La Alianza Europea de Investigación Energética publicó un libro blanco sobre investigación y desarrollo de tecnología de almacenamiento de calor industrial

Recientemente, el Programa Conjunto de Investigación sobre Eficiencia Energética de Procesos Industriales (JP EEIP) de la Alianza Europea de Investigación Energética (EERA) publicó el libro blanco "Almacenamiento de calor industrial: apoyo la transformación a la industria descarbonizada", que presenta el estado actual, los desafíos y las sugerencias de investigación y desarrollo de la tecnología de almacenamiento de calor industrial. Los puntos principales son los siguientes:

1. Aplicaciones potenciales del almacenamiento de calor en la industria

1. Calentamiento o refrigeración de procesos industriales

Dependiendo de las condiciones climáticas, los sistemas industriales de calefacción solar se pueden combinar con sistemas de almacenamiento de calor. Las aplicaciones prometedoras incluyen: ① Para la demanda de calor del proceso a alta temperatura (400 °C), se puede usar calefacción eléctrica combinada con almacenamiento de calor sólido poroso; ② Para agua caliente a temperatura media y demanda de vapor de proceso (hasta 200 °C), existen múltiples opciones, incluida la combinación de bombas de calor industriales y almacenamiento de calor, y la combinación de sistemas de calefacción solar y almacenamiento de calor; ③Para almacenamiento en frío industrial (menos de 6 °C), sistemas de refrigeración (como enfriadores de aire o acondicionadores de aire), calor sensible o sistemas de almacenamiento de calor de material de cambio de fase se pueden proporcionar energía de baja temperatura para satisfacer los picos de demanda de frío al comienzo de un nuevo ciclo de refrigeración y utilizar electricidad renovable de bajo costo.

2. Aprovechamiento del calor residual industrial

Las aplicaciones prometedoras incluyen: ① Almacenamiento de calor a corto plazo, donde el calor residual del procesamiento por lotes se utiliza para precalentar el siguiente lote para reducir el consumo de energía y mejorar la eficiencia energética, y la tecnología de almacenamiento de calor utilizada depende del calor residual disponible (por ejemplo, procesos exotérmicos en la industria química que requieren una temperatura inicial suficiente, como la polimerización o la alcoxilación), el almacenamiento de calor a corto plazo también puede mejorar el potencial de la calefacción urbana utilizando el excedente de calor industrial fluctuante; ② almacenamiento de calor a largo plazo, producción industrial El calor restante en el proceso se almacena para proporcionar calefacción de espacios para la base industrial en invierno, o se envía a la red de calefacción urbana, que requiere que la temperatura de almacenamiento de calor sea de 70-120 °C , o para mejorar el calor de baja temperatura almacenado,

3. Almacenamiento de calor de respaldo industrial

El almacenamiento térmico de respaldo industrial se puede utilizar como un suministro de energía térmica ininterrumpido en caso de emergencias, lo que requiere una respuesta rápida y alta confiabilidad. En la actualidad, la industria depende principalmente de las calderas de gas como fuente de calor de respaldo, y el sistema de almacenamiento de calor puede proporcionar vapor de respaldo, evitando el uso de calderas de vapor. Los productos actualmente disponibles en el mercado son acumuladores de vapor, mientras que el almacenamiento de calor con material de cambio de fase y las soluciones de almacenamiento de calor termoquímico son el foco del desarrollo futuro. Para el almacenamiento de calor a mayor temperatura, se puede utilizar el almacenamiento de calor sólido poroso, y en el futuro se pueden desarrollar materiales de cambio de fase a alta temperatura y almacenamiento de calor termoquímico.

