернативные формы хранения энергии.
«Литиевые батареи сейчас сталкиваются с огромным проблемами с точки зрения поставок сырья», — сказал Прашер. «Мы считаем, что хранение тепловой энергии может быть жизнеспособной, устойчивой и рентабельной альтернативой другим формам хранения энергии».
Накопители тепловой энергии могут быть развернуты в различных масштабах, в том числе в отдельных зданиях — например, в вашем доме, офисе или на производстве — на районном или региональном уровне. В то время как наиболее распространенный вид тепловой энергии использует большие резервуары с горячей или холодной водой, существуют и другие типы так называемого накопления явного тепла, такие как использование песка или камней для хранения тепловой энергии. Однако эти подходы требуют большого пространства, что ограничивает их пригодность для жилых помещений.
От жидкого к твердому и обратно
Чтобы обойти это ограничение, ученые разработали высокотехнологичные материалы для хранения тепловой энергии. Например, материалы с фазовым переходом поглощают и выделяют энергию при переходе между фазами — из жидкого состояния в твердое и обратно.
У материалов с фазовым переходом есть ряд потенциальных применений, в том числе управление температурным режимом аккумуляторов (чтобы они не становились слишком горячими или слишком холодными), современные текстильные изделия (подумайте об одежде, которая автоматически согревает или охлаждает, обеспечивая тем самым тепловой комфорт при одновременном снижении температуры). потребление энергии в здании) и сухое охлаждение электростанций (для экономии воды).
В зданиях материалы с фазовым переходом могут быть интегрированы в стены, действуя как тепловая батарея для здания. Когда температура окружающей среды поднимается выше точки плавления материала, материал меняет фазу и поглощает тепло, охлаждая здание. И наоборот, когда температура падает ниже точки плавления, материал меняет фазу и выделяет тепло.
Однако одна проблема с материалами с фазовым переходом заключается в том, что они обычно работают только в одном температурном диапазоне. Это означает, что для лета и зимы потребуются два разных материала, что увеличивает стоимость. Лаборатория Беркли поставила перед собой задачу преодолеть эту проблему и добиться так называемой «динамической настройки» температуры перехода.
В исследовании, недавно опубликованном в Cell Reports Physical Science , ученые первыми достигли динамической настройки материала с фазовым переходом. В их революционном методе используются ионы и уникальный материал с фазовым переходом, который объединяет накопление тепловой энергии с накоплением электрической энергии, поэтому он может хранить и поставлять как тепло, так и электричество.
«Эта новая технология действительно уникальна, поскольку она объединяет тепловую и электрическую энергию в одном устройстве», — сказал руководитель группы Applied Energy Materials Гао Лю, соавтор исследования. «Устройство функционирует как тепловая и электрическая батарея. Более того, эта способность увеличивает потенциал аккумулирования тепла из-за возможности настраивать точку плавления материала в зависимости от различных температур окружающей среды. Это значительно увеличит использование материалов с фазовым переходом. »
Каур, также соавтор статьи, добавил: «В целом это помогает снизить стоимость хранения, потому что теперь один и тот же материал можно использовать круглый год, а не полгода».
В крупномасштабном строительстве эта объединенная способность аккумулирования тепловой и электрической энергии позволит материалу накапливать избыточную электроэнергию, произведенную на месте солнечными или ветровыми операциями, для удовлетворения как тепловых (нагрев и охлаждение), так и электрических потребностей.
Развитие фундаментальной науки о материалах с фазовым переходом
В другом исследовании лаборатории Беркли, проведенном ранее в этом году, была рассмотрена проблема переохлаждения, которое является сверхнизким для некоторых материалов с фазовым переходом, поскольку оно делает материал непредсказуемым — материал не может каждый раз менять фазу при одной и той же температуре. Под руководством ассистента аспиранта лаборатории Беркли и доктора философии Калифорнийского университета в Беркли. Студент Дрю Лилли, исследование, опубликованное в журнале Applied Energy , было первым, продемонстрировавшим методологию количественного прогнозирования характеристик переохлаждения материала.
Третье исследование лаборатории Беркли, опубликованное в журнале Applied Physics Letters в этом году, описывает способ развития понимания фазового перехода на атомном и молекулярном уровне, что имеет решающее значение для разработки новых материалов с фазовым переходом.
