Идея исследователей состоит в том, чтобы использовать избыточную электроэнергию, производимую при низком спросе, например, от ветряных электростанций, когда ночью дуют сильные ветры, с помощью резистивных нагревателей, которые преобразуют электричество в тепло. Эти устройства будут использовать избыточное электричество для нагрева большой массы огнеупорных кирпичей, которые могут сохранять тепло в течение длительного времени, если они помещены в изолированный кожух.
Позже это тепло можно будет использовать непосредственно для промышленных процессов или для питания генераторов, которые преобразуют его обратно в электричество, когда потребуется электроэнергия.Сама технология устарела, но ее потенциальная полезность — новое явление, вызванное быстрым ростом периодических возобновляемых источников энергии и особенностями способа установления цен на электроэнергию.
Технологически система «могла быть разработана в 1920-х годах, но тогда для нее не было рынка», — говорит Чарльз Форсберг, научный сотрудник Департамента ядерной науки и техники Массачусетского технологического института и ведущий автор исследовательской статьи с описанием этого плана. появляется на этой неделе в журнале «Электричество».Форсберг отмечает, что спрос на промышленное тепло в США и большинстве промышленно развитых регионов на самом деле превышает общий спрос на электроэнергию. И в отличие от спроса на электроэнергию, который сильно и часто непредсказуемо варьируется, спрос на промышленное тепло является постоянным и может использовать дополнительный источник тепла, когда он доступен, обеспечивая практически безграничный рынок тепла, обеспечиваемого этой системой на основе огнеупорного кирпича.Система, которую Форсберг называет ПОЖАРАМИ (для накопителя энергии с обогревом из огнеупорного кирпича), по сути, повысит минимальную цену на электроэнергию на рынке коммунальных услуг, которая в настоящее время может упасть почти до нуля в периоды высокой производительности, например, в середине солнечный день, когда мощность солнечных электростанций находится на пике.
Цены на электроэнергию определяются за день заранее, с отдельной ценой для каждого часового сегмента дня. Это делается через систему аукционов между производителями и распределителями энергии.
Дистрибьюторы определяют, сколько энергии им потребуется в течение каждого часа, а поставщики предлагают цену, исходя из своих ожидаемых затрат на производство этой энергии. В зависимости от потребностей в данный момент времени эти цены могут быть низкими, если, например, необходимы только газовые установки базовой нагрузки, или они могут быть намного выше, если спрос требует использования гораздо более дорогих «пиковых» электростанций.
В конце каждого аукциона дистрибьюторы выясняют, сколько заявок потребуется для удовлетворения прогнозируемого спроса, и затем цена, подлежащая уплате всем поставщикам, определяется на основе самой высокой ставки из всех принятых заявок. в тот час.Но эта система может привести к странным результатам, когда очень дешевая в производстве энергия — солнечная, ветровая и ядерная энергия, фактические эксплуатационные расходы которой исчезающе малы — может обеспечить достаточно, чтобы удовлетворить спрос.
Тогда цена, которую поставщики получают за электроэнергию, может быть близка к нулю, что делает установки неэкономичными.Но направляя большую часть этой избыточной выработки на накопление тепла путем нагрева большой массы огнеупорного кирпича, а затем продавая это тепло напрямую или используя его для приведения в действие турбин и последующего производства электроэнергии, когда это необходимо, FIRES, по сути, может установить нижний предел рыночной цены на электричество, что, вероятно, будет связано с ценой на природный газ. Это, в свою очередь, может помочь сделать больше безуглеродных источников энергии, таких как солнечная, ветровая и ядерная, более прибыльными и тем самым стимулировать их расширение.
Падение цен на электроэнергию из-за расширения использования неископаемых источников энергии уже происходит и будет продолжать расти по мере увеличения количества установок возобновляемой энергии. «На рынках электроэнергии, таких как Айова, Калифорния и Германия, цена на электроэнергию падает почти до нуля в периоды сильной ветровой или солнечной энергии», — говорит Форсберг. Как только количество генерирующих мощностей, обеспечиваемых солнечной энергией, достигнет примерно 15 процентов от общего количества генерирующих мощностей, или когда энергия ветра достигнет 30 процентов от общего количества, строительство таких установок может стать нерентабельным, если нет достаточной емкости для хранения излишков для последующего использования. использовать.
В настоящее время возможности хранения избыточной электроэнергии существенно ограничиваются батареями или гидроэлектрическими системами с гидроаккумулятором. Напротив, низкотехнологичная система накопления тепла из огнеупорного кирпича будет стоить от одной десятой до одной сороковой от стоимости любого из этих вариантов, говорит Форсберг.Сам по себе Firebrick — это просто вариант обычных кирпичей, изготовленных из глины, способных выдерживать гораздо более высокие температуры, до 1600 градусов Цельсия и более.
Практически дешево производить — глина, в конце концов, всего лишь особый вид грязи — такие высокотемпературные кирпичи были обнаружены на археологических раскопках, датируемых примерно 3500 лет назад, например, в печах для плавки железа, построенных Хетты на территории современной Турции. Тот факт, что эти кирпичи сохранились до сих пор, свидетельствует об их долговечности.В настоящее время, варьируя химический состав глины, можно изготавливать огнеупорный кирпич с самыми разными свойствами.
Например, кирпичи, которые должны быть помещены в центр сборки, могут иметь высокую теплопроводность, так что они могут легко принимать тепло от резистивных нагревателей. Эти кирпичи могут легко отдавать это тепло холодному воздуху, продуваемому через массу, чтобы уносить тепло для промышленного использования.
Но кирпичи, используемые для внешних частей конструкции, могут иметь очень низкую теплопроводность, создавая таким образом изолирующую оболочку, которая помогает удерживать тепло центрального блока.Ограничение тока на FIRES — это резистивные нагреватели. Существующие недорогие и надежные нагреватели достигают температуры только около 850 C. В конечном итоге, как предполагает Форсберг, сами кирпичи можно сделать электропроводящими, чтобы они могли действовать как недорогие резистивные нагреватели, производя и сохраняя тепло. Перспективным материалом для этих огнеупорных кирпичей является карбид кремния, который уже производится в больших масштабах для таких целей, как наждачная бумага.
По словам Форсберга, в настоящее время Китай производит около миллиона тонн его в год.По его словам, преобразование этого тепла обратно в электричество является более сложной технической задачей, поэтому, вероятно, это будет версия системы FIRES следующего поколения.
Это связано с тем, что для производства электроэнергии с помощью обычных турбин, используемых на электростанциях, работающих на природном газе, требуется гораздо более высокая температура. По его словам, в то время как промышленное технологическое тепло приемлемо при температуре около 800 ° C, турбинам необходим сжатый воздух, нагретый до температуры не менее 1600 ° C. Обычные резистивные нагреватели не могут работать так высоко, и таким системам также потребуется закрывающий сосуд высокого давления для обработки необходимых давление воздуха. Но преимущество было бы огромным: удвоение рабочей температуры снизило бы вдвое стоимость производимого тепла, говорит Форсберг.
Следующим шагом, по словам Форсберга, будет установка нескольких полномасштабных прототипов установок для подтверждения принципов в реальных условиях, что, как он ожидает, произойдет к 2020 году. «Мы находим подходящих клиентов для этих начальных единиц», — сказал Форсберг. он говорит, что, вероятно, это будет такая компания, как завод по переработке этанола, который использует много тепла, расположенный рядом с большой ветряной турбиной.