4. Fuente de alimentación térmica industrial

Además de las baterías, el almacenamiento de calor puede proporcionar una solución de bajo costo para satisfacer la demanda futura de almacenamiento de energía de alta potencia, alta capacidad y largo plazo. El suministro de energía térmica industrial debe centrarse en el desarrollo de varias tecnologías: ①Batería de Carnot de alta temperatura, que utiliza electricidad La calefacción almacena calor en sólidos porosos hasta 800°C; ②Batería Carnot de temperatura media, que utiliza una bomba de calor para convertir la electricidad en calor, hasta 200 °C, para mejorar el rendimiento, el calor residual industrial se puede utilizar como fuente de calor para la bomba de calor; ③Sistema de aire comprimido adiabático, requiere almacenamiento de calor a alta temperatura (a menudo se utilizan sólidos porosos de cerámica).

2. Estado actual y desafíos de la tecnología de almacenamiento de calor industrial

1. Almacenamiento de calor sensible

El almacenamiento de calor sensible almacena o libera calor elevando o bajando la temperatura de los materiales. Los materiales típicos de almacenamiento de calor incluyen agua, aceite térmico, roca, arenisca, arcilla, ladrillo, acero, hormigón y sal fundida.

(1) El nivel de madurez técnica (TRL) del almacenamiento de calor sensible basado en líquido ha alcanzado el nivel 9, y se usa principalmente en situaciones donde el costo es bajo y el espacio no está limitado, y el período de almacenamiento de calor es de varias horas a varios dias. Los principales desafíos técnicos que enfrenta este tipo de tecnología son: ① aumentar la densidad de energía volumétrica, reduciendo así los requisitos de espacio; ② reduce la temperatura, la presión y ralentiza la corrosión por sales fundidas; ③ reducir la pérdida de calor debido a la falta de compacidad.

(2) El TRL de almacenamiento de calor sensible basado en sólidos alcanza el nivel 7, que se utiliza principalmente en situaciones donde el costo es bajo y el espacio no es limitado, y el período de almacenamiento de calor es de varias horas a varios días. Los principales desafíos técnicos que enfrenta este tipo de tecnología son: ① reducir el peso y aumentar la densidad de energía volumétrica, lo que reduce los requisitos de espacio y el peso del sistema; ② mejorar el proceso de intercambio de calor.

(3) El TRL de almacenamiento de calor sensible basado en depósitos subterráneos como los acuíferos alcanza el nivel 7, que se usa principalmente para el almacenamiento de calor estacional a gran escala por debajo de 90 °C, y el calor también se puede usar durante la carga. Los principales desafíos técnicos que enfrenta este tipo de tecnología son: ①reducir los requisitos de área; ②reducir la dependencia de condiciones geológicas específicas; ③reducir la pérdida de calor a alta temperatura; ④reducir el tiempo de puesta en marcha; ⑤ aumentar el rango de temperatura.

(4) El TRL de almacenamiento de calor sensible basado en la mina alcanza el nivel 7, que se utiliza principalmente para el almacenamiento de calor a gran escala en el rango de temperatura de 60-80 °C durante varias semanas a varios meses, y el calor también se puede utilizar durante cargando Los principales desafíos técnicos que enfrenta este tipo de tecnología son: ①reducir el requerimiento de espacio superficial; ②mejorar la eficiencia del almacenamiento de calor y mejorar la influencia del nivel de temperatura de almacenamiento de calor y las características de estratificación.

2. Almacenamiento de calor latente

El almacenamiento de calor latente utiliza el cambio de fase de los materiales de almacenamiento. Los materiales de cambio de fase típicos incluyen hielo, parafina, ácidos grasos, alcoholes de azúcar, hidratos de sal, sales inorgánicas y metales. El TRL de esta tecnología es 4-7, y se usa principalmente en pequeños dispositivos de almacenamiento de calor, y el período de almacenamiento de calor es de varias horas a varios días. Los principales desafíos técnicos que enfrenta este tipo de tecnología son: ① aumentar la tasa de transferencia de calor; ② mejorar el proceso de estandarización y comercialización de materiales de cambio de fase; ③ mejorar la versatilidad de las soluciones; ④ mejorar la durabilidad de los materiales de cambio de fase; ⑤ mejorar la pureza de los materiales de almacenamiento de calor.