«До сих пор большинство фундаментальных исследований, связанных с физикой фазового перехода, носили вычислительный характер, но мы разработали простую методологию для прогнозирования плотности энергии материалов с фазовым переходом», — сказал Прашер. «Эти исследования являются важными шагами, открывающими путь к более широкому использованию материалов с фазовым переходом».
Яблоки и яблоки
Четвертое исследование, только что опубликованное в журнале Energy & Environmental Science , позволит проводить прямое сравнение затрат между батареями и накоплением тепловой энергии, что до сих пор было невозможно.
«Это действительно хорошая основа для сравнения — яблока с яблоками — аккумуляторы и теплоаккумуляторы», — сказал Каур. «Если кто-то приходил ко мне и спрашивал:« Следует ли мне установить Powerwall (система литиевых батарей Tesla для хранения солнечной энергии) или накопитель тепловой энергии », то сравнивать их было бы невозможно. Мы даем людям возможность понять стоимость хранения за годы «.
Например, тепловые системы имеют более низкие капитальные затраты на установку, а срок службы тепловых систем обычно составляет от 15 до 20 лет, тогда как батареи обычно необходимо заменять через восемь лет.
Инструмент моделирования для развертывания аккумуляторов тепловой энергии в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в зданиях
Наконец, исследование с участием исследователей из Калифорнийского университета в Дэвисе и Калифорнийском университете в Беркли, опубликованное в журнале » Энергия», продемонстрировало технико-экономическую осуществимость развертывания систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха с накоплением тепловой энергии на основе материалов с фазовым переходом.
Сначала команда разработала имитационные модели и инструменты, необходимые для оценки экономии энергии, снижения пиковой нагрузки и стоимости такой системы. Инструмент, который будет доступен для общественности, позволит исследователям и строителям сравнить экономику систем отопления, вентиляции и кондиционирования с накоплением тепловой энергии с полностью электрическими системами отопления, вентиляции и кондиционирования с электрохимическим накоплением и без них.
«Эти инструменты предлагают беспрецедентную возможность изучить экономику реальных систем отопления, вентиляции и кондиционирования с накоплением тепловой энергии», — сказал руководитель проекта Berkeley Lab Спенсер Даттон. «Интеграция аккумуляторов тепловой энергии позволяет нам значительно снизить мощность и, следовательно, стоимость теплового насоса, что является значительным фактором снижения затрат в течение жизненного цикла».
Затем команда продолжила разработку «готового к эксплуатации» прототипа системы HVAC для небольших коммерческих зданий, в котором использовались как холодные, так и горячие тепловые батареи на основе материалов с фазовым переходом .
Наконец, команда развертывает полевую демонстрацию в масштабе жилых домов, уделяя особое внимание электрификации домов и изменению нагрузки на отопление и горячую воду.
«Если вы думаете о том, как энергия потребляется во всем мире, люди думают, что она потребляется в форме электричества, но на самом деле она потребляется в основном в виде тепла», — сказал Ноэль Бахтиан, исполнительный директор Центра хранения энергии Berkeley Lab. «Если вы хотите декарбонизировать мир, вам необходимо декарбонизировать здания и промышленность. Это означает, что вам необходимо декарбонизировать тепло. Хранение тепловой энергии может сыграть здесь значительную роль».
Исследование было поддержано Управлением технологий строительства Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики.
Дополнительная информация:
Адевале Одукомайя и др., Удовлетворение потребностей в хранении энергии с меньшими затратами за счет местного хранения тепловой энергии в зданиях, Энергетика и экология (2021 г.). DOI: 10.1039 / d1ee01992a
Джонатан Лау и др., Динамическая настройка температур перехода материала с фазовым переходом с использованием ионов для хранения тепловой энергии, Cell Reports Physical Science (2021). DOI: 10.1016 / j.xcrp.2021.100613
Дрю Лилли и др., Влияние размера и температурного градиента на переохлаждение материалов с фазовым переходом для хранения тепловой энергии, Applied Energy (2021). DOI: 10.1016 / j.apenergy.2021.116635
Дрю Лилли и др., Простая модель энтропии плавления одноатомных жидкостей, Applied Physics Letters (2021). DOI: 10.1063 / 5.0041604
Дре Хелмнс и др., Разработка и проверка модели скрытого накопления тепловой энергии с использованием Modelica, Energies (2021 г.). DOI: 10.3390 / en14010194
Фото: Лаборатория Беркли
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК