Батарея Карно

Батарея Карно — это тип системы хранения энергии , которая хранит электричество в хранилище тепловой энергии . В процессе зарядки электричество преобразуется в тепло и сохраняется в хранилище тепла. В процессе разрядки накопленное тепло преобразуется обратно в электричество. ^[1]^[2]

Фриц Маргер запатентовал концепцию этой технологии 100 лет назад. ^[3] но его развитие недавно активизировалось, учитывая более широкое использование возобновляемых источников энергии и необходимость увеличения общего объема рекуперируемой энергии, поставляемой из таких источников. В этом контексте Андре Тесс придумал термин «батарея Карно» в 2018 году, перед первым Международным семинаром по батареям Карно. ^[4]

Термин «батарея Карно» произошел от теоремы Карно , описывающей максимальную эффективность преобразования тепловой энергии в механическую . Слово «батарея» указывает на то, что целью этой технологии является сохранение электроэнергии. Разрядная эффективность батарей Карно ограничена эффективностью Карно .

Немецкий аэрокосмический центр (DLR) и Штутгартский университет работают над концепцией батарей Карно, которые сохраняют электроэнергию в высокотемпературных хранилищах тепла с 2014 года. ^[5] использовалось название «батарея Карно» В 2018 году на Ганноверской ярмарке . ^[6] одна из крупнейших в мире выставок, организованная DLR. ^[5]Концепция аккумуляторов Карно охватывает также технологии, разработанные ранее, ^[7] например, насосное хранилище тепловой энергии ^[8]^[9] и накопитель энергии жидкого воздуха .

Фон

При переходе к низкоуглеродным энергетическим системам проникновение переменной возобновляемой энергии в электроэнергетические системы увеличивается, а это также увеличивает потребность в хранении энергии . В настоящее время большая часть новой установленной емкости накопителей энергии приходится на электрохимические батареи , такие как литий-ионные батареи. Этот тип батареи подходит для кратковременного хранения, но может быть неэкономичным при длительном хранении из-за высокой стоимости энергоемкости. ^[7]Накопители тепловой энергии могут хранить энергию в недорогих материалах, таких как вода, камни и соли. Следовательно, стоимость крупномасштабных систем (например, гигаватт-часов) может быть ниже стоимости электрохимических батарей. ^[5]

Приложение 36 по хранению энергии — Carnot Batteries — это рабочая группа в рамках программы энергосбережения и хранения энергии (ECES), которая является частью Программы технологического сотрудничества (TCP) Международного энергетического агентства (МЭА) . ^[10]

Конфигурация системы

Систему аккумуляторов Карно можно разделить на три части: мощность в тепло (P2T), накопление тепловой энергии (TES) и тепло в мощность (T2P).

Электричество в теплотехнологии

Электричество можно преобразовать в тепло с помощью различных технологий. ^[1]

Резистивный нагрев
Тепловые насосы как технология перекачки тепла из резервуара с более низкой температурой в резервуар с более высокой температурой. Его можно разделить на две группы: обратный цикл Ренкина и обратный цикл Брайтона .
- Обратный цикл Ренкина широко используется в традиционных тепловых насосах.
- Идея использования цикла Брайтона для зарядки и разрядки тепловой энергии была предложена профессором Робертом Б. Лафлином в 2017 году. ^[11]
Другое: В системах хранения энергии в жидком воздухе цикл Клода используется для сжижения воздуха. Процесс Ламма-Хонигмана использует термохимические циклы для преобразования энергии в тепло. ^[12]

Хранение тепловой энергии

В зависимости от механизма хранения тепла накопление тепловой энергии можно разделить на три типа: явное сохранение тепла, скрытое хранение тепла и термохимическое хранение. Для хранения батарей Carnot использовались следующие материалы:

Горячая вода
Расплавленная соль
Уплотненные породы
Жидкий воздух
Скрытое тепло, накопление тепловой энергии ^[13]
Термохимические материалы (химические пары), такие как LiBr/H ₂ O и H ₂ O/NH _3.^[12]

Тепло в электричество

Тепло можно преобразовать в энергию посредством термодинамических циклов, таких как цикл Ренкина или цикл Брайтона. Некоторые технологии используют свойство полупроводниковых материалов преобразовывать тепло в электричество, и они не считаются батареей Карно, поскольку в процессе преобразования не участвуют термодинамические циклы, такие как термоэлектрические материалы и «Солнце в ящике». ^[14] Типичные технологии:

