טכנולוגיית אחסון חום: שפר את היעילות של ניצול מקיף של אנרגיית חום

כיום, במערכות ניצול אנרגיה רבות קיימת סתירה בין חוסר התאמה בין היצע אנרגיה לביקוש, הגורמת לניצול אנרגיה בלתי סביר ולכמות גדולה של פסולת. יעילות אנרגטית כמו אנרגיה סולארית וחום פסולת תעשייתי נמוכה, מה שלא רק מבזבז משאבים, אלא גם גורם לזיהום תרמי לא מבוטל לסביבה האטמוספרית.

מסיבה זו, שיפור ההמרה והניצול של אנרגיה הפך לנושא מרכזי שמדינות חייבות לתת עדיפות ליישום אסטרטגיות פיתוח בר קיימא, ופיתוח טכנולוגיית אגירת חום לשימוש מקיף ויעיל באנרגיית חום היא בעלת חשיבות עליונה.

משאבים בשפע זמינים

אנרגיה סולארית היא מקור האנרגיה הבסיסי החשוב ביותר מבין מקורות האנרגיה המתחדשים. זה"בלתי נדלה ובלתי נדלה" והוא תפוצה רחבה וללא זיהום. זוהי אנרגיה נקייה חסכונית. השמש יכולה לשחרר אנרגיה של 391×1021 קילוואט לשנייה. גם אם האנרגיה המוקרנת אל פני כדור הארץ היא רק 1-2.2 מיליארדית ממנה, היא שווה פי 80,000 מייצור החשמל בעולם'. המדינה שלי היא מדינה עשירה יחסית באנרגיה סולארית. ליותר משני שלישים מהמדינה יש קרינת שמש שנתית של יותר מ-6 GJ·m2 ושעות שמש שנתיות של יותר מ-2,200 שעות. אנרגיית קרינת השמש השנתית המתקבלת על ידי פני השטח של כדור הארץ במדינה שלי היא בערך 50×1019 קילו-ג'יי, שזה שווה ערך ל-170 מיליארד טון של פחם סטנדרטי. משאבי אנרגיה סולארית שופעים כאלה מספקים גם תנאים טובים לפיתוח וניצול ארצי' של ייצור חשמל סולארי. פסולת חום תעשייתית מגיעה בעיקר מתעשיות כמו מתכות, חומרי בניין וכימיקלים. נתונים סטטיסטיים בשנת 2010 הראו כי משאבי חום פסולת תעשייתיים היוו עד 67% מכלל חום הדלק, מתוכם שיעור ההשבה הגיע ל-60%. עם זאת, שיעור הניצול הכולל של משאבי חום פסולת במדינה שלי נמוך, ושיעור ניצול חום הפסולת של מפעלי ברזל ופלדה גדולים הוא כ-30%. ~50%.

יש הרבה מקום לשיפור בשיעור הניצול של משאבי חום תעשייתיים במדינה שלי. קחו את תעשיית המתכות כדוגמה. בשנת 2010, תפוקת הפלדה הגולמית של ארצי הייתה 627 מיליון טון. האנרגיה הכלולה בגז הפליטה שהופק הייתה שווה ערך ל-30 מיליון טון פחם סטנדרטי, וכמות סיגי הפלדה שהופקה הייתה כ-280 מיליון טון, והאנרגיה התרמית המוכלת הייתה שווה ערך ל-10 מיליון טון פחם סטנדרטי. . כיום, שיעור הניצול של חום פסולת גזי הפלדה במפעלי ברזל ופלדה ביתיים הוא כ-30%, ושיעור הניצול של חום פסולת סיגים מברזל ופלדה הוא כמעט אפסי. אם ניתן להגדיל את שיעור ניצול הפסולת של גז הפלדה ל-90% ולהגדיל את שיעור הניצול של פסולת סיגי פלדה ל-60%, ניתן לחסוך 21.6 מיליון טונות של פחם סטנדרטי מדי שנה, הפחתת פליטת CO2 של כ-50 מיליון. טון, וניתן לייצר 3.3 מיליארד קוט"ש של ייצור חשמל.

ניתן לראות כי שחזור חום פסולת הוא דרישה מרכזית של אסטרטגיית האנרגיה של ארצי, עם יתרונות כלכליים בלתי ניתנים למדידה, והיא בעלת משמעות רבה להתפתחות הכלכלית של ארצי, הקידמה החברתית. , וביטחון אנרגיה לאומי. עם זאת, בין אם מדובר באנרגיה סולארית או במשאבי חום פסולת תעשייתיים, ישנן בעיות של לסירוגין וחוסר יציבות, אשר מעכבות באופן רציני את הקידום והיישום של טכנולוגיות קשורות.

