По мере того как мир пытается сдержать изменение климата, все чаще звучит необходимость сильнее опираться на возобновляемую энергетику. Последнее соглашение COP28 сформулировало это прямо: к 2030 году нужно утроить мощности ВИЭ и вдвое ускорить повышение энергоэффективности. Это смелая, но необходимая цель, если мы хотим приблизиться к достижению net zero в нужные сроки.
Одна из тем, которой часто уделяют слишком мало внимания, это управление непредсказуемостью поставок энергии из возобновляемых источников. И когда об этом все же говорят, обсуждение обычно идет на высоком уровне: электросети, магистральная передача и национальные энергосистемы. Однако расширение сетей передачи и распределения электроэнергии может занимать до 15 лет. Поскольку действовать нужно уже сейчас, чтобы ограничить последствия климатического кризиса, необходимо смотреть не только на централизованную генерацию, но и на локальное производство тепла.
Пики и провалы выработки ветровой и солнечной энергии, а также заметный рост спроса по мере электрификации тепла означают, что стоит искать новые точки соприкосновения между электроэнергетикой и тепловым сектором.
Тепловое накопление энергии (TES) и другие формы длительного хранения энергии (LDES) выглядят двумя многообещающими направлениями, позволяющими лучше использовать эти изменения.
Потребность в таких решениях становится все более очевидной по мере движения к более устойчивому будущему. И по мере развития технологий, способных закрыть этот спрос, важно оценивать их более широкое воздействие на окружающую среду, а не только капитальные затраты, эффективность и энергоотдачу. Ниже мы рассмотрим два варианта и сравним ряд таких факторов.
Накопление тепла: традиционные аккумуляторы
Сегодня наиболее распространенные подходы к накоплению энергии для тепловых задач включают sensible и latent storage с использованием фазопереходных материалов (PCM), а также термохимическое хранение. Электрохимические решения обычно делят на две категории: конденсаторы и аккумуляторы. Хотя конденсаторы отличаются более высоким КПД и большим сроком службы, на единицу массы они запасают существенно меньше энергии, чем аккумуляторы.
Аккумуляторы также давно являются предметом исследований в составе систем накопления энергии, в том числе в связке с возобновляемыми источниками. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LIPB) рассматривались в нескольких исследованиях, например как решение для хранения энергии на ветропарках на периоды, когда ветра нет. Их эффективность заметно растет при использовании нескольких батарей, что позволяет реализовывать полные циклы заряда и разряда. Другие исследования были посвящены повышению их эффективности, например за счет контроля рабочей температуры с помощью нагревательных матов, а также оценке воздействия на окружающую среду через LCA-анализ жизненного цикла.
Новая альтернатива: SteamBattery
В Spirax Sarco совместно с коллегами из Chromalox мы разработали инновационный вариант TES: SteamBattery. Эта система запасает тепло, выработанное погружным электрическим нагревателем, в виде горячей воды высокого давления в хорошо изолированном сосуде.
Когда из SteamBattery требуется пар, он отбирается из газового пространства сосуда и либо используется напрямую, либо передается косвенно через теплообменник в "мокрую" систему отопления. Образующийся конденсат возвращается в сосуд. По мере расхода пара давление падает, пока SteamBattery не окажется полностью разряженной. Перезарядка выполняется тем же погружным электронагревателем, который может питаться как от локальных возобновляемых источников, так и от сети в периоды доступной недорогой "зеленой" электроэнергии. Система способна одновременно выдавать пар и заряжаться, что дает гибкость в эксплуатации и позволяет использовать ее как буферное хранилище. Полный заряд возможен примерно за 8 часов, то есть, например, за ночь.
Учитывая более широкое экологическое воздействие
Используя актуальные публикации по LIPB, нашу модель и существующие исследования по SteamBattery, мы поставили цель сравнить экологическое воздействие этих двух решений по хранению энергии. При этом были и ограничения, вызванные границами исследований по LIPB; в частности, применялся подход cradle-to-gate, не учитывающий ни транспортировку, ни утилизацию в конце жизненного цикла.
После определения границ системы стало возможным оценить ряд сопоставимых экологических показателей. Из-за различий в моделях, использованных для LIPB и SteamBattery, из 18 показателей в исследовании по LIPB мы смогли напрямую сопоставить 10.
Парниковые газы (GHG):
Это наиболее важная категория с точки зрения влияния на климат, она измеряется в килограммах эквивалента CO2. Расчеты показали, что за весь срок службы SteamBattery приведет к выбросам 8.58 кг на 1000 кВт·ч запасенной энергии, тогда как у LIPB этот показатель составляет 16.10 кг на 1000 кВт·ч. Иными словами, за полезный срок службы SteamBattery дает примерно вдвое меньшие выбросы CO2, чем LIPB.
Воздействие на экосистемы:
Мы изучили шесть категорий экологического воздействия, включая экотоксичность и эвтрофикацию морских и пресноводных экосистем, а также закисление и экотоксичность наземной среды. Для пресноводной и морской среды SteamBattery показала на 95% меньшее воздействие по сравнению с LIPB. Во многом это объясняется производством катодных пластин, необходимым для LIPB.
Если смотреть на наземные экосистемы, картина уже не столь однозначна. Выбросы диоксида серы у SteamBattery оказались на 83% ниже, чем у LIPB. Однако эквивалент дихлорбензола оказался выше. Более детальный анализ, учитывающий совокупную нагрузку обоих продуктов по разным категориям, показал, что это скорее направление для дальнейшего улучшения, чем серьезный недостаток.
Оценка также показала более низкое воздействие SteamBattery на природные ресурсы, включая ископаемое топливо и воду. Примечательно, что самые высокие экологические нагрузки в основном были связаны именно с LIPB, особенно по морской и пресноводной экотоксичности, тогда как наиболее существенное воздействие SteamBattery оставалось заметно ниже и проявлялось в наземной экотоксичности.
По мере роста спроса на устойчивые паровые системы становится все очевиднее, что недостаточно просто уходить от ископаемого топлива. Устойчивость планеты и наше будущее зависят и от множества других факторов, среди которых экологические соображения занимают одно из первых мест. Это предварительное исследование показывает, что перед принятием окончательных решений всегда стоит рассматривать более целостную картину доступных вариантов.
Источник:
Borbala Rebeka David, Sean Spencer, Jeremy Miller, Sulaiman Almahmoud, Hussam Jouhara:(Comparative environmental life cycle assessment of conventional energy storage system and innovative thermal energy storage system,2021).