L'Alliance européenne pour la recherche énergétique a publié un livre blanc sur la recherche et le développement des technologies de stockage de

la chaleur industrielle la transformation vers une industrie décarbonée », qui met en avant l'état actuel, les défis et les suggestions de recherche et développement de la technologie de stockage de chaleur industrielle. Les points principaux sont les suivants :

1. Applications potentielles du stockage de chaleur dans l'industrie

1. Chauffage ou refroidissement de processus industriels

Selon les conditions climatiques, les systèmes de chauffage solaire industriels peuvent être combinés avec des systèmes de stockage de chaleur. Les applications prometteuses incluent : ① Pour la demande de chaleur de procédé à haute température (400 °C), le chauffage électrique combiné à un stockage de chaleur solide poreux peut être utilisé ; ② Pour la demande d'eau chaude à moyenne température et de vapeur de procédé (jusqu'à 200 °C), il existe plusieurs options, y compris la combinaison de pompes à chaleur industrielles et de stockage de chaleur, et la combinaison de systèmes de chauffage solaire et de stockage de chaleur ; ③Pour le stockage à froid industriel (en dessous de 6°C), des systèmes de réfrigération (tels que des refroidisseurs d'air ou des climatiseurs), des systèmes de stockage de chaleur à chaleur sensible ou à changement de phase peuvent être fournis Énergie à basse température pour répondre aux pics de demande de froid au début d'un nouveau cycle de réfrigération et utiliser de l'électricité renouvelable à faible coût.

2. Utilisation de la chaleur résiduelle industrielle

Les applications prometteuses incluent : ① Stockage de chaleur à court terme, où la chaleur résiduelle du traitement par lots est utilisée pour préchauffer le lot suivant afin de réduire l'apport d'énergie et d'améliorer l'efficacité énergétique, et la technologie de stockage de chaleur utilisée dépend de la chaleur résiduelle disponible (par exemple, processus exothermiques dans l'industrie chimique qui nécessitent une température de départ suffisante, comme la polymérisation ou l'alcoxylation), le stockage de chaleur à court terme peut également améliorer le potentiel du chauffage urbain en utilisant le surplus de chaleur industriel fluctuant ; ② stockage de chaleur à long terme, production industrielle La chaleur restante dans le processus est stockée pour fournir le chauffage des locaux à la base industrielle en hiver, ou pour la sortie vers le réseau de chauffage urbain, ce qui nécessite que la température de stockage de la chaleur soit à 70-120°C , ou pour valoriser la chaleur stockée à basse température,

3. Stockage de chaleur de secours industriel

Le stockage de chaleur de secours industriel peut être utilisé comme source d'énergie thermique ininterrompue en cas d'urgence, ce qui nécessite une réponse rapide et une grande fiabilité. À l'heure actuelle, l'industrie s'appuie principalement sur des chaudières à gaz comme source de chaleur de secours, et le système de stockage de chaleur peut fournir de la vapeur de secours, évitant ainsi l'utilisation de chaudières à vapeur. Les produits actuellement disponibles sur le marché sont des accumulateurs de vapeur, tandis que les solutions de stockage de chaleur à matériaux à changement de phase et de stockage de chaleur thermochimique font l'objet de développements futurs. Pour un stockage de chaleur à température plus élevée, un stockage de chaleur solide poreux peut être utilisé, et des matériaux à changement de phase à haute température et un stockage de chaleur thermochimique peuvent être développés à l'avenir.

4. Alimentation thermique industrielle

En plus des batteries, le stockage de chaleur peut fournir une solution à faible coût pour répondre à la demande future de stockage d'énergie à haute puissance, haute capacité et à long terme. La fourniture d'énergie thermique industrielle doit s'appuyer sur le développement de plusieurs technologies : ①Batterie Carnot haute température, utilisant l'électricité Le chauffage stocke la chaleur dans des solides poreux jusqu'à 800°C ; ②Batterie Carnot moyenne température, utilisant une pompe à chaleur pour convertir l'électricité en chaleur, jusqu'à 200°C, afin d'améliorer les performances, la chaleur résiduelle industrielle peut être utilisée comme source de chaleur pour la pompe à chaleur ; ③Système d'air comprimé adiabatique, nécessite un stockage de chaleur à haute température (utilisant souvent des solides poreux en céramique).

