Термальные батареи могут сократить затраты на электроэнергию для промышленного отопления в США вдвое цели: промышленность.
Промышленные объекты США несут прямую ответственность примерно за четверть выбросов парниковых газов в стране. Около 84% промышленных выбросов, связанных с энергетикой, приходится на сжигание ископаемого топлива для обеспечения теплом производственных процессов, таких как плавка металлов, формование пластмасс и проведение химических реакций. Декарбонизация промышленного тепла имеет решающее значение для выполнения обязательств США по сокращению выбросов.
К счастью, новая экологически чистая технология — промышленные тепловые батареи — может стать решением проблемы сокращения промышленных выбросов парниковых газов и снижения затрат на электроэнергию в промышленности. Эти батареи могут снизить стоимость электроэнергии для промышленного отопления на 50–63 %, коренным образом изменив процесс принятия бизнес-решений в отношении электрификации технологического теплового оборудования, при этом удовлетворяя до 90 % потребности в тепле для промышленных процессов.
Тепловая батарея преобразует электроэнергию в тепло, хранит тепло в течение нескольких часов или дней и может отдавать выходное тепло при температурах до 1 500–1 700 °C, когда тепло необходимо промышленному потребителю с 95% эффективность туда-обратно. На приведенном ниже рисунке показано, как термическая батарея заряжается с помощью электрического нагревателя сопротивления, а затем выделяет тепло посредством горячего газа или видимого и инфракрасного света.
Диаграмма тепловой батареи
Energy Innovation” Policy & Technology LLC Новое исследование Energy Innovation моделирует затраты, экономию и производительность тепловых батарей. Исследование показывает, что эти батареи могут обеспечить надежное тепло по цене от 35 до 62 долларов за мегаватт. час (МВтч) тепловой мощности, снижая затраты на производство тепла из электроэнергии до уровня, конкурентоспособного по сравнению с продолжающейся эксплуатацией существующего оборудования, работающего на природном газе.
БОЛЬШЕ ОТ FORFORBES ADVISOR
Промышленные тепловые насосы оказывают такое же влияние на экономическую эффективность, но тепловые батареи работают в гораздо более широком диапазоне температур, чем тепловые насосы, что значительно расширяет типы нагревательных процессов, которые могут быть экономично электрифицированы.
Чтобы ускорить развертывание тепловых батарей, правительству следует использовать программы финансирования (такие как кредит проекта Advanced Energy и программа развертывания передовых промышленных объектов), а IRS должно издать руководство, подтверждающее, что тепловые батареи имеют право на 45X Advanced Производственный кредит.
Сокращение производственных издержек, сбалансированное использование возобновляемых источников энергии
В 2022 году в промышленности США было использовано около 14 000 петаджоулей горючего топлива (исключая сырье), почти все для производства тепла при температуре ниже 1000 °C для таких применений, как производство пара или нагревательное оборудование, такое как печи.
или печи. Тепловые батареи хорошо подходят для обеспечения этого тепла. Хотя некоторые процессы создают проблемы для тепловых батарей (например, первичное производство стали) или требуют предельной точности (например, кислородно-ацетиленовая сварка), они составляют менее 5% промышленного энергопотребления в США. Таким образом, промышленные тепловые батареи имеют обширный адресный рынок и потенциал для сокращения выбросов парниковых газов.
Потребление энергии в обрабатывающей промышленности США в зависимости от температурного диапазона 2022
Energy Innovation: Policy & Technology LLC Существует два подхода к эксплуатации тепловых батарей. Аккумуляторы , следующие за поколением , позволяют промышленным предприятиям более эффективно использовать автономную ветровую и солнечную генерацию. Тепловые батареи , охотящиеся за ценой, позволяют подключенным к сети предприятиям покупать электроэнергию в те часы, когда она самая дешевая. Возможны также гибриды этих подходов.
Предприятия, покупающие электроэнергию из сети, должны платить по розничному тарифу, который покрывает не только затраты на производство электроэнергии, но и связанные с ней расходы на передачу, распределение и накладные расходы. Предприятие может покупать электроэнергию дешевле, работая напрямую с солнечными или ветровыми проектами, используя тепловые батареи для компенсации изменчивости солнечной и ветровой энергии, обеспечивая надежную доступность дешевого тепла для промышленного использования.
