在热科学和能源系统专业大挑战

介绍

能源是一个国家的经济进步和发展的关键。国内,工业和商业部门近年来看到了巨大的增长,导致能源需求增加。尽管增加能源生产、能源日益增长的需求超过了供应。能源稀缺和变量可用性阻碍社会进步。能源需求的增长和峰值短缺了多种行业。因为增加的能源需求,化石燃料价格波动,气候缓解,和即将到来的能源危机由于化石燃料的枯竭,可再生能源已成为一个关键的选择。可再生能源转换的输出系统的不可预测性,另一方面,需要使用健壮、可靠和有效的技术。这种系统可以生成储蓄通过减少能源消耗和取代化石燃料费用。

可再生能源存储实现零碳的未来是很重要的,因为它允许我们建立一个储备的存储选项,可以使用任何时候需要满足用户需求和控制能耗高峰期间,能源供应。通过以这种方式找出方法来储存能量,我们可以解决出现的一些问题,经常使用可再生能源。过去3年以来,已经有一个增广的需求空间供暖。许多国家的能源政策优先考虑可再生能源的发展。在各种可再生能源技术,热能存储技术是一种有效的高峰需求减少。热能存储系统链接能源供给和需求之间的差距。改善热储能减少基础设施的必要性和较低的加热和冷却系统的价格。热能存储可以存储和使用能源在不同的时期。产生的热能可以使用白天晚上,和凉爽的夜间微风可以用来冷却室内房间白天。热能存储系统,如热泵、太阳能、废热发电厂,和发动机余热,提供弹性对不同能源。 Thermal energy storage systems can aid in the daily, weekly, and even seasonal balance of energy demand and supply. Besides, thermal energy storage can improve overall energy system efficiency by lowering peak demand, reduction in energy consumption, abatement of CO₂排放和降低成本。热能存储获得注意力转向储能,特别是结合集中太阳能发电厂。全球热储能产业价值208亿美元,2020年预计将在2030年价值513亿美元,复合年增长率8.5%的速度增长,从2021年到2030年(Saurabh武断的话,2022)。

在美国,热能耗约占一半的建筑物能源总需求和预计将增加在未来几年。热能存储是大规模可再生能源的一个重要推动者部署以及过渡脱碳建筑物和能源系统到2050年在美国(energy.gov)。

冷热的生产可以取代化石燃料的热能存储,减少有限公司₂排放和昂贵的峰值功率和热的要求生产能力。更广泛地利用热量和冷藏、计算,欧洲可以每年节省约140万妇女,避免4亿吨CO₂排放在建筑和工业领域(IRENA 2013)。能源存储技术,然而,面对一些市场准入的挑战。成本通常是一个大问题。在相变材料(PCM)的存储系统,也需要提高存储性能的稳定性,与材料的品质。个pcm都市场的规模估计约19亿美元,2019年预计增加17.4%以上的速度从2020年到2026年(GMI公司,2020)。PCM在包装行业的需求将会增加,由于电子商务行业的扩张和不断上升的投资尖端包装趋势,特别是对食物材料。

我们现在在这个专业大挑战的重要性热能存储和热能存储系统的主要挑战。废热回收的作用,需要预先给出了余热回收系统。

热能存储的重要性

热能存储媒体冷热称为热能储存材料。在热能存储两个力学等热物理的或热化学机制(或两者都是基于存储的类型)。热物理的机制是基于能源存储材料的内部能量差在不同的州,而可逆化学反应驱动的热化学机制取决于反应焓。根据能源使用的类型,储能系统的热效率可达90%。热能存储的使用有潜力提高能源效率的过程,一个函数,其他能源储存技术很难实现。热能存储的另一个有趣的角色是其显著的潜力增加电动汽车的效率和范围,目前有一个不到200公里的范围。使用空调时,范围是减少30% - -40%。最后,集成的热能存储peak-shave发电厂可以极大地提高他们的能力和引人注目的低碳捕获的价格。

热能存储的挑战

潜热存储系统最近已经证明他们有故意的优势。个pcm都在潜热存储系统的使用已被证明是一个有效的方法利用太阳能和工业废弃物的热,但也显示有前途的发展热领域的监管。吸附材料,液体和固体之间的波动状态,存储、释放和吸收热量。他们可能会存储大量的热能,在相变潜热。这些产品的主要优点是,他们存储/释放能量。尽管还存在许多缺点,研究进行克服的障碍,阻碍采用吸附。几好处个pcm都是可变的相变温度,熔化热高、化学惰性、高存储容量,没有相隔离,self-nucleating,降低蒸汽压在融化。此外,这些材料有多种用途,包括太阳能储能、智能织物,生物医学,电子冷却。PCM的主要缺点是较低的导热系数,从而增加相移过程中热阻。绝大多数个pcm都有其自身的缺点,包括低相变焓变、弱特定的加热,热导率差,过冷,体积变化,相隔离,等。因此,提高有效相变储热物理的特点是必要的热能存储。低导热系数的PCM将迫使供热系统运行更长的时间,以提供热能,消耗更多的能源,提高单元的电费。因此,有必要增加吸附石蜡的导热系数为了创建节能型热能存储系统。考虑到技术挑战与热能存储材料,材料的能量密度需要改善。另外,耐用性和材料的热性能扩展到大规模应用程序应该改进。有必要开发先进制造技术来创建热能存储设备与控制充电和放电速率和降低界面热阻。热能存储设备必须集成到能源网络,进一步提高系统的可靠性,系统级性能和满足系统动力学的能力。

