Несколько стартапов считают, что тепловые аккумуляторы из обычных кирпичей могут стать ключом к декарбонизации крупнейших загрязнителей планеты.
Отрасли, производящие всё — от стали до детского питания, — требуют колоссального количества тепла. Сегодня оно поступает в основном за счет сжигания ископаемого топлива, такого как природный газ. Тяжелая промышленность ответственна примерно за четверть мировых выбросов, а альтернативные источники энергии, производящие меньше парниковых газов (например, ветер и солнце), не могут обеспечить стабильный нагрев, необходимый заводам для производства продукции.
На сцену выходят тепловые батареи. Растущее число компаний разрабатывает системы, способные аккумулировать тепло, генерируемое чистой электроэнергией, и сохранять его в стопках кирпичей до момента необходимости. Многие из этих систем используют простые конструкции и коммерчески доступные материалы, что позволяет быстро развернуть их в любом нужном месте. Демонстрационная установка уже запущена в Калифорнии в этом году, другие тестовые системы следуют по пятам. Хотя они находятся на ранних стадиях, системы теплового хранения потенциально могут помочь промышленности отказаться от ископаемого топлива.
Тостер будущего
Ключ к успеху тепловых батарей — их простота. «Если вы хотите достичь гигантского масштаба, все должны согласиться, что это скучное и надежное решение», — говорит Джон О’Доннелл, генеральный директор калифорнийского стартапа по хранению тепла Rondo Energy.
Стартап запустил свой первый коммерческий пилотный проект в марте на этаноловом заводе в Калифорнии. По сути, это тщательно спроектированная стопка кирпичей.
В системе Rondo электричество проходит через нагревательный элемент, где преобразуется в тепло. О’Доннелл отмечает, что это тот же механизм, который использует тостер — только гораздо больше и горячее. Тепло затем пронизывает стопку кирпичей, нагревая их до температур, достигающих 1500 °C (2700 °F).
Изолированный стальной контейнер, вмещающий кирпичи, может сохранять их горячими в течение нескольких часов или даже дней. Когда наступает время использовать накопленное тепло, вентиляторы продувают воздух через кирпичи. Проходя через зазоры, воздух может достигать температуры до 1000 °C (1800 °F).
То, как именно будет использоваться конечное тепло, зависит от технологического процесса, говорит О’Доннелл, хотя многие предприятия, вероятно, будут использовать его для преобразования воды в пар высокого давления.
На пилотном проекте Rondo на заводе по производству биотоплива в Калифорнии пар используется в процессе ферментации, необходимом для производства этанола. Многие другие промышленные процессы требуют пара для регулирования температуры в реакторах или на других этапах, таких как очистка.
Тепловые батареи могут быть специально адаптированы для высокотемпературных процессов, где пар сейчас не используется, например, в производстве цемента и стали, требующих температур выше 1000 °C.
Многие промышленные процессы работают круглосуточно, поэтому им требуется постоянный нагрев. Тщательно контролируя теплопередачу, система Rondo может быстро заряжаться, используя короткие периоды, когда электричество дешево благодаря доступности возобновляемых источников. Тепловым батареям стартапа, вероятно, потребуется около четырех часов зарядки, чтобы обеспечить тепло в режиме 24/7.
«Чудовищное» количество тепла
Одной из главных проблем для технологий теплового хранения станет необходимость строительства достаточного количества систем для удовлетворения огромного спроса тяжелой промышленности. Сектор потребляет «чудовищное» количество тепла, отмечает Ребекка Делл, старший директор по промышленности в ClimateWorks. Из всей энергии, потребляемой в промышленности ежегодно, около трех четвертей приходится на тепло, и только четверть — на электричество. Промышленное тепло составляет около 20% общего мирового спроса на энергию.
Ископаемое топливо долгое время было очевидным и наиболее экономичным способом обеспечения этих массовых промышленных процессов, но за последние десятилетия цены на ветровую и солнечную энергию упали более чем на 90%. Делл считает, что это открыло путь для более широкого использования электричества в промышленности.
«Мы переживаем великолепный момент, когда мы можем перестать сжигать что-либо для нашего тепла и при этом экономить», — говорит О’Доннелл.
Существуют и другие потенциальные варианты использования дешевой возобновляемой энергии в промышленности. Некоторые предприятия могут быть перенастроены на прямое использование электричества вместо высокотемпературного нагрева. Компании работают над электрохимическими процессами для производства цемента и стали, например, хотя замена всей инфраструктуры на существующих заводах может занять десятилетия. Использование электричества для генерации водорода, который затем можно сжигать для получения тепла, — еще один возможный путь, хотя во многих случаях он остается слишком дорогим и неэффективным.
Любые усилия по удовлетворению массового спроса на тепло в промышленности потребуют драматического расширения производства электроэнергии. Стандартный цементный завод потребляет около 250 мегаватт энергии, в основном в виде тепла, постоянно, отмечает Делл. Это эквивалентно потреблению 250 000 жителей; таким образом, электрификация крупного промышленного объекта будет означать добавление нагрузки, эквивалентной небольшой городской агломерации.
Один кирпич за раз
Rondo не одинока в своем стремлении внедрять тепловые батареи в промышленности. Antora Energy, также базирующаяся в Калифорнии, строит системы хранения тепла, используя углерод. «Всё очень просто — это буквально твердые блоки», — говорит соучредитель и технический директор Джастин Бриггс.
Вместо использования отдельного нагревательного элемента (как «тостерная спираль» у Rondo), система Antora будет использовать углеродные блоки в качестве резистивного нагревателя, таким образом генерируя и сохраняя тепло одновременно. Это может снизить затраты и сложность, объясняет Бриггс. Однако этот выбор потребует тщательной герметизации системы, поскольку графит и другие формы углерода могут разрушаться при высоких температурах на воздухе.
Вместо того чтобы просто поставлять тепло для промышленности, Antora планирует предложить опцию генерации и электричества. Подход стартапа основан на термофотовольтаике — устройствах, аналогичных солнечным панелям, улавливающим энергию солнца. Оборудование Antora вместо этого улавливает тепловую энергию, излучаемую нагретыми блоками, и преобразует ее в электричество.
В то время как системы преобразования тепла в тепло могут достигать эффективности более 90%, преобразование тепла в электричество намного сложнее. Устройства Antora будут менее чем на 50% эффективны при использовании для выработки электричества, что сопоставимо с показателями многих современных газовых турбин.
В настоящее время Antora строит свою первую пилотную систему во Фресно, Калифорния. Система будет размером с транспортный контейнер и должна начать работу позднее в этом году.
Даже при использовании коммерчески доступных материалов, потребуется время, чтобы системы теплового хранения доказали свою надежность производителям и смогли существенно сократить промышленные выбросы. Но эта технология может стать одним из строительных блоков нового, климатически дружественного промышленного сектора. «У нас есть все необходимые инструменты для перехода к безуглеродной экономике», — заключает О’Доннелл. Теперь пора их строить.
