A European Energy Research Alliance lançou um white paper sobre pesquisa e desenvolvimento de tecnologia de armazenamento de calor

industrial a Transformação para a Indústria Descarbonizada", que apresenta o estado atual, desafios e sugestões de pesquisa e desenvolvimento da tecnologia de armazenamento de calor industrial. Os pontos principais são os seguintes:

1. Aplicações potenciais de armazenamento de calor na indústria

1. Processo industrial de aquecimento ou resfriamento

Dependendo das condições climáticas, os sistemas de aquecimento solar industrial podem ser combinados com sistemas de armazenamento de calor. Aplicações promissoras incluem: ① Para demanda de calor de processo de alta temperatura (400°C), aquecimento elétrico combinado com armazenamento de calor sólido poroso pode ser usado; ② Para água quente de média temperatura e demanda de vapor de processo (até 200°C), existem várias opções, incluindo a combinação de bombas de calor industriais e armazenamento de calor e a combinação de sistemas de aquecimento solar e armazenamento de calor; ③Para armazenamento frio industrial (abaixo de 6°C), sistemas de refrigeração (como resfriadores de ar ou condicionadores de ar), calor sensível ou sistemas de armazenamento de calor de material de mudança de fase podem ser fornecidos Energia de baixa temperatura para atender aos picos de demanda de frio no início de um novo ciclo de refrigeração e utilizam eletricidade renovável de baixo custo.

2. Utilização de calor residual industrial

Aplicações promissoras incluem: ① Armazenamento de calor de curto prazo, onde o calor residual do processamento do lote é usado para pré-aquecer o próximo lote para reduzir a entrada de energia e melhorar a eficiência energética, e a tecnologia de armazenamento de calor usada depende do calor residual disponível (por exemplo, processos exotérmicos na indústria química que requerem temperatura inicial suficiente, como polimerização ou alcoxilação), o armazenamento de calor de curto prazo também pode melhorar o potencial de aquecimento distrital usando o excedente de calor industrial flutuante; ② armazenamento de calor de longo prazo, produção industrial O calor restante no processo é armazenado para fornecer aquecimento ambiente para a base industrial no inverno ou saída para a rede de aquecimento urbano, que requer que a temperatura de armazenamento de calor seja de 70-120°C , ou para atualizar o calor de baixa temperatura armazenado,

3. Armazenamento de calor de reserva industrial

O armazenamento de calor de reserva industrial pode ser usado como um fornecimento ininterrupto de energia térmica em caso de emergências, o que requer resposta rápida e alta confiabilidade. Atualmente, a indústria depende principalmente de caldeiras a gás como fonte de calor de reserva, e o sistema de armazenamento de calor pode fornecer vapor de reserva, evitando o uso de caldeiras de vapor. Os produtos atualmente disponíveis no mercado são acumuladores de vapor, enquanto o armazenamento de calor de material de mudança de fase e as soluções de armazenamento de calor termoquímico são o foco do desenvolvimento futuro. Para armazenamento de calor em temperatura mais alta, armazenamento de calor sólido poroso pode ser usado, e materiais de mudança de fase de alta temperatura e armazenamento de calor termoquímico podem ser desenvolvidos no futuro.

4. Fonte de alimentação térmica industrial

Além das baterias, o armazenamento de calor pode fornecer uma solução de baixo custo para atender à demanda futura de alta potência, alta capacidade e armazenamento de energia de longo prazo. O fornecimento de calor industrial precisa se concentrar no desenvolvimento de várias tecnologias: ①Bateria de Carnot de alta temperatura, usando eletricidade O aquecimento armazena calor em sólidos porosos até 800°C; ②Bateria de Carnot de média temperatura, usando uma bomba de calor para converter eletricidade em calor, até 200°C, a fim de melhorar o desempenho, o calor residual industrial pode ser usado como fonte de calor para a bomba de calor; ③Sistema de ar comprimido adiabático, requer armazenamento de calor de alta temperatura (muitas vezes usando sólidos porosos de cerâmica).

2. Situação atual e desafios da tecnologia de armazenamento de calor industrial

1. Armazenamento de calor sensível

O armazenamento de calor sensível armazena ou libera calor aumentando ou diminuindo a temperatura dos materiais. Materiais típicos de armazenamento de calor incluem água, óleo térmico, rocha, arenito, argila, tijolo, aço, concreto e sal fundido.

(1) O nível de maturidade técnica (TRL) do armazenamento de calor sensível em base líquida atingiu o nível 9 e é usado principalmente em situações em que o custo é baixo e o espaço não é limitado, e o período de armazenamento de calor é de várias horas para muitos dias. Os principais desafios técnicos enfrentados por este tipo de tecnologia são: ① aumentar a densidade volumétrica de energia, reduzindo assim os requisitos de espaço; ② reduzir a temperatura, pressão e retardar a corrosão do sal fundido; ③ reduzir a perda de calor devido à falta de compacidade.

