Термално съхранение на енергия

Термалните соларни системи може да изглеждат като технология от миналото, но днес те се завръщат с нова сила. Все по-често към тях се гледа като към едно от най-перспективните решения в прехода към възобновяема енергия, благодарение на способността им едновременно да генерират и да съхраняват енергия. Докато светът ускорено се насочва към използването на чисти енергийни източници, преходът се оказва по-сложен от очакваното. Съществуващата енергийна система е изградена около централи, които се управляват ръчно и работят предвидимо, докато възобновяемите източници зависят от природни условия и са по-малко предсказуеми.

С времето се утвърди разбирането, че енергията от слънце и вятър трябва да бъде съхранявана, за да може да се използва при необходимост. Именно това съхранение се очертава като критично предизвикателство. В енергийна система без въглища и природен газ ще бъде необходимо дългосрочно и надеждно решение за електрозахранване. Термалните соларни системи с разтопена сол (Concentrated Solar Power – CSP) предлагат обещаваща алтернатива. Те не само осигуряват стабилност на мрежата чрез дългосрочно съхранение, но и предоставят топлинна енергия за индустриални нужди.

Текст: списание Енергия

Методи за съхранение на енергия

В световен мащаб днес се внедряват множество системи за съхранение на енергия, най-често под формата на литиево-йонни батерии от комунален клас – мащабни акумулаторни масиви, изградени по същата технология, която захранва домашни уреди като звънци и фенерчета. 

На много места функционират и т.нар. водни батерии – помпено-акумулиращи водноелектрически централи (ПАВЕЦ). При тях излишната електроенергия се използва за изпомпване на вода от по-ниско разположен водоем към по-висок язовир. Когато търсенето надвиши предлагането, водата се връща обратно, преминава през турбини и произвежда ток.

Съществува и „сухоземна“ версия на ПАВЕЦ, при която вместо вода се използва система от тежести, издигани от механичен механизъм, задвижван от излишната електроенергия. Едно от най-креативните ѝ приложения включва повторно използване на изоставени вертикални минни шахти. През последните години се наблюдава ускорено развитие и на технологии за съхранение чрез водород, които също обещават значителен потенциал. Въпреки това, съществуващите решения остават ограничени в мащаба на необходимото съхранение, нужно за пълно преминаване към възобновяеми източници и елиминиране на изкопаемите горива. Именно тук термалните соларни системи се очертават като ключова възможност.

Повечето съществуващи технологии за съхранение на енергия имат своите присъщи ограничения. Батериите, например, са ефективни при краткотрайно съхранение – от няколко минути до няколко часа. Но при необходимост от покриване на по-дълги интервали – например 8 до 12 часа – ще са необходими огромни масиви от батерии, което води до сериозни разходи.

ПАВЕЦ инсталациите също изискват значителни инвестиции и не могат да бъдат реализирани навсякъде – географските особености често не позволяват изграждането на подходящи язовири и свързващи ги водни пътища. Производството и съхранението на водород все още са в начален етап на развитие, а гравитационните системи с тежести остават икономически изгодни само в специфични случаи – например при използване на изоставени минни шахти.

На този фон концентрираната слънчева топлинна енергия (CSP) се откроява като икономически жизнеспособно решение за дългосрочно съхранение в мащаб. Освен стабилността и предвидимостта, тя предлага и допълнителни предимства, които я превръщат във все по-привлекателна технология за бъдещето.

Слънчеви термални системи

Енергийните оператори в различни части на света вече анализират нуждите от съхранение на електроенергия с цел гарантиране на мрежовата стабилност. Според тези анализи, съхранението в интервала от 4 до 12 часа е определено като „най-належащата необходимост в мащаб на електропреносната мрежа за следващото десетилетие“. Това е ключово за управлението на все по-отчетливите дневни колебания в производството на слънчева и вятърна енергия, както и за отговаряне на динамичното потребление.

Именно тук концентрираната слънчева топлинна енергия (CSP) предлага ефективно решение. Технологията позволява едновременно генериране и съхранение на енергия за използване в пикови или извънпикови часове. При CSP се използват множество огледала, които концентрират слънчевата светлина върху малка площ. В единия вариант това са редици от параболични огледала, насочващи лъчите към тръба, разположена по тяхната дължина. В друг, по-модерен вариант, огледалата са подредени концентрично около централна кула и фокусират лъчението върху един топлинен абсорбер в нейната горна част.