2. État actuel et défis de la technologie de stockage de chaleur industrielle

1. Stockage de chaleur sensible

Le stockage de chaleur sensible stocke ou libère de la chaleur en augmentant ou en abaissant la température des matériaux. Les matériaux de stockage de chaleur typiques comprennent l'eau, l'huile thermique, la roche, le grès, l'argile, la brique, l'acier, le béton et le sel fondu.

(1) Le niveau de maturité technique (TRL) du stockage de chaleur sensible à base de liquide a atteint le niveau 9, et il est principalement utilisé dans des situations où le coût est faible et l'espace n'est pas limité, et la période de stockage de chaleur est de plusieurs heures pour plusieurs jours. Les principaux défis techniques rencontrés par ce type de technologie sont : ① augmenter la densité énergétique volumétrique, réduisant ainsi les besoins en espace ; ② réduire la température, la pression et ralentir la corrosion des sels fondus ; ③ réduire les pertes de chaleur dues au manque de compacité.

(2) Le TRL de stockage de chaleur sensible à base solide atteint le niveau 7, qui est principalement utilisé dans des situations où le coût est faible et l'espace n'est pas limité, et la période de stockage de chaleur est de plusieurs heures à plusieurs jours. Les principaux défis techniques rencontrés par ce type de technologie sont : ① réduire le poids et augmenter la densité d'énergie volumétrique, réduisant ainsi l'encombrement et le poids du système ; ② améliorer le processus d'échange de chaleur.

(3) La TRL de stockage de chaleur sensible basée sur des réservoirs souterrains tels que les aquifères atteint le niveau 7, qui est principalement utilisé pour le stockage de chaleur saisonnier à grande échelle en dessous de 90°C, et la chaleur peut également être utilisée pendant la charge. Les principaux défis techniques rencontrés par ce type de technologie sont : ①réduire les besoins en surface ; ②réduire la dépendance à des conditions géologiques spécifiques ; ③réduire la perte de chaleur à haute température ; ④réduire le temps de démarrage ; ⑤ augmenter la plage de température.

(4) Le TRL de stockage de chaleur sensible basé sur la mine atteint le niveau 7, qui est principalement utilisé pour le stockage de chaleur à grande échelle dans la plage de température de 60 à 80 ° C pendant plusieurs semaines à plusieurs mois, et la chaleur peut également être utilisée pendant mise en charge. Les principaux défis techniques rencontrés par ce type de technologie sont : ①réduire l'encombrement en surface ; ②améliorer l'efficacité du stockage de chaleur et améliorer l'influence du niveau de température de stockage de chaleur et des caractéristiques de stratification.

2. Stockage de chaleur latente

Le stockage de chaleur latente utilise le changement de phase des matériaux de stockage. Les matériaux à changement de phase typiques comprennent la glace, la paraffine, les acides gras, les alcools de sucre, les hydrates de sel, les sels inorganiques et les métaux. Le TRL de cette technologie est de 4 à 7, et il est principalement utilisé dans les petits dispositifs de stockage de chaleur, et la période de stockage de chaleur est de plusieurs heures à plusieurs jours. Les principaux défis techniques rencontrés par ce type de technologie sont : ① augmenter le taux de transfert de chaleur ; ② améliorer le processus de normalisation et de commercialisation des matériaux à changement de phase ; ③ améliorer la polyvalence des solutions ; ④ améliorer la durabilité des matériaux à changement de phase ; ⑤ améliorer la pureté des matériaux de stockage de chaleur.