(2) Armazenamento de calor sensível de base sólida TRL atinge o nível 7, que é usado principalmente em situações onde o custo é baixo e o espaço não é limitado, e o período de armazenamento de calor é de várias horas a vários dias. Os principais desafios técnicos enfrentados por este tipo de tecnologia são: ① reduzir o peso e aumentar a densidade volumétrica de energia, reduzindo assim os requisitos de espaço e peso do sistema; ② melhorar o processo de troca de calor.

(3) Armazenamento de calor sensível TRL baseado em reservatórios subterrâneos, como aquíferos, atinge o nível 7, que é usado principalmente para armazenamento de calor sazonal em larga escala abaixo de 90°C, e o calor também pode ser usado durante o carregamento. Os principais desafios técnicos enfrentados por este tipo de tecnologia são: ①reduzir os requisitos de área; ②reduzir a dependência de condições geológicas específicas; ③reduzir a perda de calor de alta temperatura; ④reduzir o tempo de inicialização; ⑤aumentar a faixa de temperatura.

(4) O TRL de armazenamento de calor sensível baseado em mina atinge o nível 7, que é usado principalmente para armazenamento de calor em grande escala na faixa de temperatura de 60-80°C por várias semanas a vários meses, e o calor também pode ser usado durante carregando. Os principais desafios técnicos enfrentados por este tipo de tecnologia são: ①reduzir o requisito de espaço de superfície; ②melhorar a eficiência do armazenamento de calor e melhorar a influência do nível de temperatura de armazenamento de calor e características de estratificação.

2. Armazenamento de calor latente

O armazenamento de calor latente utiliza a mudança de fase dos materiais de armazenamento. Materiais típicos de mudança de fase incluem gelo, parafina, ácidos graxos, álcoois de açúcar, hidratos de sal, sais inorgânicos e metais. O TRL desta tecnologia é 4-7, e é usado principalmente em pequenos dispositivos de armazenamento de calor, e o período de armazenamento de calor é de várias horas a vários dias. Os principais desafios técnicos enfrentados por este tipo de tecnologia são: ① aumentar a taxa de transferência de calor; ② melhorar o processo de padronização e comercialização de materiais de mudança de fase; ③ melhorar a versatilidade das soluções; ④ melhorar a durabilidade dos materiais de mudança de fase; ⑤ melhorar a pureza dos materiais de armazenamento de calor.

3. Armazenamento de calor por adsorção

O armazenamento de calor por adsorção é baseado em reações gás-sólido reversíveis entre adsorvatos (gases) e adsorventes sólidos ou líquidos, normalmente em temperaturas abaixo de 200 °C. O calor de adsorção envolvido neste processo reversível de adsorção/dessorção é geralmente maior do que o armazenamento de calor sensível e latente, o que tem a vantagem de poder armazenar calor por um longo tempo com perda mínima de calor. Os sorventes sólidos típicos incluem materiais estruturados porosos, como zeólitos, gel de sílica e alumina ativada, que podem adsorver/dessorver gases, como água ou vapor de amônia; sorventes líquidos típicos são soluções salinas concentradas, como cloreto de lítio, brometo de lítio e solução aquosa de hidróxido de sódio. O TRL de armazenamento de calor de adsorção é 6-8, que é usado principalmente no caso de espaço limitado, e o período de armazenamento de calor é de várias horas a vários meses. Os principais desafios técnicos enfrentados por este tipo de tecnologia são: ① aumentar os materiais comerciais que podem ser usados ​​acima de 200 °C; ② usar a energia fria gerada para melhorar a eficiência; ③ reduzir a diferença de temperatura entre o carregamento e o descarregamento.

4. Armazenamento de calor termoquímico

O armazenamento de calor termoquímico também é baseado em reações gás-sólido reversíveis, semelhantes ao armazenamento de calor por adsorção e, portanto, também tem a vantagem de pequena perda de calor, mas tem maior densidade de armazenamento de calor e menor custo. Sua principal diferença em relação ao armazenamento de calor por adsorção é que o gás é diretamente absorvido pela rede sólida, alterando assim a estrutura do cristal. Quando a temperatura estiver abaixo de 200°C, use sais inorgânicos sólidos e gases para armazenamento de calor termoquímico, como cloreto de cálcio e vapor d'água, ou cloreto de estrôncio e vapor de amônia; na faixa de temperatura de 250-600°C, use hidróxido para formar (como óxido de cálcio/hidróxido de cálcio) e reação de carbonatação (como óxido de cálcio/carbonato de cálcio) para armazenamento de calor; na faixa de temperatura de 800-1800°C, as reações de oxidação podem ser usadas para armazenamento de calor, como peróxido de bário/óxido de bário ou ferro/óxido de ferro. O TRL do armazenamento de calor termoquímico é 4-6, que é usado principalmente no caso de espaço limitado, e o período de armazenamento de calor é de várias horas a vários meses. Os principais desafios técnicos enfrentados por este tipo de tecnologia são: ① melhorar a durabilidade e estabilidade dos materiais; ② eliminando o problema de aglomeração/aglomeração; ③ reduzindo a diferença de temperatura entre o carregamento e o descarregamento.

