В энергетической отрасли в течение многих лет актуальным является вопрос снижения и оптимизации потребления энергии зданиями и сооружениями. Современная энергетика сталкивается с вызовами, связанными с нестабильностью производства и потребления энергии, ростом доли возобновляемых источников энергии, а также необходимостью обеспечения энергетической независимости и снижения выбросов углекислого газа.

Возобновляемые источники энергии, такие как солнечная, ветровая и гидроэнергетика, получают все большее внимание в современном мире в свете растущих экологических проблем и постепенного исчерпания традиционных источников энергии. Несмотря на значительные преимущества, возобновляемые источники энергии также имеют недостатки, которые необходимо учитывать при рассмотрении их эффективности и применимости на практике. Одним из главных недостатков возобновляемых источников энергии является их переменность. Солнечная энергия доступна только в дневное время, а ветровая энергия зависит от погодных условий. Это создает препятствие с обеспечением непрерывного и стабильного источника энергии [1].

Технологии накопления и хранения энергии играют важную роль в решении этих проблем, позволяя эффективно управлять энергетическими ресурсами и обеспечивать устойчивое энергоснабжение. Эти технологии позволяют сбалансировать производство и потребление энергии, сохранять избыточную энергию для использования в периоды пикового спроса и обеспечивать резервное энергоснабжение в случае аварийных ситуаций или отключения сети. Системы накопления энергии (СНЭ) создают принципиально новые возможности для развития энергетики, устраняя необходимость одновременного производства и потребления и активно внедряя технологии управления спросом, которые существенно изменят текущую структуру рынка.

По данным Global Market Insights, объем рынка систем хранения энергии превысил 429 миллиардов долларов США в 2022 году и, по прогнозам, будет расти более чем на 15% в год в период с 2023 по 2032 год [2]. Мониторинг Bloomberg New Energy Finance (BNEF) показывает, что в региональном масштабе к 2030 году Азиатско-Тихоокеанский регион будет лидировать в строительстве СНЭ согласно рисунку 1, причем импульс будет обусловлен быстрорастущим рынком Китая.

Рисунок 1. Региональный прогноз развития СНЭ по данным BNEF [3]

Технологии накопления и хранения энергии можно разделить на три группы: аккумуляторы, тепловые батареи и гравитационные системы. Рассмотрим каждый тип.

Аккумуляторы являются наиболее распространенным и широко используемым методом накопления энергии. Они позволяют хранить электрическую энергию и использовать ее по мере необходимости. Аккумуляторы могут быть различных типов, включая литий-ионные, свинцово-кислотные, никель-кадмиевые и другие.

Тепловые батареи накапливают и хранят тепловую энергию, полученную от солнечных коллекторов, геотермальных и других источников. Они позволяют использовать тепловую энергию в периоды пикового спроса, а также для обогрева зданий и горячего водоснабжения.

Гравитационные системы накопления энергии используют потенциальную энергию, накопленную в поднятых грузах или водном резервуаре, для преобразования ее в кинетическую энергию при необходимости. Такие системы часто применяются в гидроэлектростанциях и ветроэнергетике.

В дальнейшем в статье рассматриваются тепловые аккумуляторы с хранением энергии за счет нагревания вещества. Они могут быть использованы в различных сферах, включая промышленность, жилищное строительство и энергетические системы на основе возобновляемых источников энергии. Тепловые аккумуляторы работают на основе теплоемкости вещества. В процессе нагревания избыточной энергии вещество в аккумуляторе поглощает тепло и сохраняет его внутри себя. Позднее, когда требуется использовать сохраненную энергию, вещество охлаждается, выделяя тепло, которое может быть преобразовано в электрическую энергию или использовано для подачи тепла. Существует несколько типов тепловых аккумуляторов, включая аккумуляторы на основе веществ с фазовыми переходами, аккумуляторы на основе химических реакций и аккумуляторы на основе солей.