Тепловые двигатели
Паровые турбины
Газовые турбины ^[15]
Органические машины с циклом Ренкина
Процесс Ламма-Хонигмана может преобразовывать энергию, накопленную в термохимическом хранилище, в электричество. ^[12]

Преимущества и недостатки

Батарея Карно была известна под несколькими другими названиями, такими как «Накачиваемый аккумулятор тепловой электроэнергии» (PTES) или «Накачиваемый аккумулятор тепловой электроэнергии» (PHES).Эта относительно новая технология стала одной из наиболее многообещающих технологий крупномасштабного хранения энергии.

Основными преимуществами батареи Карно являются: ^[16]

Свободный выбор площадки;
Малый экологический след;
Продолжительность жизни 20–30 лет;
Дополнительная недорогая резервная емкость;
Компоненты малоиспользуемой электростанции, работающей на ископаемом топливе, можно частично повторно использовать для создания аккумуляторной батареи Карно;

Основным недостатком этой технологии является: ^[17]

Ограниченная эффективность обратного хода 𝜂𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑, которая связывает электричество 𝑾𝒅𝒊𝒔, подаваемое во время разряда, с электричеством 𝑾𝒄𝒉𝒂𝒓, необходимым для зарядки системы. Батареи Карно обычно стремятся к КПД 40–70%, что значительно ниже, чем у гидроаккумулирующих электростанций (65–85%). ^[18]

Приложение

Батареи Карно можно использовать в качестве накопителя энергии в сети для хранения избыточной энергии из переменных возобновляемых источников энергии и для производства электроэнергии при необходимости.

Некоторые аккумуляторные системы Карно могут использовать накопленное тепло или холод для других целей, таких как централизованное отопление и охлаждение центров обработки данных .

Батареи Карно были предложены в качестве решения для преобразования существующих угольных электростанций в систему генерации без ископаемого топлива путем замены угольного котла. ^[19]^[20] Могут быть использованы существующие мощности электростанций, такие как системы выработки электроэнергии и системы передачи.

Список проектов батарей Карно

Хотя термин «батарея Карно» является новым, многие существующие технологии можно отнести к батареям Карно. ^[7]