Концентрираната топлина се абсорбира от работен флуид – най-често разтопена сол – който притежава висока топлоемкост и стабилност. Загрятият до няколкостотин градуса разтвор се съхранява в изолирани резервоари и може да бъде използван по всяко време за производство на пара, необходима за индустриални процеси или за генериране на електроенергия. Парата задвижва традиционни парни турбини – технология, добре позната от въглищните централи, с доказана надеждност и предвидимост в работата.

Това сходство е от особено значение – CSP позволява запазване на критични мрежови услуги като контрол на честотата и поддържане на базово електроснабдяване. В случай на отказ от въглищни мощности, концентрираната слънчева топлина се явява единствената ВЕИ технология, способна да осигури същата степен на системна стабилност чрез използване на вече изпитани индустриални решения.

Използването на топлинни процеси за производство на енергия не е новост – горим въглища и природен газ в електроцентралите, бензин и дизел в транспортния сектор, както и кокс в тежката индустрия. От тази гледна точка CSP представлява логично и естествено продължение на утвърдената енергийна логика, но в устойчив и нисковъглероден формат.

Ценовите прогнози за енергия и горива се различават в зависимост от региона, но в много части на света CSP вече се очертава като по-конкурентна в сравнение с други дългосрочни системи за съхранение. Най-вероятно само краткотрайното съхранение ще остане в домейна на литиево-йонните батерии – за интервали до 2–4 часа, където те все още са най-рентабилни.

Генерация и съхранение 24/7

При добро инженерно проектиране системите за концентрирана слънчева енергия (CSP) могат да осигуряват непрекъсната работа до 24 часа в денонощието. Това се дължи на способността на разтопената сол – основният топлоносител в инсталациите – да акумулира и задържа значителни количества топлинна енергия. При нагряване до няколкостотин градуса по Целзий, тя създава термален резерв, който позволява производство на пара дори след залез слънце.

Горещата сол продължава да циркулира през топлообменниците и да загрява вода до пара, необходима за захранване на турбини или за промишлени процеси. В зависимост от химичния състав на работната течност, високата температура може да се задържи в продължение на часове, което осигурява непрекъснато подаване на електроенергия или процесна топлина – по заявка, 24 часа в денонощието.

Реализирани CSP проекти в страни като Китай, Испания, Съединените щати, Чили, Мароко и Обединените арабски емирства вече демонстрират капацитет за съхранение, надхвърлящ 10 часа. Това позволява ефективно производство на възобновяема енергия не само през деня, но и нощем – превръщайки соларните термални централи в реални 24/7 източници на чиста енергия.

Висока енергийна ефективност

Енергийната ефективност е сред ключовите предимства на системите за концентрирана слънчева енергия (CSP). Този показател, определящ колко ефективно една електроцентрала преобразува енергията на източника в електричество, при CSP зависи от няколко взаимосвързани фактора – отражателната способност на огледалата, температурата, която достига топлоносителят, и големината на улавящата зона. В съвременните действащи CSP инсталации ефективността варира между 20% и 40%. Това е сравнимо, а в някои случаи и по-високо, от ефективността на фотоволтаичните системи – другият основен метод за преобразуване на слънчева енергия в електричество – при които стойностите за комерсиални приложения обикновено са в диапазона от 18% до 26%.

Допълнително, ефективността на CSP е напълно конкурентна с тази на въглищните и ядрените електроцентрали, чиято енергийна ефективност е около 35%. Въпреки това, комбинираните газови цикли – които използват природен газ – все още постигат по-високи стойности, благодарение на специфичната термодинамична конфигурация на технологията.

Гъвкавост

Бързото развитие на вятърната и фотоволтаичната енергия изведе на преден план необходимостта от възобновяеми технологии, които да осигуряват по-голяма гъвкавост в управлението на електроенергийните системи. Причината е ясна: вятърът и слънчевата радиация са по природа променливи и трудни за прогнозиране, което води до периодични колебания в производството на електроенергия. За да се запази стабилността на мрежата, тези колебания трябва да се управляват в реално време. Именно тук CSP със съхранение на топлинна енергия предлага ефективно решение. Технологията позволява натрупване на слънчева енергия и бързото ѝ преобразуване в електричество при нужда, като така компенсира спада в производството на други възобновяеми източници. Типичен пример е намаляването на продукцията от фотоволтаични системи в късния следобед – тогава CSP продължава да поддържа подаването към мрежата, покривайки растящото вечерно търсене.