3. Stockage de chaleur par adsorption

Le stockage de chaleur par adsorption est basé sur des réactions gaz-solide réversibles entre les adsorbats (gaz) et les adsorbants solides ou liquides, généralement à des températures inférieures à 200 °C. La chaleur d'adsorption impliquée dans ce processus d'adsorption/désorption réversible est généralement supérieure à la chaleur sensible et latente de stockage, ce qui présente l'avantage de pouvoir stocker la chaleur pendant une longue période avec une perte de chaleur minimale. Les sorbants solides typiques comprennent les matériaux structurés poreux tels que les zéolithes, le gel de silice et l'alumine activée qui peuvent adsorber/désorber des gaz tels que l'eau ou la vapeur d'ammoniac ; les sorbants liquides typiques sont des solutions salines concentrées telles que le chlorure de lithium, le bromure de lithium et une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium. Le TRL du stockage de chaleur par adsorption est de 6 à 8, qui est principalement utilisé dans le cas d'un espace limité, et la période de stockage de la chaleur est de plusieurs heures à plusieurs mois. Les principaux défis techniques rencontrés par ce type de technologie sont : ① augmenter les matériaux commerciaux utilisables au-dessus de 200 °C ; ② utiliser l'énergie froide générée pour améliorer l'efficacité ; ③ réduire la différence de température entre la charge et la décharge.

4. Stockage de chaleur thermochimique

Le stockage de chaleur thermochimique est également basé sur des réactions gaz-solide réversibles, similaires au stockage de chaleur par adsorption, et présente donc également l'avantage d'une faible perte de chaleur, mais a une densité de stockage de chaleur plus élevée et un coût inférieur. Sa principale différence avec le stockage de chaleur par adsorption est que le gaz est directement absorbé par le réseau solide, modifiant ainsi la structure cristalline. Lorsque la température est inférieure à 200 °C, utilisez des sels inorganiques solides et des gaz pour le stockage thermochimique de la chaleur, tels que le chlorure de calcium et la vapeur d'eau, ou le chlorure de strontium et la vapeur d'ammoniac ; dans la plage de température de 250 à 600 °C, utiliser un hydroxyde pour former (tel que l'oxyde de calcium/hydroxyde de calcium) et une réaction de carbonatation (telle que l'oxyde de calcium/carbonate de calcium) pour le stockage de la chaleur ; dans la plage de température de 800 à 1800 ° C, les réactions d'oxydation peuvent être utilisées pour le stockage de la chaleur, tels que le peroxyde de baryum/l'oxyde de baryum ou le fer/l'oxyde de fer. Le TRL du stockage de chaleur thermochimique est de 4 à 6, ce qui est principalement utilisé dans le cas d'un espace limité, et la période de stockage de chaleur est de plusieurs heures à plusieurs mois. Les principaux défis techniques rencontrés par ce type de technologie sont : ① l'amélioration de la durabilité et de la stabilité des matériaux ; ② éliminer le problème d'agglomération/agglomération ; ③ réduire la différence de température entre la charge et la décharge.

3. Solutions technologiques émergentes de stockage de chaleur

1. Stockage de chaleur sensible solide

Les systèmes de stockage de chaleur sensible solide fournissent une méthode fiable et sûre pour stocker la chaleur à haute température, et les technologies émergentes récentes incluent le stockage de chaleur en béton et le stockage de chaleur à lit fixe. La société norvégienne EnergyNest a développé et fait la démonstration d'un système de stockage de chaleur modulaire basé sur du béton hautement conducteur, appelé Heatcrete®, qui a récemment été appliqué au réseau de conduites de vapeur d'une usine chimique en Norvège et sera utilisé dans la briqueterie et la société Senftenbacher en Autriche dans la future centrale électrique à cycle combiné de Sloecentrale aux Pays-Bas. Dans l'usine pilote de batteries Kano de Siemens Gamesa, un système de stockage de chaleur à lit garni de basalte à 740°C avec une capacité de stockage de chaleur de 130 MWh est utilisé ; L'usine de recyclage d'acier d'ArcelorMittal en Espagne utilise également la récupération de la chaleur perdue par stockage de chaleur à lit fixe.