Хранение энергии в жидком воздухе: Highview Power , Университет Бирмингема.
Насосное хранилище тепловой энергии: Malta Inc. , Даремский университет.
Хранение электрической тепловой энергии: Siemens Gamesa , Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии.
Реверсивный тепловой насос / ORC: Льежский университет ^[21]
Энергетическое хранилище Ламма-Хонигмана: Берлинский технический университет ^[22]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Дюмон, Оливье; Фрерате, Гвидо Франческо; Пиллаи, Адитья; Лекомпт, Стивен; Де Папе, Мишель; Леморт, Винсент (2020). «Батарейная технология Карно: современный обзор». Журнал хранения энергии . 32 : 101756. дои : 10.1016/j.est.2020.101756 . hdl : 2268/251473 . ISSN 2352-152X . S2CID 225019981 .
^ «Приложение 36 МЭА по хранению энергии - Батареи Карно» . Программа технологического сотрудничества по хранению энергии, Международное энергетическое агентство . Проверено 28 октября 2020 г.
^ Маргер Ф., «О новом процессе хранения электрической энергии. Сообщения Ассоциации электроэнергетических компаний 1924;354(55):27e35.
^ «Международный семинар по батареям Карно» .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с «Батареи Карно: недорогое и независимое от местоположения хранилище энергии в диапазоне гигаватт-часов» . Немецкий аэрокосмический центр (DLR). 2018.
^ «HANNOVER MESSE (промышленные ярмарки), 23-27 апреля 2018 г.» .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Джош Мактиг (4 декабря 2019 г.). « Батареи Карно для хранения электроэнергии» (PDF) . Проверено 29 октября 2020 г.
^ «Батарейное хранилище энергии Карно: более экономичное и гибкое решение для хранения энергии в масштабе сети» . События Рашлайт. 30 января 2019 года . Проверено 29 октября 2020 г.
^ Штайнманн, Вольф-Дитер; Йокенхёфер, Хеннинг; Бауэр, Дэн (2019). «Термодинамический анализ концепций высокотемпературных батарей Карно» . Энергетические технологии . 8 (3): 1900895. doi : 10.1002/ente.201900895 . ISSN 2194-4288 .
^ «Преобразование и хранение энергии (ECES)» . Проверено 28 октября 2020 г.
^ Лафлин, Роберт Б. (2017). «Насосная тепловая сеть с теплообменом» . Журнал возобновляемой и устойчивой энергетики . 9 (4): 044103. дои : 10.1063/1.4994054 . ISSN 1941-7012 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Тиле, Элизабет; Янке, Анна; Зиглер, Феликс (2020). «Эффективность термохимического накопителя энергии Ламма – Хонигмана». Тепловая наука и инженерный прогресс . 19 :100606.doi : 10.1016 / ж.цепь.2020.100606 . ISSN 2451-9049 . S2CID 225010799 .
^ «Первая в мире батарея Карно сохраняет электричество в виде тепла» . Немецкая инициатива энергетических решений. 20 сентября 2020 г. Проверено 29 октября 2020 г.
^ Дженнифер Чу (5 декабря 2018 г.). « Солнце в коробке» будет хранить возобновляемую энергию для сети» . Пресс-служба Массачусетского технологического института . Проверено 30 октября 2020 г. .
^ О боже, Феликс! Текстор, Мишель; Лехнер, Стефан (01 декабря 2021 г.). «Концепции когенерации газовых турбин для безнапорной разгрузки высокотемпературных накопителей тепловой энергии» . Журнал хранения энергии . 44 : 103283. doi : 10.1016/j.est.2021.103283 . ISSN 2352-152X . S2CID 241770227 .
^ В.-Д. Штайнманн, Д. Бауэр, Х. Йокенхёфер и М. Джонсон, «Накачиваемое хранилище тепловой энергии (PTES) как интеллектуальная технология объединения секторов для производства тепла и электроэнергии», Energy, vol. 183, с. 185–190, сент. 2019, doi: 10.1016/j.energy.2019.06.058.
^ WD Steinmann, «Концепция CHEST (хранилища сжатой тепловой энергии) для хранения термомеханической энергии в масштабе предприятия», Energy, vol. 69, с. 543‑552, май 2014 г., doi: 10.1016/j.energy.2014.03.049.
^ А. Коэн и П.Ф. Антунес, «Как можно использовать тепло для хранения возобновляемой энергии», «Разговор». http://theconversation.com/how-heat-can-be-used-to-store-renewable-energy-130549 (см. 27 февраля 2020 г.).
^ Сьюзан Кремер (16 апреля 2019 г.). «Создание батарей Карно с использованием накопителя тепловой энергии из расплавленной соли на бывших угольных электростанциях» . СоларПАСЕС.
^ «Вебинар по аккумуляторам Carnot» (PDF) . Аналитика АТА. Апрель 2019 года . Проверено 29 октября 2020 г.
^ Оливье Дюмон; Винсент Леморт (сентябрь 2020 г.). «Первые экспериментальные результаты термически интегрированной батареи Карно с использованием обратимого теплового насоса / органического цикла Ренкина» . Конференция: 2-й международный семинар по аккумуляторам Carnot 2020 . Проверено 29 октября 2020 г.
^ «сайт проекта» . ТУ Берлин. Архивировано из оригинала 15 апреля 2021 года . Проверено 15 апреля 2021 г.

Внешние ссылки

[DumontFrate2020-1] Перейти обратно: ^а ^б Дюмон, Оливье; Фрерате, Гвидо Франческо; Пиллаи, Адитья; Лекомпт, Стивен; Де Папе, Мишель; Леморт, Винсент (2020). «Батарейная технология Карно: современный обзор». Журнал хранения энергии . 32 : 101756. дои : 10.1016/j.est.2020.101756 . hdl : 2268/251473 . ISSN 2352-152X . S2CID 225019981 .

[annex36-2] «Приложение 36 МЭА по хранению энергии - Батареи Карно» . Программа технологического сотрудничества по хранению энергии, Международное энергетическое агентство . Проверено 28 октября 2020 г.

[3] Маргер Ф., «О новом процессе хранения электрической энергии. Сообщения Ассоциации электроэнергетических компаний 1924;354(55):27e35.

[4] «Международный семинар по батареям Карно» .

[DLR2018-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с «Батареи Карно: недорогое и независимое от местоположения хранилище энергии в диапазоне гигаватт-часов» . Немецкий аэрокосмический центр (DLR). 2018.