צורך דחוף בטכנולוגיית אחסון חום סמוי בטמפרטורה בינונית וגבוהה

השימוש בטכנולוגיית אגירת חום יכול להקל על הסתירה בין אספקת אנרגיה תרמית לביקוש מבחינת זמן, עוצמה ומרחב, ומהווה אמצעי חשוב לפעולה מיטבית של מערכות אנרגיה תרמית. אגירת חום כוללת בעיקר שלוש צורות: אגירת חום נבונה, אגירת חום סמוי ואגירת חום תגובה כימית.

אגירת חום של תגובה כימית עדיין בשלב המחקר הניסיוני בשל המערכת המורכבת שלו, הקושי הטכני ויכולת התפעול הגרועה שלו; למרות שטכנולוגיית אגירת חום הגיונית הייתה בשימוש נרחב, אגירת חום נגרמת על ידי צפיפות אגירת חום נמוכה ליחידת נפח של חומרי אחסון חום הכמות הגדולה של חומרים הופכת את מערכת אגירת החום בעלת הקיבולת הגדולה למסורבלת, מסובכת בתהליך ועלות גבוהה. .

אחסון חום סמוי הוא להשתמש בחום הסמוי המשתחרר או נספג בתהליך שינוי הפאזה של חומר אגירת החום כדי לאגור ולשחרר חום. בהשוואה לטכנולוגיית אגירת חום נבונה, לאחסון חום סמוי יש את היתרון של צפיפות אגירת חום גדולה ליחידת נפח, ויש לו קליטה ושחרור אנרגיה גדולים יותר בטווח טמפרטורת מעבר הפאזה, וטווח טמפרטורת האחסון והשחרור הוא צר, וזה מועיל. לטעון ולשחרר הטמפרטורה של התהליך התרמי יציבה.

על מנת לשפר את יעילות המרת האנרגיה ולהפחית עלויות, טכנולוגיית הניצול התרמי הסולארי נע לעבר טמפרטורות הפעלה גבוהות יותר. טמפרטורת ההפעלה של ייצור חשמל תרמי עלתה על 600 מעלות צלזיוס, והטמפרטורה של כמות גדולה של חום פסולת תעשייתי היא גם גבוהה מאוד (לדוגמה, טמפרטורת גז הפליטה הממיר היא 1600 מעלות צלזיוס. בערך).

כל אלה צריכים בדחיפות לחקור ולפתח טכנולוגיות אחסון חום סמוי בטמפרטורה בינונית וגבוהה. למרות שחוקרים רבים בארץ ובחו"ל ביצעו מחקרים מרמות שונות כגון חומרים ותהליכים במשך זמן רב, עד כה, עדיין אין מערכת אחסון חום סמויה בוגרת בטמפרטורה בינונית וגבוהה הפועלת ביציבות.

לאחר שנים רבות של מחקר מעמיק בתחום זה על ידי יחידות מחקר מקומיות וזרות רבות, בשילוב עם הסטטוס והמגמות הנוכחיות של פיתוח טכנולוגיה מקומית וזרה, מאמינים שטכנולוגיית אגירת החום הסמויה בטמפרטורה בינונית וגבוהה מתמודדת בעיקר עם הדברים הבאים בעיות יוצאות דופן.

ראשית, קיים חוסר בחומרי אחסון חום סמויים בטמפרטורה בינונית וגבוהה בעלי תכונות מקיפות כגון צפיפות אגירת חום גבוהה ומוליכות תרמית חזקה. הבסיס של טכנולוגיית אחסון חום סמוי הוא חומרים לשינוי פאזה. נכון לעכשיו, מחקר על חומרי אחסון חום בטמפרטורה נמוכה (& lt;100°C) המבוססים על שעוות פרפין ומלח hydrated היה נרחב, והוא יושם גם בתחומי הבנייה וההלבשה. עם זאת, עדיין חסרים חומרים לאחסון חום בטמפרטורה בינונית וגבוהה, במיוחד חומרי אחסון חום לשינוי שלב בטמפרטורה גבוהה עם נקודת התכה>600°C.

שנית, חומרי אחסון החום בטמפרטורה בינונית וגבוהה הם בעיקר מלחים וסגסוגות אנאורגניים. מצד אחד, בחירת החומרים המועמדים דורשת הבנה מעמיקה של התרמודינמיקה והמנגנונים הקינטיים של תהליך מעבר הפאזות של החומר. מצד שני, יש צורך לחשוף את השפעת המיקרו-מבנה על התכונות התרמיות של חומרים משני היבטים: העברת חום משופרת ואחסון חום יעיל.