Тепловые аккумуляторы обладают рядом преимуществ, включая высокую эффективность, долговечность, отсутствие потерь энергии и возможность их интеграции с другими системами энергоснабжения. Они также могут быть использованы в сочетании с возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечная и ветровая энергия, для обеспечения стабильного и непрерывного источника энергии. Несмотря на преимущества, тепловые аккумуляторы также имеют некоторые недостатки, включая высокие затраты на создание и поддержку системы, необходимость оптимизации теплообмена и выбора подходящих веществ для аккумуляции энергии. Однако, с развитием новых материалов и технологий, эти проблемы могут быть решены.

Сезонное накопление теплоты является эффективным методом для обеспечения устойчивого и надежного функционирования инженерных сетей. Этот метод позволяет сохранять тепловую энергию, полученную в летний период, и использовать ее в зимний период для обогрева зданий и горячего водоснабжения. Основной принцип работы системы сезонного накопления теплоты состоит в том, что в периоды с повышенной солнечной активностью тепловая энергия собирается и накапливается в специальных теплоаккумуляторах. Теплоаккумуляторы представляют собой большие резервуары с теплоносителем, который сохраняет тепловую энергию в виде теплоты. В зимний период эта теплота используется для обогрева зданий и горячего водоснабжения, что позволяет снизить потребление электроэнергии и топлива.

Сезонное накопление теплоты имеет ряд преимуществ, которые делают его привлекательным для применения в инженерных сетях. Во-первых, это позволяет эффективно использовать солнечную энергию, что способствует снижению выбросов углекислого газа и других вредных веществ. Во-вторых, это позволяет снизить затраты на энергию и обеспечить стабильное и надежное энергоснабжение в зимний период. Однако, у данного метода есть и некоторые недостатки, включая высокую стоимость установки и поддержания системы, а также ограниченные возможности использования в регионах с низкой солнечной активностью. Системы сезонного накопления теплоты широко применяются в различных странах. Например, в Германии и Швейцарии такие системы успешно используются для обогрева зданий и горячего водоснабжения. В Китае была построена крупная солнечная тепловая станция с сезонным накоплением теплоты, которая обеспечивает энергией тысячи домов. В России также проводятся исследования и разработки в области сезонного накопления теплоты для обеспечения устойчивого теплоснабжения.

Тепловая энергия может собираться всякий раз, когда она доступна, и использоваться по мере необходимости. Например, тепло от солнечных коллекторов можно собирать в летний период для отопления помещений в зимний, низкопотенциальное тепло в теплоэнергетических системах, например, в котельных и теплоэлектроцентралях, уносимое отработанными дымовыми газами, также можно утилизировать в СНЭ и использовать в дальнейшем.

Согласно данным Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), в Санкт-Петербурге средний удельный уровень инсоляции за год составляет 3,4 кВт•ч/(м²•день). Максимальное значение удельного уровня инсоляции на территории города Санкт-Петербурга наблюдается в период с мая по июль (5-6 кВт•ч/(м²•день)), а минимальное с ноября по январь (0,5-1,5 кВт•ч/(м²•день)) [4]. В зимний период выработка энергии приблизительно будет в 5-7 раз меньше, чем в летний. Наличие СНЭ позволило бы избыточную энергию с летнего периода переносить на зимний.

Методы сезонного накопления тепловой энергии можно разделить на три группы:

1. Подземные тепловые аккумуляторы представляют собой системы, в которых тепловая энергия накапливается в грунте на протяжении лета, а затем используется для обогрева в зимний период. Этот метод основан на использовании теплоемкости грунта и его способности сохранять тепло. Подземные тепловые аккумуляторы могут быть реализованы с использованием труб с теплоносителем, заложенных в грунт, или с использованием геотермальных скважин.
2. Тепловые насосы (ТН) являются эффективными устройствами для сезонного накопления тепловой энергии. Принцип работы ТН основан на переносе теплоты из области с низкой температурой в область с более высокой температурой с использованием энергии. Основным оборудованием ТН являются компрессор, испаритель, конденсатор и дроссельное устройство [5]. Процесс работы начинается с испарения рабочего вещества в испарителе под воздействием низкого давления и температуры. В этом состоянии рабочее вещество поглощает тепло из окружающей среды, например, из почвы, воздуха или воды. Затем, с помощью компрессора, давление и температура рабочего вещества увеличиваются, что приводит к его переходу в газообразное состояние. Горячий газ из компрессора поступает в конденсатор, где он передает тепло системе отопления или горячего водоснабжения. При этом газ охлаждается и превращается в жидкость. Затем жидкость проходит через дроссельное устройство, где происходит снижение давления, и процесс начинается снова.
3. Термальные бассейны являются еще одним способом сезонного накопления тепловой энергии [6]. Этот метод основан на накоплении тепла в бассейнах с помощью солнечных коллекторов или других источников тепла. Тепло, накопленное в бассейнах, может быть использовано для обогрева помещений или для производства горячей воды.

Для выбора оптимального способа сезонного накопления тепловой энергии необходимо учитывать несколько факторов, включая стоимость установки и обслуживания, энергетическую эффективность, доступность и экологическую устойчивость. Подземные тепловые аккумуляторы обладают низкой стоимостью установки и обслуживания, но их энергетическая эффективность может быть ниже, чем у других методов. Тепловые насосы, с другой стороны, имеют более высокую энергетическую эффективность, но требуют более высоких затрат на установку и обслуживание. Термальные бассейны обладают высокой доступностью и могут быть экологически устойчивыми, но их использование ограничено наличием солнечной энергии.

Для высокоэффективной работы СНЭ необходимо, чтобы теплоаккумулирующий материал обладал высокой удельной теплоемкостью, долговременной стабильностью при теплопередаче и низкой стоимостью [7]. Способность теплоаккумулирующих материалов поглощать или выделять тепло в зависимости от теплопроводности твердых тел и скорости конвективной теплопередачи для жидкостей выполняет ключевую роль в СНЭ. Максимальную емкость накопителя тепловой энергии можно рассчитать по следующей формуле [8]:

Тепловые насосы в системах сезонного накопления энергии представляют собой перспективное решение для повышения энергетической эффективности систем отопления и охлаждения. Они позволяют использовать низкопотенциальную энергию для обогрева и охлаждения помещений, что способствует снижению энергозатрат и уменьшению негативного воздействия на окружающую среду. Возможно сочетание накопителей энергии с солнечным коллектором и тепловым насосом, как показано на рисунке 2 [9]. Такая комбинация позволит летом извлекать тепловую энергию из здания и солнечных коллекторов и передавать в хранилище.

Рисунок 2. Схема соединения солнечного коллектора с тепловым насосом и накопителем энергии

В зависимости от температуры, создаваемой солнечным коллектором, или накопленного тепла в СНЭ могут быть использованы различные режимы работы в последовательной, параллельной и последовательно-параллельной конфигурации.

Выбор способа сезонного накопления тепловой энергии должен основываться на комплексном анализе различных факторов, таких как стоимость, энергетическая эффективность, доступность и экологическая устойчивость. Каждый из рассмотренных методов имеет свои преимущества и недостатки, поэтому оптимальный выбор будет зависеть от конкретных условий и требований. Технологии накопления и хранения энергии играют важную роль в обеспечении стабильного и надежного энергоснабжения. Они позволяют сбалансировать производство и потребление энергии, использовать избыточную энергию и обеспечивать резервное энергоснабжение. Однако, для успешной реализации этих технологий необходимо учитывать особенности каждой конкретной области применения, а также развивать новые методы и технологии для повышения эффективности и снижения стоимости. Дальнейшие исследования и разработки в этой области помогут улучшить эффективность и устойчивость сезонного накопления тепловой энергии.