3. Almacenamiento de calor por adsorción

El almacenamiento de calor por adsorción se basa en reacciones gas-sólido reversibles entre adsorbatos (gases) y adsorbentes sólidos o líquidos, normalmente a temperaturas inferiores a 200 °C. El calor de adsorción involucrado en este proceso de adsorción/desorción reversible suele ser mayor que el almacenamiento de calor sensible y latente, lo que tiene la ventaja de poder almacenar calor durante mucho tiempo con una mínima pérdida de calor. Los sorbentes sólidos típicos incluyen materiales estructurados porosos como zeolitas, gel de sílice y alúmina activada que pueden adsorber/desorber gases como el agua o el vapor de amoníaco; Los adsorbentes líquidos típicos son soluciones salinas concentradas como cloruro de litio, bromuro de litio y solución acuosa de hidróxido de sodio. El TRL de almacenamiento de calor por adsorción es 6-8, que se utiliza principalmente en el caso de espacio limitado, y el período de almacenamiento de calor es de varias horas a varios meses. Los principales desafíos técnicos que enfrenta este tipo de tecnología son: ① aumentar los materiales comerciales que se pueden utilizar por encima de los 200 °C; ② utilizar la energía fría generada para mejorar la eficiencia; ③ reduce la diferencia de temperatura entre carga y descarga.

4. Almacenamiento de calor termoquímico

El almacenamiento de calor termoquímico también se basa en reacciones gas-sólido reversibles, similares al almacenamiento de calor por adsorción y, por lo tanto, también tiene la ventaja de una pequeña pérdida de calor, pero tiene una mayor densidad de almacenamiento de calor y un menor costo. Su principal diferencia con el almacenamiento de calor por adsorción es que el gas es absorbido directamente por la red sólida, cambiando así la estructura cristalina. Cuando la temperatura sea inferior a 200 °C, use sales inorgánicas sólidas y gases para el almacenamiento de calor termoquímico, como cloruro de calcio y vapor de agua, o cloruro de estroncio y vapor de amoníaco; en el rango de temperatura de 250-600°C, use hidróxido para formar (como óxido de calcio/hidróxido de calcio) y reacción de carbonatación (como óxido de calcio/carbonato de calcio) para almacenar calor; en el rango de temperatura de 800-1800°C, las reacciones de oxidación se pueden utilizar para el almacenamiento de calor, como peróxido de bario/óxido de bario o hierro/óxido de hierro. El TRL del almacenamiento de calor termoquímico es 4-6, que se usa principalmente en el caso de espacio limitado, y el período de almacenamiento de calor es de varias horas a varios meses. Los principales desafíos técnicos que enfrenta este tipo de tecnología son: ① mejorar la durabilidad y estabilidad de los materiales; ② eliminar el problema de aglomeración/aglomeración; ③ reduciendo la diferencia de temperatura entre carga y descarga.

3. Soluciones emergentes de tecnología de almacenamiento de calor

1. Almacenamiento de calor sólido sensible

Los sistemas sólidos de almacenamiento de calor sensible brindan un método confiable y seguro para almacenar calor a alta temperatura, y las tecnologías emergentes recientes incluyen el almacenamiento de calor en concreto y el almacenamiento de calor en lecho compacto. La empresa noruega EnergyNest ha desarrollado y demostrado un sistema modular de almacenamiento de calor basado en hormigón de alta conductividad, denominado Heatcrete®, que se aplicó recientemente a la red de tuberías de vapor de una planta química en Noruega y se utilizará en la fábrica de ladrillos y la empresa Senftenbacher en Austria en la futura central de ciclo combinado de Sloecentrale en Holanda. En la planta piloto de baterías Kano de Siemens Gamesa, se utiliza un sistema de almacenamiento de calor de lecho empacado de basalto a 740 °C con una capacidad de almacenamiento de calor de 130 MWh; La planta de reciclaje de acero de ArcelorMittal en España también utiliza recuperación de calor residual con almacenamiento de calor en lecho compacto.

