BLOG

Czcigodni!

W bardzo ciekawym artykule autorstwa Rafał Andrzejczyk znajdziecie Państwo uporządkowany przegląd state-of-the-art wysokotemperaturowych magazynów energii.

https://www.linkedin.com/feed/update/urn:li:activity:7443582099007381505/

Poniżej przedstawiłem w telegraficznym skrócie pola ich zastosowań racjonalnych biznesowo.

Patrzę na to oczami energetyka - inżyniera systemowego, który w naturalny sposób dostrzega synergię profili podaży i odbioru ciepła. Oto synteza - trochę dla poszerzenia wyobraźni, jak bardzo wartościowe mogą być nowe technologie ciepła wysokotemperaturowego.

 1. Przemysł chemiczny i petrochemiczny

Tu mam na myśli przede wszystkim kraking parowy, reforming oraz być może syntezę amoniaku. Potrzebujemy tam temperatury 500–900°C. Profil zapotrzebowania jest ciągły, a więc idealny do stabilizacji systemu. Dlaczego? Bo może bezpośrednio konsumować ciepło wysokiej jakości, a magazyn azyn pozwala niejako odseparować produkcję ciepła od procesu. A to oznacza znaczącą redukcję gazu ziemnego w piecach procesowych

2. Produkcja wodoru (HTSE / termochemia)

W tym biznesie w naturalny sposób nasuwa się wysokotemperaturowa elektroliza pary (SOEC), o której wcześniej pisał @Stanisla, a prawdopodobnie w nieodległej perspektywie cykle siarkowo-jodowe. Zauważmy co tutaj jest pokuśne dla zawodowego energetyka. Konwersja energii rośnie wraz z temperaturą, magazyn wysokotemperaturowy stabilizuje pracę elektrolizera - a synergiczny układ: prąd + ciepło, to po prostu wyższa sprawność systemowa.

3. Hutnictwo i metalurgia

Uważam ten kierunek za bardzo istotny w kontekście reindustrializacji Kraju. Będziemy do tego potrzebowali stali (EAF + preheating), aluminium oraz miedzi. W oczywisty sposób te technologie wymagają suszenia wsadu, podgrzewu powietrza procesowego, no i oczywiście zasilania samych pieców. Zwróćmy uwagę, jak duże jest tutaj zapotrzebowanie na ciepło powyżej 600°C. Dlatego za tak wartościowe uważam możliwość wykorzystania ciepła odpadowego -> magazyn -> ponowne użycie. A redukcję peak load elektrycznego uważałbym za dodatkowy bonus.

4. Przemysł cementowy i wapienniczy

Warto o Czcigodni, abyście zwrócili uwagę, że kalcynacja CaCO₃ to są temperatury rzędu 850–1000°C. Jak zajrzałem do bazy danych modeli, to jest to bez wątpienia jeden z najbardziej energochłonnych procesów. Ale zauważmy, że użycie magazynów oznacza również możliwość częściowej elektryfikacji procesu, poprzez przez ciepło magazynowane (dedykowane turbo zespoły, w niszowych zastosowaniach być może silniki Stirlinga obu typów) + integracja z CCS (wyższa jakość strumieni CO₂). Pominąłem coś jeszcze ważnego?

5. Szkło i ceramika techniczna

Ze studiów energetycznych młodości pamiętam (prośba o weryfikację), że piece szklarskie to są rzędy 1200–1500 st. C (częściowo), natomiast ceramika trochę niżej - 800–1400 st. C.

W tym przypadku, to nie tylko stabilny profil pracy, ale też możliwość łatwej implementacji hybryd: gaz + ciepło z magazynu, a także odzysk i recykling energii cieplnej w poszczególnych fazach cyklu. Również z wykorzystaniem magazynów buforowych - na przykład z przemianą fazową dla pośrednich kroków w liniach technologicznych.

6. Przemysł papierniczy (bardziej niszowo, ale nie lekceważyłbym tego zielonego pastwiska)

Przemysł papierniczy jest spragniony relatywnie dużej ilości ciepła, którego mogą dostarczyć magazyny ze względu na suszenie + potencjalnie podniesienie temperatury medium głównego. Zauważmy, że są to duże wolumeny energii, idealne do zagospodarowania nadwyżek z poligeneracji.

7. Systemy Power-to-X (paliwa syntetyczne)

Mam wrażenie, że trochę o nich zapomnieliśmy, ale wydarzenia w Zatoce Ormuz każą z powrotem postawić na stolę tę kwestię, w kontekście zapewnienia bezpieczeństwa i ciągłości działania naszego Państwa, gdy sytuacja międzynarodowa, a zwłaszcza u naszych granic zrobi się, jakby to napisać, nieco bardziej szorstka.

Mam tu oczywiście na myśli produkcję metanolu, e-fuels oraz amoniaku.  Te instalacje wymagają jednocześnie energii elektrycznej i cieplnej, a magazyn wysokotemperaturowy oznacza wyraźną poprawę CAPEX utilization, gdyż wtedy te ciągi technologiczne pracują bliżej 24/7.

A tak na marginesie zrobiło mi się nieco smutno, gdy przypomniałem sobie, jak wiele było ofiar wśród robotników przymusowych bardzo intensywnych bombardowań Hydrierwerke Pölitz (dziś Police) - 1944-45.

8. Zaawansowane centra danych (nowa nisza)

Mam tutaj na myśli szczególnie HPC / AI + chłodzenie absorpcyjne. Generują one  ogromne ilości ciepła odpadowego, zatem mogą być mogą być symetrycznym elementem systemu (nie tylko odbiorcą). Wtedy mielibyśmy sprzężenie: DC -> ciepło -> magazyn -> linia wytwórcza.

