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電力過剩怎麼辦?“存入磚塊”慢慢用!

目前, 最常用的發電方式是燃燒化石燃料。 考慮到大多數該類型發電站的前期投入成本低, 運行成本高, 這種發電方式可以很好的實現經濟與需求的平衡。 由於運行成本是主要成本, 當電站只在部分負荷下運行時, 電力成本不會迅速增加。 然而, 對於氣候變化的擔憂給發電技術提出了更高的要求, 需要實現無碳化物的排放, 核能、風能、太陽能應運而生。 這些技術資本成本高, 運行成本低, 因此, 一旦這些資本密集型電站在部分負荷下運行, 將會引起電力成本的快速增長。 社會總的能源成本達到國家生產總值的10%,

能源成本的顯著增加意味著生活水準的下降。

當前自由市場下, 太陽能和風能的大規模使用, 導致實際發電遠超過市場需求, 最終帶來了電價的下滑。 這種價格的下跌嚴重影響了太陽能、風能乃至核能的經濟發展, 為此科學家們提出了一種電阻加熱耐火磚能源系統(FIRES)方案, 將過剩的低廉產電轉化為高溫的存儲熱能, 作為工業中化石燃料的替代品, 在較高價格時進行發電, 從而有效阻止風能和太陽能高產出時的電價下滑, 保證了電價最低時也可以接近於工業使用石化燃料的價格。 這是一種更好利用資本密集型資產的方式。

FIRES系統簡介:

FIRES是由有較高熱容、密度, 以及最高運行溫度高達1800℃的耐火磚存儲介質組成。

在電力價格較低時, 通過成本低廉的電阻加熱方式對耐火磚進行“充電”。 耐火磚、絕緣層以及其他存儲組分與高溫工業換熱器十分類似。 陶瓷耐火磚因為較低的成本和耐久性被廣泛使用, 並且具有較大的儲熱能力。 如果想要實現1000℃的溫度變化範圍, 熱存儲容量大約是0.5~1MWh/m3。

FIRES工業應用系統組態

通過磚內部通道吹掃空氣恢復磚塊熱量。 根據FIRES的具體應用, 分別加入天然氣或冷空氣, 進行加熱或冷卻, 最終釋放出熱空氣。 該系統三個相互獨立的特徵參數分別為存儲容量、加熱速率和釋放速率。

FIRES的存儲容量取決於它在選定溫度範圍的一定體積材料中的熱量存儲能力。 溫度範圍和材料的選擇根據具體的工業應用內容。 磚塊數量越多, 存儲能量越多。

FIRES的加熱通過電阻實現。 加熱速率取決於電力市場情況。 如果風能或者太陽能與市場需求相結合, 每天引起電價降低的情況只有幾個小時, 那麼採用較高的加熱容量更為適合。 但是如果低電價情況持續時間較久,

則應該選用成本更低的低加熱容量。 電阻加熱的類型由峰值溫度決定。 如果溫度低於1000℃, 那麼傳統低成本的鎳鉻合金材料電阻加熱元件就可以滿足要求, 這種電阻材料常用於家庭烤麵包機使用。 通常耐火磚的材料包括鋁、鎂、矽氧化物, 以及低廉的高溫絕緣層材料。 對於高溫, 由碳化矽組成的導電耐火磚可以用於電阻加熱器。

由熱的耐火磚傳遞到空氣中的熱量決定了FIRES的標準釋放速率, 與空氣通道幾何形狀, 電源功率以及其他設計特徵直接相關。 優化後系統的熱量損失每天不到3%。 除了絕緣層, 進入系統的冷空氣可以環繞絕緣層的外部結構流動, 通過電引線連接電阻加熱器, 捕獲系統洩漏的熱量。 這種動態絕緣層可以恢復絕大部分的熱量流失,

使得FIRES系統如果每日運行一個迴圈的話, 可以保證極低的熱量損失。

FIRES系統特徵參數

市場應用:

