Согласно исследованию «Five thermal energy grand challenges for decarbonization», в котором излагаются пять основных проблем декарбонизации тепловой энергии, примерно 90 % мирового энергопотребления связано с генерированием или обработкой тепла, включая охлаждение зданий и продуктов питания. Солнечная и ветровая энергия являются важной частью решения проблемы изменения климата, но эти возобновляемые технологии сами по себе, вероятно, никогда не будут обеспечивать энергией многие промышленные процессы, такие как производство стали.
Современные возобновляемые технологии - самый дешевый источник электроэнергии, который есть сегодня, но солнечная и ветровая энергия непостоянны и составляют небольшой процент мировой энергии. Этот объем нужно увеличивать, но также необходимо обезуглероживать тепло и использовать тепло для хранения электричества от солнца и ветра.
Одной из основных задач теплотехники является сохранение избыточной энергии ветра и солнца в виде тепловой энергии в течение нескольких дней, а затем преобразование ее обратно в электричество, когда это необходимо. Полная декарбонизация электричества снизит антропогенные выбросы парниковых газов примерно на четверть. Получение 70 или более процентов электроэнергии из возобновляемых источников энергии потребует значительного увеличения количества накопителей электроэнергии. Расширение наиболее распространенной современной технологии - гидроаккумулятора с насосом - ограничено географией, а литий-ионные батареи слишком дороги для хранения избыточной возобновляемой энергии в течение нескольких дней.
Ключевым преимуществом накопителей тепловой энергии является их низкая стоимость в больших масштабах. Хотя преобразовать электричество в тепло относительно легко, ключевой проблемой для хранения тепловой энергии является значительное снижение эффективности при преобразовании тепла обратно в электричество.
Исследователи пришли к выводу, что некоторые крупномасштабные технологии аккумулирования тепловой энергии все еще находятся на ранней стадии разработки, поэтому необходимо продолжить изучение конкурирующих технологий, использующих другие материалы и механизмы аккумулирования тепла.
Еще одна серьезная проблема - генерирование чрезмерного тепла, необходимого в промышленных процессах, таких как производство цемента, стали, алюминия и водорода. Выбросы парниковых газов в промышленном секторе составляют более 15% глобальных выбросов, большая часть которых связана с обеспечением теплом при температурах от 100 до 1000 градусов Цельсия (от 212 до 1832 градусов по Фаренгейту).
Согласно анализу, с быстро снижающейся стоимостью возобновляемой электроэнергии и потенциально свободным от парниковых газов водородом промышленный сектор может быть обезуглерожен с помощью резистивных нагревателей или водородных камер сгорания. Однако серьезные научные и инженерные проблемы все еще остаются.
Третья серьезная проблема находится на противоположной стороне теплового спектра: охлаждение. Цель состоит в том, чтобы изобрести хладагенты как для пищевых продуктов, так и для кондиционирования воздуха без сегодняшней утечки гидрофторуглеродов, набора чрезвычайно мощных парниковых газов. Успешные новые хладагенты должны быть негорючими, нетоксичными и доступными по цене, а также предпочтительно использовать их в современных системах.
На отопление помещений и воду в жилых и коммерческих зданиях приходится более 6% выбросов парниковых газов в США. Новые строительные материалы, которые могут как проводить тепло, так и блокировать его - по запросу - необходимы для снижения потребления энергии на отопление и охлаждение. По словам исследователей, возможность контролировать теплопроводность в оболочке здания может сэкономить от 10 до 40% выбросов парниковых газов, поэтому это представляет собой еще одну достойную проблему, которую нужно решить.
Наконец, особенно важной задачей является развитие способности передавать тепло на большие расстояния с небольшими потерями энергии. Сегодня это достигается с помощью пара. Целью здесь является разработка теплового эквивалента линии электропередачи - эффективного метода транспортировки тепла мегаваттного масштаба с использованием минимального оборудования и материалов. Открытие теплового сверхпроводника могло бы сделать это возможным, но практичность его масштабного развертывания не ясна. По словам исследователей, еще одним потенциальным направлением исследований является открытие новых перекачиваемых жидкостей с обратимыми химическими реакциями для передачи энергии в химической, а не термической форме.
Доклад подготовлен экспертами из Стэнфордского университета, Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и опубликован в Nature Energy.
С использованием https://techxplore.com