2. Materiales de cambio de fase para almacenamiento de calor.

El nuevo desarrollo de materiales de cambio de fase para almacenamiento de calor son materiales de almacenamiento de calor de cambio de fase a alta temperatura, cuya temperatura de fusión supera los 100 °C, como nitrato eutéctico, ácido dicarboxílico, alcohol de azúcar e incluso materiales metálicos. En los últimos años, se han llevado a cabo muchas investigaciones para mejorar el rendimiento del almacenamiento de calor de los materiales de cambio de fase, como mejorar la conductividad térmica mediante la adición de rellenos conductores, lo que aumenta la tasa de carga/descarga. Al reducir el área de la superficie de transferencia de calor (como las aletas de metal), se pueden construir sistemas de almacenamiento de calor más compactos y de bajo costo. Además, se están desarrollando nuevos materiales de embalaje resistentes a altas temperaturas para mejorar las perspectivas de aplicación de los materiales de almacenamiento de calor de cambio de fase a alta temperatura.

3. Almacenamiento de calor termoquímico y de adsorción.

Las tecnologías termoquímicas y de almacenamiento de calor por adsorción están desarrollando materiales compuestos con alta densidad de energía y estabilidad. El departamento de investigación y desarrollo está explorando el material compuesto y su tecnología de preparación para agregar sal en la matriz porosa, con el objetivo de aumentar la densidad de almacenamiento de energía, mejorar la estabilidad de adsorción/reacción y prolongar la vida al mismo tiempo. Además, se han desarrollado tecnologías de recubrimiento para evitar el apelmazamiento o la pulverización de materiales termoquímicos. La empresa energética sueca SaltX Technology ha confirmado la viabilidad de este esquema. La compañía ha desarrollado una sal con nanorrevestimiento para un sistema termoquímico de almacenamiento de calor denominado EnerStore, que ha conseguido múltiples cargas/descargas con materiales de bajo coste. Circulación, un sistema basado en una reacción termoquímica entre el óxido de calcio y el agua/vapor, ha sido probado para Power-To-Heat en la planta CHP de Vattenfall en Berlín y ha estado en funcionamiento desde marzo de 2019. Su capacidad de almacenamiento de calor es de 10 MWh, la eficiencia total de la calefacción eléctrica es del 72 % al 85 % y el máximo teórico es del 92 %, lo que puede controlar la tasa y el nivel de liberación de calor con alta precisión.

4. Simulación avanzada

El desarrollo de modelos de simulación puede respaldar eficazmente la aplicación de sistemas de almacenamiento de calor en sistemas de energía industrial integrados, y puede diseñar rápidamente sistemas de almacenamiento de calor y realizar análisis de sensibilidad para configuraciones innovadoras. Por ejemplo, se ha desarrollado recientemente una evaluación del rendimiento basada en simulación de diseños de sistemas en el campo del almacenamiento de calor latente. Especialmente para los sistemas industriales de almacenamiento de calor termoquímico, la cinética de las reacciones termoquímicas en el diseño del proceso y del reactor se puede predecir mediante modelos no paramétricos avanzados. La eficiencia de todo el sistema se puede mejorar cambiando la unidad de adsorción original para que forme parte de un enfriador híbrido de adsorción/compresión. El esquema aumenta la utilización de energía renovable mediante la combinación de energía térmica y eléctrica,