世界上大多數的能源來自燃燒化石燃料釋放的熱空氣, 這和FIRES系統的產物是一致的。 因此, FIRES可以和現有的多數能源產物和應用相結合。

2014年美國製造業和礦產使用能源情況

其中,最大的市場就是間接加熱-產生蒸汽或加熱碳氫化合物(煉油廠和化工廠),借助金屬熱交換器進行熱量傳遞,通常溫度會限制在500~700℃。FIRES技術可以很好的滿足這些要求。諸如玻璃、水泥和鋼鐵等工業生產需要很高的溫度,通常它們都是利用化石燃料進行直接加熱,而FIRES可以加熱高達1800℃。水泥和石灰生產時會伴有碳酸鈣的高溫分解產物-氧化鈣和二氧化碳,直接使用化石燃料直接加熱會產生大量含有二氧化碳的熱空氣,不利於分解反應的進行。如果FIRES可以提供熱量,那麼二氧化碳濃度降低,減少所需能源輸入,加快碳酸鈣的分解速率。

FIRES可以通過兩種不同的配置實現對於部分化石燃料的替代。煤、石油、天然氣電站為電網提供發電支援。當電價較低,化石燃料電站不提供電時,可以對FIRES加熱。當電價上漲時,FIRES可以部分替代化石燃料進行發電。然而,與電池儲能不同,如果FIRES消耗完,則可以使用化石燃料來確保供電需求。另一種配置方式是,FIRES作為唯一的能源來源。作為一種電力存儲系統(與電池以及抽水蓄能系統類似),過剩的能量被以熱能的形式進行存儲,而不是重力勢能或者化學能。FIRES可以建立大尺寸規格儲能系統,達到100s有MW規模的輸出。

最後,FIRES的一個潛在市場就是與家用或者小型工業應用的光伏發電相結合。雖然光伏板的價格不高,但是由於電網功率調節和介面要求,導致光伏發電價格昂貴。對於一些成本較低的地區,我們可以不進行功率調節,直接將FIRES的電阻加熱器與光伏輸出直接結合。和其他的電子設備不同,電阻加熱器不需要功率調節。

FIRES目前的挑戰是如何更好的適應電力市場的變化。通過計算比較發現,FIRES為工業供熱的估算成本是5-10美元/kwh,遠低於其他技術。這是因為熱存儲媒介是經過壓縮的磚塊,並經過加工和電阻加熱。為了能夠有更加廣泛的應用,FIRES還有待進一步的技術發展。

2014年美國製造業和礦產使用能源情況

其中,最大的市場就是間接加熱-產生蒸汽或加熱碳氫化合物(煉油廠和化工廠),借助金屬熱交換器進行熱量傳遞,通常溫度會限制在500~700℃。FIRES技術可以很好的滿足這些要求。諸如玻璃、水泥和鋼鐵等工業生產需要很高的溫度,通常它們都是利用化石燃料進行直接加熱,而FIRES可以加熱高達1800℃。水泥和石灰生產時會伴有碳酸鈣的高溫分解產物-氧化鈣和二氧化碳,直接使用化石燃料直接加熱會產生大量含有二氧化碳的熱空氣,不利於分解反應的進行。如果FIRES可以提供熱量,那麼二氧化碳濃度降低,減少所需能源輸入,加快碳酸鈣的分解速率。

FIRES可以通過兩種不同的配置實現對於部分化石燃料的替代。煤、石油、天然氣電站為電網提供發電支援。當電價較低,化石燃料電站不提供電時,可以對FIRES加熱。當電價上漲時,FIRES可以部分替代化石燃料進行發電。然而,與電池儲能不同,如果FIRES消耗完,則可以使用化石燃料來確保供電需求。另一種配置方式是,FIRES作為唯一的能源來源。作為一種電力存儲系統(與電池以及抽水蓄能系統類似),過剩的能量被以熱能的形式進行存儲,而不是重力勢能或者化學能。FIRES可以建立大尺寸規格儲能系統,達到100s有MW規模的輸出。

最後,FIRES的一個潛在市場就是與家用或者小型工業應用的光伏發電相結合。雖然光伏板的價格不高,但是由於電網功率調節和介面要求,導致光伏發電價格昂貴。對於一些成本較低的地區,我們可以不進行功率調節,直接將FIRES的電阻加熱器與光伏輸出直接結合。和其他的電子設備不同,電阻加熱器不需要功率調節。

FIRES目前的挑戰是如何更好的適應電力市場的變化。通過計算比較發現,FIRES為工業供熱的估算成本是5-10美元/kwh,遠低於其他技術。這是因為熱存儲媒介是經過壓縮的磚塊,並經過加工和電阻加熱。為了能夠有更加廣泛的應用,FIRES還有待進一步的技術發展。

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