[HM2018-6] «HANNOVER MESSE (промышленные ярмарки), 23-27 апреля 2018 г.» .

[NREL2019-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с Джош Мактиг (4 декабря 2019 г.). « Батареи Карно для хранения электроэнергии» (PDF) . Проверено 29 октября 2020 г.

[Newcastle2019-8] «Батарейное хранилище энергии Карно: более экономичное и гибкое решение для хранения энергии в масштабе сети» . События Рашлайт. 30 января 2019 года . Проверено 29 октября 2020 г.

[SteinmannJockenhöfer2019-9] Штайнманн, Вольф-Дитер; Йокенхёфер, Хеннинг; Бауэр, Дэн (2019). «Термодинамический анализ концепций высокотемпературных батарей Карно» . Энергетические технологии . 8 (3): 1900895. doi : 10.1002/ente.201900895 . ISSN 2194-4288 .

[iea-eces-10] «Преобразование и хранение энергии (ECES)» . Проверено 28 октября 2020 г.

[Laughlin2017-11] Лафлин, Роберт Б. (2017). «Насосная тепловая сеть с теплообменом» . Журнал возобновляемой и устойчивой энергетики . 9 (4): 044103. дои : 10.1063/1.4994054 . ISSN 1941-7012 .

[ThieleJahnke2020-12] Перейти обратно: ^а ^б ^с Тиле, Элизабет; Янке, Анна; Зиглер, Феликс (2020). «Эффективность термохимического накопителя энергии Ламма – Хонигмана». Тепловая наука и инженерный прогресс . 19 :100606.doi : 10.1016 / ж.цепь.2020.100606 . ISSN 2451-9049 . S2CID 225010799 .

[DLR2020-13] «Первая в мире батарея Карно сохраняет электричество в виде тепла» . Немецкая инициатива энергетических решений. 20 сентября 2020 г. Проверено 29 октября 2020 г.

[SunBox-14] Дженнифер Чу (5 декабря 2018 г.). « Солнце в коробке» будет хранить возобновляемую энергию для сети» . Пресс-служба Массачусетского технологического института . Проверено 30 октября 2020 г. .

[15] О боже, Феликс! Текстор, Мишель; Лехнер, Стефан (01 декабря 2021 г.). «Концепции когенерации газовых турбин для безнапорной разгрузки высокотемпературных накопителей тепловой энергии» . Журнал хранения энергии . 44 : 103283. doi : 10.1016/j.est.2021.103283 . ISSN 2352-152X . S2CID 241770227 .

[16] В.-Д. Штайнманн, Д. Бауэр, Х. Йокенхёфер и М. Джонсон, «Накачиваемое хранилище тепловой энергии (PTES) как интеллектуальная технология объединения секторов для производства тепла и электроэнергии», Energy, vol. 183, с. 185–190, сент. 2019, doi: 10.1016/j.energy.2019.06.058.

[17] WD Steinmann, «Концепция CHEST (хранилища сжатой тепловой энергии) для хранения термомеханической энергии в масштабе предприятия», Energy, vol. 69, с. 543‑552, май 2014 г., doi: 10.1016/j.energy.2014.03.049.

[18] А. Коэн и П.Ф. Антунес, «Как можно использовать тепло для хранения возобновляемой энергии», «Разговор». http://theconversation.com/how-heat-can-be-used-to-store-renewable-energy-130549 (см. 27 февраля 2020 г.).

[Kraemer2019-19] Сьюзан Кремер (16 апреля 2019 г.). «Создание батарей Карно с использованием накопителя тепловой энергии из расплавленной соли на бывших угольных электростанциях» . СоларПАСЕС.

[ATA2019-20] «Вебинар по аккумуляторам Carnot» (PDF) . Аналитика АТА. Апрель 2019 года . Проверено 29 октября 2020 г.

[Dumont2020-21] Оливье Дюмон; Винсент Леморт (сентябрь 2020 г.). «Первые экспериментальные результаты термически интегрированной батареи Карно с использованием обратимого теплового насоса / органического цикла Ренкина» . Конференция: 2-й международный семинар по аккумуляторам Carnot 2020 . Проверено 29 октября 2020 г.

[22] «сайт проекта» . ТУ Берлин. Архивировано из оригинала 15 апреля 2021 года . Проверено 15 апреля 2021 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]