Солнечная энергетика сталкивается с простой, но принципиальной проблемой: Солнце светит не круглосуточно. Даже если солнечные электростанции производят много энергии днём, вечером и ночью этот источник становится недоступен. Один из способов решить проблему — не пытаться немедленно превратить всю солнечную энергию в электричество, а запасать её в виде тепла.
Исследователи из Университета штата Пенсильвания (Penn State) предлагают для этого использовать материал, который обычно считают отходом производства: сталеплавильный шлак. По предварительным результатам, некоторые разновидности шлака могут оказаться недорогим материалом для высокотемпературных систем хранения тепловой энергии.
Идея особенно интересна тем, что одновременно решает две задачи: позволяет создавать накопители энергии и уменьшает количество металлургических отходов.
Зачем солнечной энергии нужно тепловое хранилище?
Главный недостаток солнечной энергетики хорошо известен: её производство зависит от времени суток и погоды. В солнечный день электростанция может выдавать большое количество энергии, но после захода Солнца генерация прекращается.
Аккумуляторы позволяют переносить часть выработанной энергии на более позднее время, однако для крупных промышленных объектов существуют и другие варианты. Один из них — высокотемпературное тепловое хранение энергии, или TES (Thermal Energy Storage).
Принцип достаточно прост. Энергию используют для нагрева специального материала, затем этот материал сохраняет тепло, а когда энергия требуется снова, накопленное тепло извлекают и используют непосредственно либо превращают обратно в электричество.
По словам Олумида Огунмодиму (Olumide Ogunmodimu), доцента кафедры энергетики и минеральной инженерии Penn State и соавтора исследования, солнечная энергия по своей природе непостоянна: на её доступность влияют смена дня и ночи и погодные условия. Поэтому необходимо научиться сохранять полученную от Солнца энергию для последующего использования.
В зависимости от конструкции системы тепловая энергия может храниться от нескольких часов до нескольких недель.
Что такое сталеплавильный шлак?
Шлак образуется в процессе производства стали. Это не готовый металл, а твёрдый, похожий на камень побочный продукт, содержащий различные примеси и соединения, которые отделяются от металла во время плавки.
Обычно такой материал рассматривают прежде всего как промышленный отход или сырьё для вторичного применения. Учёные Penn State решили посмотреть на него с другой стороны: а что, если шлак способен не просто занимать место на складе, а служить своеобразным «термосом» для промышленного количества энергии?
Для теплового накопителя особенно важны несколько характеристик материала: способность нагреваться до высокой температуры, удерживать тепло, выдерживать многократные циклы нагрева и охлаждения и при этом не разрушаться.
Кроме того, материал должен быть достаточно дешёвым. Именно здесь металлургический шлак потенциально получает серьёзное преимущество перед специально разработанными материалами.
Как работает хранение энергии в виде тепла?
Представим большую систему с резервуаром, заполненным подходящим твёрдым материалом.
Когда солнечная электростанция производит избыток энергии, электричество можно направить на нагрев этого материала. Он постепенно накапливает тепловую энергию.
Когда солнечный свет исчезает, накопленное тепло извлекается. В зависимости от конкретной установки оно может использоваться для производства пара, отопления или других промышленных процессов. Если требуется электричество, тепло можно направить на тепловую машину или турбинную установку.
В этом отношении TES напоминает огромный аккумулятор, только вместо химической реакции внутри батареи используется нагрев вещества.
Преимущество такого подхода особенно заметно там, где тепло требуется непосредственно. Не всегда имеет смысл сначала превращать электричество в тепло, затем хранить его, а потом снова получать электричество. Для некоторых промышленных процессов гораздо эффективнее просто сохранить тепло и использовать его позже.
Что именно исследовали учёные?
Работа Penn State — пока лишь первый этап трёхфазного проекта. На начальной стадии исследователи изучили морфологическую структуру трёх разновидностей сталеплавильного шлака, чтобы определить, насколько они подходят для использования в высокотемпературных системах хранения энергии. Результаты первой фазы опубликованы в журнале Solar Energy.
Морфология в данном случае означает особенности внутреннего и внешнего строения материала — форму частиц, пористость и другие характеристики, которые могут влиять на его поведение при нагревании.
Это важный этап: прежде чем строить крупный накопитель, необходимо понять, как конкретный материал ведёт себя при высоких температурах и насколько хорошо он подходит для повторяющихся циклов накопления и отдачи энергии.
Пока исследователи говорят именно о предварительной оценке пригодности шлака, а не о готовой промышленной технологии.
Почему именно отходы сталелитейной промышленности?
Здесь сходятся сразу несколько факторов.
Во-первых, сталеплавильные производства уже располагают большими объёмами шлака. Если часть этого материала можно использовать в энергетической инфраструктуре, отпадает необходимость создавать специальное сырьё для накопителей в тех же масштабах.
Во-вторых, шлак потенциально дешевле специально изготовленных теплоаккумулирующих материалов. Высокая стоимость — одна из главных проблем масштабных систем высокотемпературного TES.
Наконец, появляется возможность уменьшить количество отходов металлургического производства.
Получается своеобразный замкнутый цикл: промышленность производит побочный материал, который затем может использоваться для хранения энергии, необходимой той же промышленности.
Это может быть особенно полезно для тяжёлой промышленности
Главная интрига проекта заключается не только в хранении солнечной энергии. Сталеплавильная промышленность сама относится к наиболее энергоёмким отраслям экономики, поэтому дешёвое накопление энергии для неё особенно важно.
Электродуговые печи, например, используют электрическую дугу для плавки металлического сырья. Такой способ производства стали особенно интересен в контексте энергетического перехода, поскольку электричество можно получать из возобновляемых источников.
Но солнечная генерация нестабильна. Если промышленное предприятие сможет накапливать избыток энергии в виде тепла и использовать его позже, зависимость от текущей солнечной генерации станет меньше.
В перспективе это может позволить объединить два на первый взгляд разных процесса: переработку металлургических отходов и хранение возобновляемой энергии.
Главный вопрос — сколько циклов выдержит шлак?
Одного преимущества низкой стоимости недостаточно.
Тепловой накопитель должен много раз проходить через циклы нагрева и охлаждения. Если материал постепенно трескается, теряет теплоёмкость или меняет структуру, экономическая привлекательность всей системы быстро снижается.
Поэтому следующие этапы исследования особенно важны. Учёным предстоит определить не только первоначальную пригодность разных видов шлака, но и то, как материал будет вести себя при длительной эксплуатации.
Именно здесь лабораторный эксперимент должен превратиться в инженерную технологию.
Пока исследователи не утверждают, что сталеплавильный шлак уже готов заменить существующие материалы для промышленных накопителей. Первая фаза проекта лишь показывает, что такой вариант заслуживает дальнейшего изучения.
Отходы могут стать частью энергетической инфраструктуры
Идея использовать промышленные отходы в качестве аккумулятора солнечной энергии хорошо вписывается в более широкую тенденцию современной энергетики: искать не идеальный материал, а материал, который уже производится в огромных количествах и обладает подходящими свойствами.
Если дальнейшие испытания подтвердят долговечность и эффективность сталеплавильного шлака, его можно будет рассматривать как относительно дешёвую основу для высокотемпературных систем TES. Причём ценность такого решения заключается не только в хранении энергии. Оно способно одновременно превратить проблему утилизации отходов в ресурс.
До промышленного внедрения ещё предстоит пройти несколько этапов исследований. Но сама концепция выглядит любопытно: одна из самых старых отраслей тяжёлой промышленности может получить новый способ хранения энергии благодаря материалу, который сама же эта промышленность производит как побочный продукт.