4. Integración del sistema de almacenamiento de calor industrial

1. Calefacción eléctrica y generación de energía (Power-to-Heat-to-Power)

La electrificación de la producción industrial se ha convertido en el foco de la investigación y la aplicación, pero reemplazar el combustible de los procesos industriales con energía eléctrica causará problemas relacionados con el suministro de energía fluctuante y la capacidad de la red, que deben resolverse mediante sistemas de almacenamiento de energía. Hasta el momento, hay una falta de sistemas de almacenamiento de energía rentables que no estén limitados por ubicaciones geográficas. Power-to-X-to-Power (PXP) se considera una solución prometedora, que convertirá la energía eléctrica en otras formas de portador de energía y la almacenará y reconvertirá en energía eléctrica cuando sea necesario. La generación de energía de calefacción eléctrica (Power-to-Heat-to-Power) es una opción de bajo costo para PXP, también conocida como la solución de batería de Carnot. Siemens Gamesa ha realizado una exitosa demostración. Su almacenamiento de batería de Carnot en Hamburgo La central térmica se puso en funcionamiento en el verano de 2019, utilizando un lecho de basalto para almacenar calor y cargar aire a través de calentadores y sopladores eléctricos. El sistema utiliza un ciclo Rankine de vapor para convertir el calor almacenado en energía eléctrica con una eficiencia electrotérmico-eléctrica del 45% y una generación de energía máxima de 1,5 megavatios.

2. Renovación de centrales eléctricas existentes

Los sistemas integrados de almacenamiento de calor también pueden ayudar a modernizar las plantas de energía de combustibles fósiles existentes, especialmente las plantas de carbón que enfrentan un cierre parcial bajo los objetivos de reducción de CO2. Por ejemplo, el proyecto alemán I-Tess convierte el excedente de energía de las centrales eléctricas de carbón existentes en calor y utiliza el ciclo de vapor de la central eléctrica para convertir la energía térmica cuando escasea la energía. El proyecto alemán Store To Power está desarrollando una planta piloto de generación de energía de almacenamiento térmico que combina una planta de energía a carbón existente con almacenamiento de calor a alta temperatura, incluida calefacción eléctrica y un generador de vapor que puede transportar alrededor del 10% del vapor en el vapor. ciclo de una central térmica de carbón. Siemens Gamesa es una de las empresas líderes dedicadas a la transformación de centrales eléctricas de carbón. Al integrar el sistema de almacenamiento de calor, puede proporcionar electricidad, calor o vapor con la entrada de energía renovable fluctuante. Ya ha realizado un sistema de almacenamiento de calor de basalto de 30 MW. demostración.

5. Sugerencias de acción técnica

Para facilitar la adopción a gran escala del almacenamiento de calor industrial, se requiere una acción técnica inmediata, especialmente para la fase de precomercialización (Fase P) y la fase de comercialización (Fase C), recomendando: (1) Llevar a

cabo proyectos de investigación y desarrollo de almacenamiento de calor industrial (fase P), centrados en los desafíos técnicos mencionados anteriormente.

(2) Llevar a cabo investigaciones técnicas y económicas sobre el almacenamiento de calor y su aplicación industrial (etapa P), que incluye: ① Aplicar tecnología de almacenamiento de calor en la generación de energía de energía renovable, calor/frío, como la batería de Carnot; ② En energías renovables, la tecnología de almacenamiento de calor se utiliza en calefacción/refrigeración eléctrica para hacer coincidir el suministro de energía fluctuante con la demanda de calor industrial; ③ Utilizar energía geotérmica y energía solar para satisfacer la demanda de calor; ④ Recuperación, almacenamiento y utilización del calor residual industrial; ⑤ Almacenamiento de calor en refrigeración industrial y aplicaciones de cadena de frío; ⑥ usar el almacenamiento de calor como un sistema de respaldo confiable cuando fallan otras tecnologías de calefacción.

(3) Identificar y compartir aplicaciones donde el almacenamiento de calor tiene ventajas económicas, ambientales y operativas sobre otras formas de almacenamiento de energía (baterías o hidrógeno) (Fase P).

(4) Desarrollar y operar proyectos de demostración de almacenamiento de calor y proporcionar resultados y datos de acceso abierto (Fase P).

(5) Compartir activamente las mejores prácticas y difundir conocimientos y datos a la industria, los formuladores de políticas y otras partes interesadas a través de publicaciones, discursos y otras formas de participación de los medios (Fase P).

(6) Desarrollar una base de datos de material de almacenamiento de calor accesible con indicadores clave de rendimiento unificados (Fase C).

(7) Colaborar con los reguladores, los organismos profesionales y la industria para desarrollar sistemas estandarizados de almacenamiento de calor (Fase C).