בנוסף, עטיפה של חומרי שינוי פאזה נוזלים-מוצקים והדעיכה של תכונות תרמיות במהלך תהליך השירות הם גם תכנים הכרחיים במחקר של חומרים לשינוי פאזה בטמפרטורה בינונית וגבוהה. לרוב מדובר בבעיית צוואר בקבוק במחקר ופיתוח של חומרים כאלה. חומרי אחסון חום בעלי ביצועים גבוהים לפיתוח

מדענים רבים מבית ומחוץ למדו מתכות כחומרי אחסון חום. בשנת 1980, Birchenall et al. מדדו וניתחו את התכונות התרמופיזיקליות של סגסוגות בינאריות ושלישיות המורכבות מ-Al, Cu, Mg, Si ו-Zn, הנמצאות בשפע על פני כדור הארץ, וגילו שטמפרטורת מעבר הפאזות היא בטווח של 780-850 K ועשירה ב-Si. לסגסוגות של Or Al יש את צפיפות אגירת החום הגבוהה ביותר, ולאחר מכן נחקרו בהרחבה חומרי אחסון חום של אלומיניום וסגסוגת על בסיס סיליקון.

לחומרי מלח אנאורגניים יש מגוון רחב של מקורות, ערכי אנטלפיה גדולים של שינוי פאזה ומחירים מתונים, והם מתאימים במיוחד לשימוש כחומרי אחסון חום לשינוי פאזה בטמפרטורה בינונית וגבוהה. החוקרים חקרו את התכונות התרמופיזיקליות של מלח מותך עם טמפרטורה גבוהה מ-450 ℃, והרחיבו את היישום של מלח אוטקטי אנאורגני בטווח טמפרטורות של 220 ℃ עד 290 ℃ לתחום ייצור חשמל תרמי סולארית, ועברו בדיקות כמו דיפרנציאלי סריקת קלורימטריה. שיטה, נמדדו התכונות התרמופיזיקליות של מלח מותך.

בנוסף, קצב שינוי הנפח של מערכות מלח מותך רבות לפני ואחרי שינוי הפאזה עולה על 10%. קצב שינוי הנפח הגדול יותר מגדיל את החללים במערכת השינוי של שלב המלח המותך, משפיע על קצב אחסון/שחרור החום ומגביר את אגירת החום. קושי התכנון של ציוד המערכת מפחית את יעילות אחסון החום. מסיבה זו, חוקרים חקרו את התאימות של חומרי אחסון חום לשינוי שלב של מלח מותך עם נירוסטה, והתוצאות מראות שלנירוסטה יש השפעה אנטי קורוזיה טובה על רוב המלחים המותכים.

במקביל, ביצועי המחזור של סגסוגת משולשת על בסיס אלומיניום משנים חומרים ותאימות עם מיכלים; התאימות של מלחים מותכים פלואוריד עם קובלט, ניקל ופלדות סגסוגת אלמנט מתכת עקשן; התאימות של ליתיום הידרוקסיד לחומרי סגסוגת מבניים בהיבטים אחרים, מדענים ערכו גם מחקר.

למרות שכמה תוצאות הושגו במחקר של חומרים לאחסון חום בטמפרטורה בינונית וגבוהה, העלות של חומרים לשינוי פאזה של מתכת וסגסוגת גבוהה, וצפיפות אגירת החום ליחידת מסה מוגבלת. בנוסף, הפעילות הכימית של חומרים לשינוי פאזה מסגסוגת מתכת חזקה יותר לאחר שינוי פאזה. , קורוזיה חמורה בטמפרטורה גבוהה מגבילה מאוד את היישום הרחב שלו בתחום אחסון חום בטמפרטורה בינונית וגבוהה.

כחומר אחסון חום לשינוי פאזה, למלח מותך יש אנטלפיה גדולה לשינוי פאזה, צפיפות אחסון חום גבוהה ומחיר בינוני. יש לו פוטנציאל פיתוח גדול בתחום יישומי אחסון חום בטמפרטורה בינונית וגבוהה. עם זאת, למלח מותך יש מוליכות תרמית ירודה ויש לו בעיות קורוזיה רציניות בטמפרטורה גבוהה עם חומרים לשינוי פאזה של סגסוגת מתכת, מה שעדיין מהווה בעיה שמגבילה את היישום שלו בקנה מידה.

לכן, פיתוח חומרי אחסון חום בעלי ביצועים גבוהים ושיטות הכנתם הוא מגמה בלתי נמנעת במחקר של חומרי אחסון חום בטמפרטורה בינונית וגבוהה ודרך בלתי נמנעת לפיתוח טכנולוגיית אגירת חום.

פיזור אנרגיה סולארית, חום פסולת תעשייתי, טווח אנרגיה גדול, והטבע הבלתי רצוף של אנרגיה מתחדשת, כולם דורשים טכנולוגיית אגירת חום בטמפרטורה בינונית וגבוהה.

המחקר של טכנולוגיית אחסון חום בקנה מידה גדול כולל את ההצטלבות של מדעי החומרים, הנדסה כימית, הנדסת מכונות, העברת חום ומסה וזרימה רב-פאזית.

לפיתוח חומרי אחסון חום בטמפרטורה בינונית וגבוהה בעלי ביצועים גבוהים, יש משמעות רבה לתחום אחסון חום בטמפרטורה בינונית וגבוהה, במיוחד ייצור חשמל תרמי סולארי, שחזור חום תעשייתי ותחומים אחרים.