3. Soluções emergentes de tecnologia de armazenamento de calor

1. Armazenamento de calor sensível sólido

Os sistemas sólidos de armazenamento de calor sensível fornecem um método confiável e seguro para armazenar calor em alta temperatura, e tecnologias emergentes recentes incluem armazenamento de calor em concreto e armazenamento de calor em leito compactado. A empresa norueguesa EnergyNest desenvolveu e demonstrou um sistema modular de armazenamento de calor baseado em concreto altamente condutor, chamado Heatcrete®, que foi recentemente aplicado à rede de tubulação de vapor de uma fábrica química na Noruega e será usado na fábrica de tijolos e na empresa Senftenbacher em Áustria na futura usina de ciclo combinado Sloecentrale na Holanda. Na planta piloto de baterias Kano da Siemens Gamesa, é usado um sistema de armazenamento de calor de leito compactado de basalto a 740°C com uma capacidade de armazenamento de calor de 130 MWh; A planta de reciclagem de aço da ArcelorMittal na Espanha também usa a recuperação de calor residual de armazenamento de calor de leito empacotado.

2. Materiais de mudança de fase para armazenamento de calor

O novo desenvolvimento de materiais de mudança de fase para armazenamento de calor são materiais de armazenamento de calor de mudança de fase de alta temperatura, cuja temperatura de fusão excede 100°C, como nitrato eutético, ácido dicarboxílico, álcool de açúcar e até mesmo materiais metálicos. Nos últimos anos, muitas pesquisas foram realizadas para melhorar o desempenho do armazenamento de calor de materiais de mudança de fase, como o aumento da condutividade térmica pela adição de enchimentos condutores, aumentando assim a taxa de carga/descarga. Ao reduzir a área de superfície de transferência de calor (como aletas de metal), sistemas de armazenamento de calor mais compactos e de baixo custo podem ser construídos. Além disso, novos materiais de embalagem resistentes a altas temperaturas estão sendo desenvolvidos para melhorar as perspectivas de aplicação de materiais de armazenamento de calor de mudança de fase de alta temperatura.

3. Armazenamento de calor termoquímico e de adsorção

As tecnologias termoquímicas e de armazenamento de calor por adsorção estão desenvolvendo materiais compósitos com alta densidade de energia e estabilidade. O departamento de pesquisa e desenvolvimento está explorando o material compósito e sua tecnologia de preparação de adição de sal na matriz porosa, com o objetivo de aumentar a densidade de armazenamento de energia, aumentar a estabilidade de adsorção/reação e prolongar a vida ao mesmo tempo. Além disso, tecnologias de revestimento foram desenvolvidas para evitar aglomeração ou pulverização de materiais termoquímicos. A empresa de energia sueca SaltX Technology confirmou a viabilidade deste esquema. A empresa desenvolveu um sal nano-revestido para um sistema termoquímico de armazenamento de calor chamado EnerStore, que conseguiu múltiplas cargas/descargas com materiais de baixo custo. Circulação, um sistema baseado em uma reação termoquímica entre óxido de cálcio e água/vapor, foi testado para Power-To-Heat na planta Vattenfall CHP em Berlim e está em operação desde março de 2019. Sua capacidade de armazenamento de calor é de 10 MWh, a eficiência total do aquecimento elétrico é de 72% a 85% e o máximo teórico é de 92%, o que pode controlar a taxa e o nível de liberação de calor com alta precisão.