9. Kluczowa architektura systemu (syntetycznie)

W opisywanych wyżej koncepcjach źródłem mogłaby być nowoczesna poligeneracja na węglu na parametry ultranadkrytyczne oraz częściowo na gazie wydobywanym w Kraju + OZE + odzysk ciepła.

Magazyn być może molten salt lub ceramiczny (600–1000°C). Naturalny odbiorca?  Odpowiedź jest dość oczywista - przemysłowy proces wysokotemperaturowy.

Ale uwaga. Również jako poważna opcja do rozważenia - cykl nadkrytyczny (np. sCO₂) dla konwersji na prąd. Poniżej krótkie wyjaśnienie dla pasjonatów energetyki spoza branży.

Supercritical CO2 cycle (sCO₂) jest pewną odmianą zamkniętego cyklu Braytona, w której czynnikiem roboczym jest CO₂ pracujący powyżej punktu krytycznego (31 °C, 7,38 MPa). Może to być dla Was zaskoczeniem, ale w tym stanie ma on wysoką gęstość i właściwości pośrednie między cieczą a gazem, co umożliwia budowę bardzo kompaktowych turbin i sprężarek Stanisław Kowalik, PhD Eng

Cykl pozwala osiągać sprawności przekraczające 50% przy temperaturach powyżej 700°C (a więc to, co mamy w opisywanych magazynach. Tym samym stanowiąc alternatywę dla klasycznego obiegu parowego Rankine’a, które zapewnie pamiętacie z lekcji fizyki w naszych podstawówkach. Sam proces jest ciekawy i przebiega w zamkniętej pętli: sprężanie, podgrzewanie, rozprężanie w turbinie i chłodzenie. Co ciekawe -  bez przemiany fazowej.

Kluczową rolę odgrywają w nim rekuperatory, które odzyskują ciepło i podnoszą sprawność całego układu. Technologia znajduje zastosowanie nie tylko w tradycyjnej energetyce cieplnej, w tym jądrowej - ale także w słonecznej oraz w odzysku ciepła odpadowego.

Na dzisiaj uważamy w branży, że jej przewagą są przede wszystkim niewielkie rozmiary instalacji oraz ograniczone zużycie wody. Także możliwość pracy w układach suchych. Dla mniej wtajemniczonych dwa słowa wyjaśnienia. Praca w układach suchych oznacza, że system nie wymaga intensywnego chłodzenia wodą, w przeciwieństwie do klasycznego obiegu Rankine’a (parowego). W tradycyjnych elektrowniach para po turbinie musi zostać skroplona - a to wymaga dużych ilości wody chłodzącej (rzeki, chłodnie kominowe).

Nie ukrywam, że w czasie budowy B11 w Kozienicach dało nam to zdrowo popalić. Ale jak napisałem, w cyklu Supercritical CO2 cycle (sCO₂) nie ma przemiany fazowej, więc nie trzeba skraplać pary - wystarczy schłodzić CO₂ jako jednorodny płyn. To pozwala stosować na obniżanie temperatury czynnika powietrzem (air cooling) w tak zwanych chłodnicach suchych (dry coolers) poprzez projektowanie systemów zamkniętych - bez poboru i zrzutów zewnętrznych wody. Dzięki temu taka potencjalna instalacja niekoniecznie byłaby mimowolnym wsparciem dla hodowli piranii w Odrze…

Wracając na szlak. Aktualnie w tej technologii rozwijamy różne konfiguracje, w tym układy z rekuperacją i rekompresją (RCBC), poprawiające efektywność.

I żebyście, o Efendii, nie myśleli, że zupełnie odleciałem na orbitę, są już udane projekty demonstracyjne, takie jak STEP w USA. Link do życzliwego światu Jeffa w pierwszym komentarzu. Cieszy mnie to bardzo, bo jest to twarde potwierdzenie, mówiąc po polsku,  technical feasibility tej technologii. Uwaźam, że jest to jedno z najbardziej obiecujących rozwiązań konwersji ciepła na energię elektryczną w systemach wysokotemperaturowych - stąd moje gorące uczucie do magazynów wysokotemperaturowych.

10. Zamiast podsumowania - na jakich pastwiskach hodowla magazynów wysokotemperaturowych ma najlepsze warunki opłacalności?

Wydaje się być dzisiaj jasne, że najlepsze warunki opłacalności magazynów wysokotemperaturowych występują w zintegrowanych klastrach przemysłowych, gdzie odbiorca ciepła znajduje się w bezpośredniej bliskości źródła, eliminując straty przesyłu.

Uważam też, że kluczowy jest wysoki współczynnik wykorzystania (>6000–7000 h/rok), typowy dla procesów ciągłych jak cement, stal czy chemia ciężka.

System musi być zaprojektowany from the scratch jako całość, aby uniknąć degradacji jakości energii i zbędnych konwersji. Istotna jest również zdolność odbiorcy do pracy sterowalnej, pozwalająca synchronizować pobór energii z dostępnością ciepła i ładowaniem magazynu. Dodatkową przewagą staną się zapewne również lokalizacje z nadmiarem energii (OZE lub ciepło odpadowe), co obniży koszt ładowania magazynu.

Natomiast prawda jest taka, że, największą wartość uzyskuje się tam, gdzie ciepło wysokiej jakości jest zużywane bezpośrednio w procesie, a nie konwertowane na energię elektryczną.

Reszta, na przykład sektor komunalno-bytowy raczej moim zdaniem będzie miał istotnie mniejsze znaczenie, bo na dziś nie widzę  sensownego wykorzystania jakości tego ciepła.

Państwa zdanie odnośnie nowych nisz rynkowych, które w pewnym pośpiechu tego szkicu, przeoczyłem? Korekta podanych liczb na podstawie Państwa aktualnej wiedzy?