2. Matériaux à changement de phase pour le stockage de la chaleur

Le nouveau développement de matériaux à changement de phase pour le stockage de la chaleur est constitué de matériaux de stockage de chaleur à changement de phase à haute température, dont la température de fusion dépasse 100 ° C, tels que l'eutectique de nitrate, l'acide dicarboxylique, l'alcool de sucre et même les matériaux métalliques. Ces dernières années, de nombreuses recherches ont été menées sur l'amélioration des performances de stockage de chaleur des matériaux à changement de phase, telles que l'amélioration de la conductivité thermique en ajoutant des charges conductrices, augmentant ainsi le taux de charge/décharge. En réduisant la surface de transfert de chaleur (comme les ailettes métalliques), des systèmes de stockage de chaleur plus compacts et à faible coût peuvent être construits. En outre, de nouveaux matériaux d'emballage résistants aux hautes températures sont en cours de développement pour améliorer les perspectives d'application des matériaux de stockage de chaleur à changement de phase à haute température.

3. Stockage de chaleur thermochimique et par adsorption

Les technologies thermochimiques et de stockage de chaleur par adsorption développent des matériaux composites à haute densité d'énergie et stabilité. Le département de recherche et développement explore le matériau composite et sa technologie de préparation consistant à ajouter du sel dans la matrice poreuse, dans le but d'augmenter la densité de stockage d'énergie, d'améliorer la stabilité de l'adsorption/réaction et de prolonger la durée de vie en même temps. De plus, des technologies de revêtement ont été développées pour empêcher l'agglutination ou la pulvérisation de matériaux thermochimiques. La société énergétique suédoise SaltX Technology a confirmé la faisabilité de ce projet. La société a développé un sel nano-enrobé pour un système de stockage de chaleur thermochimique appelé EnerStore, qui a réalisé plusieurs charges/décharges avec des matériaux à faible coût. Circulation, un système basé sur une réaction thermochimique entre l'oxyde de calcium et l'eau/vapeur, a été testé pour le Power-To-Heat à la centrale de cogénération de Vattenfall à Berlin et est opérationnel depuis mars 2019. Sa capacité de stockage de chaleur est de 10 MWh, l'efficacité totale du chauffage électrique est de 72% à 85% et le maximum théorique est de 92%, ce qui permet de contrôler le taux et le niveau de dégagement de chaleur avec une grande précision.

4. Simulation avancée

Le développement de modèles de simulation peut soutenir efficacement l'application de systèmes de stockage de chaleur dans des systèmes énergétiques industriels intégrés, et peut rapidement concevoir des systèmes de stockage de chaleur et effectuer une analyse de sensibilité pour des configurations innovantes. Par exemple, une évaluation des performances basée sur la simulation des conceptions de systèmes a été récemment développée dans le domaine du stockage de la chaleur latente. En particulier pour les systèmes de stockage de chaleur thermochimiques industriels, la cinétique des réactions thermochimiques dans la conception des réacteurs et des procédés peut être prédite par des modèles non paramétriques avancés. L'efficacité de l'ensemble du système peut être améliorée en modifiant l'unité d'adsorption d'origine pour qu'elle fasse partie d'un refroidisseur hybride à adsorption/compression. Le programme augmente l'utilisation des énergies renouvelables en combinant l'énergie thermique et électrique,

4. Intégration du système de stockage de chaleur industriel

1. Chauffage électrique et production d'électricité (Power-to-Heat-to-Power)

L'électrification de la production industrielle est devenue le centre de la recherche et de l'application, mais le remplacement du combustible des procédés industriels par de l'énergie électrique entraînera des problèmes liés à la fluctuation de l'alimentation électrique et de la capacité du réseau, qui doivent être résolus par des systèmes de stockage d'énergie. Jusqu'à présent, il y a un manque de systèmes de stockage d'énergie rentables qui ne sont pas limités par des emplacements géographiques. Power-to-X-to-Power (PXP) est considéré comme une solution prometteuse, qui L'énergie électrique est convertie en d'autres formes de vecteur d'énergie et stockée, reconvertie en énergie électrique si nécessaire. La production d'énergie de chauffage électrique (Power-to-Heat-to-Power) est une option à faible coût pour PXP, également connue sous le nom de solution de batterie Carnot. Siemens Gamesa a fait une démonstration réussie. Sa batterie de stockage Carnot à Hambourg La centrale thermique a été mise en service à l'été 2019, utilisant un lit garni de basalte pour le stockage de la chaleur et la charge d'air via des radiateurs électriques et des soufflantes. Le système utilise un cycle de vapeur Rankine pour convertir la chaleur stockée en énergie électrique avec un rendement électrothermique électrique de 45 % et une production d'énergie maximale de 1,5 mégawatts.