4. Simulação avançada

O desenvolvimento de modelos de simulação pode efetivamente apoiar a aplicação de sistemas de armazenamento de calor em sistemas integrados de energia industrial e pode projetar rapidamente sistemas de armazenamento de calor e realizar análises de sensibilidade para configurações inovadoras. Por exemplo, uma avaliação de desempenho baseada em simulação de projetos de sistemas foi recentemente desenvolvida no campo de armazenamento de calor latente. Especialmente para sistemas industriais de armazenamento de calor termoquímico, a cinética das reações termoquímicas no projeto do reator e do processo pode ser prevista por modelos não paramétricos avançados. A eficiência do sistema geral pode ser melhorada alterando a unidade de adsorção original para fazer parte de um resfriador híbrido de adsorção/compressão. O esquema aumenta a utilização de energia renovável combinando energia térmica e elétrica,

4. Integração do sistema de armazenamento de calor industrial

1. Aquecimento elétrico e geração de energia (Power-to-Heat-to-Power)

A eletrificação da produção industrial tornou-se o foco de pesquisa e aplicação, mas a substituição do combustível de processo industrial por energia elétrica causará problemas relacionados à flutuação no fornecimento de energia e na capacidade da rede, que precisam ser resolvidos por sistemas de armazenamento de energia. Até agora, faltam sistemas de armazenamento de energia econômicos que não sejam limitados por localizações geográficas. Power-to-X-to-Power (PXP) é considerada uma solução promissora, que permitirá que a energia elétrica seja convertida em outras formas de transporte de energia e armazenada, reconvertida em energia elétrica quando necessário. A geração de energia de aquecimento elétrico (Power-to-Heat-to-Power) é uma opção de baixo custo para PXP, também conhecida como solução de bateria de Carnot. A Siemens Gamesa fez uma demonstração bem-sucedida. Seu armazenamento de bateria de Carnot em Hamburgo A usina termelétrica foi colocada em operação no verão de 2019, usando um leito de basalto para armazenamento de calor e carregamento de ar por meio de aquecedores elétricos e sopradores. O sistema usa um ciclo Rankine a vapor para converter o calor armazenado em energia elétrica com uma eficiência eletrotérmica elétrica de 45% e uma geração máxima de energia de 1,5 megawatts.

2. Renovação de usinas existentes

Os sistemas integrados de armazenamento de calor também podem ajudar a modernizar usinas de combustível fóssil existentes, especialmente usinas de carvão que enfrentam fechamento parcial sob as metas de redução de CO2. Por exemplo, o projeto alemão I-Tess converte a energia excedente das usinas a carvão existentes em calor e usa o ciclo de vapor da usina para converter energia térmica quando a energia é escassa. O projeto alemão Store To Power está desenvolvendo uma planta piloto de geração de energia de armazenamento térmico que combina uma usina de carvão existente com armazenamento de calor de alta temperatura, incluindo aquecimento elétrico e um gerador de vapor que pode transportar cerca de 10% do vapor no vapor ciclo de uma usina movida a carvão. A Siemens Gamesa é uma das empresas líderes dedicadas à transformação de usinas termoelétricas a carvão. Ao integrar o sistema de armazenamento de calor, ele pode fornecer eletricidade, calor ou vapor com a entrada de energia renovável flutuante. Já realizou um sistema de armazenamento de calor de basalto de 30 MW. demonstração.

5. Sugestões de Ações Técnicas

Para facilitar a adoção em larga escala de armazenamento de calor industrial, uma ação técnica imediata é necessária, especialmente para a fase de pré-comercialização (Fase P) e fase de comercialização (Fase C), recomendando-se: (1)

Realizar projetos de pesquisa e desenvolvimento de armazenamento de calor industrial (fase P), com foco nos desafios técnicos mencionados acima.

(2) Realizar pesquisas técnicas e econômicas sobre armazenamento de calor e sua aplicação industrial (estágio P), incluindo: ① Aplicação da tecnologia de armazenamento de calor na geração de energia renovável, calor/frio, como bateria de Carnot; ② Em energia renovável, a tecnologia de armazenamento de calor é usada em aquecimento/resfriamento elétrico para combinar a fonte de alimentação flutuante com a demanda de calor industrial; ③ Utilizar energia geotérmica e energia solar para atender à demanda de calor; ④ Recuperação, armazenamento e utilização do calor residual industrial; ⑤ Armazenamento de calor em aplicações de refrigeração industrial e cadeia de frio; ⑥ use o armazenamento de calor como um sistema de backup confiável quando outras tecnologias de aquecimento falharem.

(3) Identificar e compartilhar aplicações onde o armazenamento de calor tem vantagens econômicas, ambientais e operacionais sobre outras formas de armazenamento de energia (baterias ou hidrogênio) (Fase P).

(4) Desenvolver e operar projetos de demonstração de armazenamento de calor e fornecer resultados e dados de acesso aberto (Fase P).

(5) Compartilhar ativamente as melhores práticas e disseminar conhecimento e dados para a indústria, formuladores de políticas e outras partes interessadas por meio de publicações, discursos e outras formas de envolvimento da mídia (Fase P).

(6) Desenvolver um banco de dados de material de armazenamento de calor acessível com indicadores-chave unificados de desempenho (Fase C).

(7) Colaborar com reguladores, órgãos profissionais e indústria para desenvolver sistemas padronizados de armazenamento de calor (Fase C).