热能存储系统的经济性能很大程度上受到了很多因素的影响,包括存储的数量/频率周期。一般来说,PCM和热化学存储系统比显热系统更加昂贵。新建筑的建设率低成熟经济体是一个主要的约束为热能存储部署,而热能存储系统部署更大潜在的新兴经济体。

成本是一个主要的障碍热能存储技术的市场渗透。其他的障碍与稳定性和材料的品质,特别是关于热化学存储。为每个存储应用程序的独特的边界条件和要求,一个独特的热能存储设计是必要的。

废热回收系统的作用

恢复的过程从排气热能,使用它在其他操作被称为废热回收。据估计,多达50%的能源用于工业和废热最终消散。全球石油和天然气废热回收市场预计增长5.2%的复合年增长率从2021年到2027年,从2020年的89.729亿美元到2027年的131.9亿美元(QYResearch 2021)。

有一个重要的热量损失的环境大多数化石燃料能源系统。或者,这种能量可能被捕获和用于打开加热系统。以来的一个主要元素影响多少排放对环境的影响是他们的温度,这确实会减少排放和对环境的后果。各种工业过程使用不同的能源和产生的废热。至关重要。因此,分析工业过程完全实现工业废热的潜力。同样重要的是要看看什么合适的废热回收方法可以应用到每个部门的系统。此外,检查的价值来源和产生的废热将有助于选择最佳工业废热回收方法操作。

建议走向post-COVID-19时代先进浪费能量回收系统。图1描绘了迫切需要先进的浪费能量回收有限公司₂减排post-COVID-19时代。提高热系统的性能可以显著减少全球温室气体排放(亨利et al ., 2020)。例如,据预测,废热回收在英国公司可以节省大约40 TW h每年的能源(Jouhara et al ., 2018)。此外,通过保存这么多能源有限公司₂排放量将会降低每年近1000万吨(https://bulb.co.uk/carbon-tracker/)。因此,它是至关重要的优先创建先进的浪费能量回收系统,将有助于降低能源使用和有限公司₂排放。

结束语

热能存储是至关重要的减少我们对化石燃料的依赖。热能存储重要的效用和建筑的能源供应链。目前,广泛受到高热能存储实现初始资本成本。需要继续研究降低成本利用低成本替代能源存储材料。此外,未来能源存储系统应该提供更高的能量储存。促进采用热能存储、资助新存储材料的研究和发展是至关重要的,也是立法变化和投资激励热能存储集成建筑,商业和工业应用,变量可再生能源发电。各种热存储技术(明智的、潜在的和热化学)是在不同的发展阶段。大规模储能,显热储存方法是首选的潜热的方法。然而,在建筑中使用潜热储能冷却系统是流行在最近几天。参照PCM和热化学存储系统,研究和开发非常重要。 For industrial processes with fluctuating heat demands, the uses of high temperature PCMs are now being explored. It is crucial for various stakeholders to create an effective strategy and workable methods for thermal energy storage通过常规和可再生能源,以提高该技术的作用和市场份额。确定的可能影响热能存储在现有和未来的可持续能源组合是非常重要的。此外,有必要研究法规和政策背后的主要力量在不同层次上的实现,使热能存储而提高过程和工业应用。

有效的分布式蓄热可能发挥重要作用的数量在减少发电机容量因子和利用率较低,以及电网的需要加强。此外,热能存储系统的使用可能会由于经济影响初始安装和后续维护的要求。这将需要新的技能的发展,包括专业知识,特别是在系统的有效和高效的维护。

上一节热科学和能源系统专注于创新的概念、测量方法和结果等领域的传热传质和/或流体,以及技术领域的热能工程,例如,但不限于,新能源材料,浪费能源、热能存储技术,能源计量与管理技术,可持续性的能源系统,等。本节主要支持低碳环保、减缓气候变化,和可持续发展的目标,以及多学科研究。它特别关注最新的技术发现和材料领域的创新能源科学。我们的发展,这使得这一新的和有趣的部分在热能工程前沿我们现在邀请你贡献的出版物,解决本文中提到的挑战,在《华尔街日报》的范围。雷竞技rebat我们鼓励作者提交的研究,可以适用于跨学科和多学科的观众energy.gov 2021。

作者的贡献

AA-Orginal草案准备和OM-Review、编辑和监督。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

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