2. Rénovation des centrales électriques existantes

Les systèmes de stockage de chaleur intégrés peuvent également aider à moderniser les centrales électriques à combustible fossile existantes, en particulier les centrales au charbon confrontées à une fermeture partielle dans le cadre des objectifs de réduction de CO2. Par exemple, le projet allemand I-Tess convertit l'électricité excédentaire des centrales électriques au charbon existantes en chaleur et utilise le cycle de vapeur de la centrale électrique pour convertir l'énergie thermique lorsque l'électricité se fait rare. Le projet allemand Store To Power développe une usine pilote de production d'électricité par stockage thermique qui combine une centrale électrique au charbon existante avec un stockage de chaleur à haute température, comprenant un chauffage électrique et un générateur de vapeur pouvant transporter environ 10 % de la vapeur dans la vapeur. cycle d'une centrale électrique au charbon. Siemens Gamesa est l'une des principales entreprises dédiées à la transformation des centrales électriques au charbon. En intégrant le système de stockage de chaleur, il peut fournir de l'électricité, de la chaleur ou de la vapeur avec l'apport d'une énergie renouvelable fluctuante. Elle a déjà réalisé un système de stockage de chaleur en basalte de 30 MW. manifestation.

5. Suggestions d'actions techniques

Pour faciliter l'adoption à grande échelle du stockage de chaleur industriel, une action technique immédiate est requise, en particulier pour la phase de pré-commercialisation (Phase P) et la phase de commercialisation (Phase C), recommandant : (1)

Réaliser des projets de recherche et développement sur le stockage industriel de la chaleur (phase P), axés sur les défis techniques mentionnés ci-dessus.

(2) Mener des recherches techniques et économiques sur le stockage de la chaleur et son application industrielle (étape P), y compris : ① L'application de la technologie de stockage de la chaleur dans la production d'énergie renouvelable/chaleur/froid, telle que la batterie Carnot ; ② Dans les énergies renouvelables La technologie de stockage de chaleur est utilisée dans le chauffage/refroidissement électrique pour faire correspondre l'alimentation électrique fluctuante à la demande de chaleur industrielle ; ③ Utiliser l'énergie géothermique et l'énergie solaire pour répondre à la demande de chaleur ; ④ Récupération, stockage et valorisation de la chaleur résiduelle industrielle ; ⑤ Stockage de chaleur dans les applications de réfrigération industrielle et de chaîne du froid ; ⑥ utiliser le stockage de chaleur comme système de secours fiable lorsque d'autres technologies de chauffage échouent.

(3) Identifier et partager les applications où le stockage de chaleur présente des avantages économiques, environnementaux et opérationnels par rapport à d'autres formes de stockage d'énergie (batteries ou hydrogène) (Phase P).

(4) Développer et exploiter des projets de démonstration de stockage de chaleur et fournir des résultats et des données en libre accès (Phase P).

(5) Partager activement les meilleures pratiques et diffuser les connaissances et les données à l'industrie, aux décideurs et aux autres parties prenantes par le biais de publications, de discours et d'autres formes d'engagement médiatique (Phase P).

(6) Développer une base de données accessible sur les matériaux de stockage de chaleur avec des indicateurs de performance clés unifiés (Phase C).

(7) Collaborer avec les organismes de réglementation, les organismes professionnels et l'industrie pour développer des systèmes de stockage de chaleur normalisés (phase C).