Тепло в промисловості становить близько 20% загального світового попиту на енергію
Так звані теплові батареї можуть допомогти скоротити викиди, забезпечивши нові шляхи отримання відновлювальної енергії. Кілька американських стартапів вважають, що зокрема цеглини, які здатні зберігати тепло, можуть стати ключем для ефективного використання енергії в низці промислових процесів виробництва продукції, що є одними з найбільших джерел забруднення навколишнього середовища.
Про це йдеться в статті видання MIT Technology Review.
Галузі промисловості, що виробляють різноманітну продукцію, потребують багато енергії, більшість якої виробляється за рахунок спалювання викопного палива, наприклад, природного газу. Промисловість створює приблизно чверть світових викидів. А альтернативні джерела енергії, які виробляють менше парникових газів (наприклад, вітер і сонячна батарея), не можуть стабільно генерувати достатню кількість, необхідну заводам для виробництва товарів.
Тому все більше компаній працюють над розробкою систем, які можуть уловлювати тепло, вироблене чистою електроенергією, і зберігати його для подальшого використання в цегляних блоках. Фактично мова йде про створення акумуляторів. У багатьох з таких систем використовують прості конструкції та комерційно доступні матеріали, і їх можна швидко побудувати там де вони потрібні.
Пілотне випробування однієї з подібних систем почалася в Каліфорнії (США) на початку 2023 року. На більш ранніх стадіях розробки технологій перебуває ще декілька стартапів.
За словами Джона О’Доннелла, генерального директора каліфорнійського стартапу Rondo Energy, що займається накопиченням тепла, одним із ключів дод потенційного успіху теплових батарей повинна бути їхня простота. Цей стартап запустив свою першу систему у березні цього року на одному з виробництв етанолу в Каліфорнії. Конструкція складається з ретельно зібраних у стопки цеглин. У системі від Rondo Energy електрика проходить через нагрівальний елемент, де перетворюється на тепло. Тепло випромінюється крізь стопку цегли, нагріваючи її до температури, яка може досягати понад 1500 °C.
Джон О’Доннелл каже, що це той самий механізм, який використовували в звичайному тостері, але набагато більший і з високою температурою.
Ізольований сталевий контейнер, у якому розміщені цеглини, може тримати їх гарячими годинами або навіть днями. Коли потрібно використати вироблене тепло, вентилятори продувають повітря крізь цеглини. Повітря може досягати температури до 1000 °C, коли воно проходить через щілини гарячих цеглин.
За словами Джона О’Доннелла, те, як буде використано тепло, залежатиме від комерційного процесу, хоча багато підприємств, ймовірно, використовуватимуть його для перетворення води на пару під високим тиском.
Зокрема, у пілотному проєкті Rondo Energy, на заводі з виробництва біопалива в Каліфорнії під час синтезу етанолу (бродіння) використовують пар для контролю температури. Таким чином вона застосовується і в багатьох інших промислових процесах.
Теплові акумулятори також можуть бути спеціально розроблені для високотемпературних процесів, які не використовують пару. Наприклад, у виробництві цементі або сталі, для якого потрібна температура понад 1000 °C.
Багато промислових процесів працюють цілодобово, постійно потребуючи енергії. У свою чергу, контролюючи передачу тепла, система Rondo Energy може швидко заряджатися в ті короткі періоди, коли електроенергія дешевше – тобто, коли на максимум працюють відновлювальні джерела (сонце, вітер). Теплові батареї стартапу, ймовірно, потребуватимуть близько чотирьох годин зарядки, щоб мати можливість постійно забезпечувати тепло вдень і вночі.
Як зазначається для реалізації таких ідей знадобиться велика кількість систем саме для важкої промисловості. За даними експертів, цей сектор використовує надзвичайно велику кількість тепла: з усієї енергії, що щорічно використовується в промисловості, приблизно 3/4 є у формі тепла, тоді як лише 1/4 є електрикою. Всього промислове тепло становить близько 20% загального світового попиту на енергію. Наприклад, стандартний цементний завод постійно споживає близько 250 мегават енергії, в основному у формі тепла. Що еквівалентно потребам близько 250 тис. жителів (попит невеликого міста).
Довгі роки генерація тепла спалюванням викопного палива було очевидним і найбільш економічним способом живлення масивних промислових процесів. Але за останні кілька десятиліть ціни на вітрову та сонячну енергію впали більш, ніж на 90%. Це відкрило двері для того, щоб електроенергія відігравала більшу роль у промисловості.
Тому науковці та бізнес шукають різні потенційні варіанти як використати дешеву відновлювальну енергію в промисловості. Низку виробництв взагалі можна налаштувати на безпосереднє використання електроенергії, замість теплової енергії.
Наприклад, компанії працюють над розробкою та впровадженням електрохімічних процесів у виробництво цементу та сталі. Але заміна всієї інфраструктури при використанні таких технологій на існуючих заводах може зайняти десятиліття.
Ще один з потенційних шляхів оптимізації використання відновлювальних джерел електроенергії – виробництво з неї водню, який потім спалюється для отримання теплової енергії. Але в багатьох випадках цей спосіб поки дорогий і тому неефективний.
У цьому контексті ще один перспективний стартап, який будує системи зберігання тепла, – є компанія Antora Energy, що базується в Каліфорнії. Технологія розроблена на основі використання суцільних блоків з вуглецю.
Як писалось вище, в системі Rondo Energy застосовується окремий класичний нагрівальний елемент-змійовик, який перетворю електрику на тепло. Antora Energy у якості резистентного нагрівача використовує вуглецеві блоки, які одночасно і генерують, і зберігають тепло.
Співзасновник і головний директор компанії Джастін Бріггс стверджує, що такий підхід може скоротити витрати на створення системи та спростити її. Але одночасно це означає, що конструкцію потрібно ретельно ізолювати, оскільки графіт та інші форми вуглецю можуть розкладатися при високих температурах у повітрі.
Antora Energy планує наряду з постачанням тепла, також постачати електроенергію. Стартап базується на використанні термофотоелектричних пристроїв, схожих на сонячні батареї, які отримують енергію від сонця. Крім того, планується, що обладнання Antora Energy буде здатне вловлювати та перетворювати в електрику теплову енергію, яку випромінюють ті чи інші гарячі блоки.
Але як зазначають експерти, пристрої Antora, якщо використовувати їх для генерації електроенергії, матимуть менше, ніж 50% ефективності у порівнянні з традиційними газовими турбінами. А от системи зберігання тепла для передачі саме теплової енергії можуть мати 90% ефективності.
Наразі компанія Antora Energy створює свою першу систему в Каліфорнії. Її розмір буде приблизно з вантажний контейнер. Старт пілотного проєкту планується до кінця цього року.