Но тази гъвкавост действа и в обратната посока. При високо дневно производство от фотоволтаици и наличие на излишък, CSP може временно да спре да генерира електричество и вместо това да акумулира топлинна енергия. Съхранената енергия впоследствие се използва в по-късните часове или нощем – когато е необходима. Така CSP и фотоволтаичната енергия действат в синергия, взаимно се допълват и създават по-устойчиво и адаптивно електроснабдяване.

Цена на енергията

Един от основните фактори, ограничаващи широкото разпространение на CSP технологиите към момента, остава високата цена на произведената електроенергия. Въпреки това, дългосрочните тенденции сочат устойчива посока на намаляване на разходите. От 2007 г. насам цената на електроенергията от CSP постепенно спада, а очакванията са тази тенденция да се запази, особено при увеличаване на внедряването в световен мащаб.

Новите поколения CSP централи ще се възползват от оптимизирани технологични решения, икономии от мащаба и по-ефективни процеси както при изграждането, така и при експлоатацията. Всичко това ще допринася за допълнително понижаване на себестойността на произведената енергия.
Подобна трансформация вече беше наблюдавана при фотоволтаичната технология. В началото PV системите също бяха скъпи и ограничено приложими, но с навлизането им на пазара, цените спаднаха драстично, достигайки нива, които ги направиха по-изгодни от въглищната енергия. Аналогична промяна е напълно реалистична и за термалната соларна енергия, която постепенно навлиза в етап на зряло развитие и икономическа устойчивост.

Разтопената сол

Съставът на работния флуид – разтопената сол – е сред основните технологични предизвикателства при развитието на CSP системите. Смеси от хлоридни соли, като магнезиев, калиев и натриев хлорид (MgCl₂ / KCl / NaCl), с температура на топене около 380°C, се разглеждат като едни от най-обещаващите материали за съхранение на топлинна енергия. Те предлагат висока термична стабилност, добра топлопроводимост, значителен топлинен капацитет и относително ниска цена. Именно устойчивостта им при високи температури ги прави особено подходящи за използване в соларни термични инсталации. Основният им недостатък обаче е силната корозивност – те агресивно въздействат върху тръбите и резервоарите, в които се съхраняват.

Търсенето на по-дълготрайно и ефективно съхранение при още по-високи температури поставя допълнителни изисквания към работния флуид. В този контекст все по-голямо внимание се обръща на нитратните соли, които са стабилни при температури над 550°C, а някои формули достигат и до 700–800°C. Типичен пример е смес от натриев и калиев нитрат, която може да се нагрява до 600–800°C и да се съхранява в термично изолирани подземни резервоари. Повишаването на работната температура повишава и термичната ефективност на процеса на преобразуване на топлина в електричество. Недостатък на нитратните соли обаче е тяхната склонност към разпад при продължително излагане на висока температура.

Поради тези ограничения, значителна част от съвременните изследвания в областта на CSP се съсредоточава върху разработването на нови устойчиви материали. Усилия се насочват както към подобряване на химичния състав на работните флуиди за по-голяма стабилност при екстремни температури, така и към вътрешно изолиране на тръбопроводи и резервоари с цел ограничаване на корозионните процеси.

Разпространение на CSP технологията

През последните години все повече държави внедряват системи за концентрирана слънчева енергия (CSP) със съхранение на топлинна енергия, особено в Африка и Азия. Успоредно с напредъка на останалите възобновяеми технологии, CSP намира все по-широко приложение, подпомогнато както от намаляващите инвестиционни разходи, така и от все по-стабилни регулаторни рамки в подкрепа на чистата енергия.

Испания е безспорен лидер в глобален мащаб – страната разполага с близо 50 функциониращи CSP електроцентрали, които доставят общо около 2300 MW капацитет към мрежата. През 2021 г. производството на електроенергия от CSP в Испания достигна 4719 GWh, което се равнява на 1,84% от националното потребление за същата година.

Китай също играе ключова роля в текущото развитие на технологията. В страната са в процес на изграждане над 30 нови CSP инсталации – тенденция, която се очаква да ускори както технологичния напредък, така и понижаването на разходите в глобален мащаб.

Въпреки тези положителни сигнали, към момента CSP все още не може да се конкурира с фотоволтаичната енергия по отношение на цена. За да стане по-конкурентоспособна, технологията трябва да постигне допълнително намаляване на стойността на произведената електроенергия. Това изисква повишаване на температурите на работа, което според втория закон на термодинамиката води до по-висока ефективност при преобразуването на топлинна в електрическа енергия. Затова изследователските усилия са насочени към усъвършенстване на технологиите при централните приемни кули, с цел достигане на работни температури от 700°C до 800°C.