Эта надежность зависит от количества часов накопления тепла аккумулятором и скорости отключения электроэнергии, или готовности производить избыточную электроэнергию в самые солнечные и самые ветреные часы, чтобы ее было достаточно в течение длительных периодов меньшей выработки. Компоненты стоимости тепла, доставляемого тепловой батареей, показаны ниже для места в Калифорнии, где используется только солнечная энергия, и места в Техасе, где используется смесь ветра и солнца. Затраты выше в месте, полностью зависящем от солнечной энергии, потому что для надежного снабжения теплом требуется более крупная тепловая батарея (и большее сокращение) по сравнению с местом, обслуживаемым смесью ветра и солнца.
Компоненты LCOE для каждой смоделированной тепловой батареи
Energy Innovation: Policy & Technology LLCПринимая во внимание капитальные и эксплуатационные затраты на тепловые батареи, они обеспечивают тепло в размере от половины до одной трети стоимости прямого использования электроэнергии из сети, что делает их затратными конкурентоспособна с ценами на природный газ.
Сравнение цен на технологическое тепло с поправкой на эффективность
Energy Innovation: Policy & Technology LLC Цены на электроэнергию в сети могут меняться в зависимости от выработки энергии из возобновляемых источников, ограничений на передачу и спроса. Объект с использованием ценовая охота тепловая батарея может воспользоваться этими колебаниями цен. Аккумулятор позволяет фабрике покупать электроэнергию, когда стоимость низкая, и избегать покупки электроэнергии в часы с высокой стоимостью. На приведенном ниже графике показано состояние заряда тепловой батареи (желтая линия), когда она заряжается и разряжается в ответ на изменения цены на электроэнергию в сети (синяя линия).
Цена на электроэнергию и уровень заряда тепловой батареи
Energy Innovation: Policy & Technology LLCИдеальная конфигурация батареи обеспечивает минимально возможную стоимость единицы за счет баланса между экономией электроэнергии и более высокими капитальными затратами, связанными с более быстрой скоростью зарядки и большей емкостью. В 2020 году оптимизированная тепловая батарея сможет надежно поставлять тепло при покупке электроэнергии по средней цене 10,50 долларов США за мегаватт-час (МВтч) по сравнению со средней ценой 30,80 долларов США за МВтч без тепловой батареи. В 2022 году, в год более высоких цен на электроэнергию, стоимость составляла 27,18 долларов за МВтч с аккумулятором против 62,35 доллара без него.
Польза для общества
Тепловые батареи производят энергию без вредных выбросов, которую можно использовать в производственных целях, не увеличивая нагрузку на существующую сеть. Аккумуляторы для охоты за ценой потребляют энергию в часы, когда она менее привлекательна для других целей.
Они также обеспечивают гибкость сети, снижая потребление электроэнергии в периоды стресса, когда могут произойти перебои. Упрощение для коммунальных служб управления сетью с высоким содержанием возобновляемых источников энергии и предотвращение отключений электроэнергии принесет пользу всем, особенно районам с низким доходом, которые несоразмерно страдают от перебоев в подаче электроэнергии.
Интеллектуальная политика может ускорить развертывание тепловых батарей
Принятие новой политики жизненно важно для снижения затрат на тепловые батареи и ускорения их развертывания. Федеральное правительство могло бы предложить финансовые стимулы для тепловых батарей через программы через Управление промышленной эффективности и обезуглероживания, Управление демонстраций чистой энергии, кредит проекта Advanced Energy и Программу развертывания передовых промышленных объектов.
Закон о снижении инфляции также разрешил кредит 45X Advanced Manufacturing Production для производителей экологически чистых технологий, связанных с энергией, включая «батарейные модули», которые не зависят от электрохимических «батарейных элементов».
В своем следующем руководстве по кредиту IRS должно подтвердить, что промышленные тепловые батареи являются защищенной технологией хранения энергии.
Федеральная комиссия по регулированию энергетики должна определить, что промышленные потребители с тепловыми батареями платят за доступ к электрической сети по сниженной цене, поскольку они обеспечивают преимущества для энергосистемы. Операторов сетей можно поощрять к осознанию преимуществ гибких ресурсов, таких как тепловые батареи, и для батарей, оснащенных возобновляемыми источниками энергии, для ускорения их подключения к сети.
Наконец, государственные комиссии по коммунальным предприятиям могли бы создать новый тарифный класс для гибких нагрузок, таких как тепловые батареи, и обеспечить, чтобы действующие коммунальные службы облегчали и потенциально получали прибыль от развертывания тепловых батарей.
Беспроигрышный вариант для промышленности США
Тепловые батареи могут способствовать электрификации промышленности и более быстрому переходу к чистой промышленности.
Они поставляют тепло до 1500-1700 °C, чего достаточно для удовлетворения более 90% потребностей в тепле промышленных процессов, удовлетворяемых горючими видами топлива.
При правильной политической среде тепловые батареи способствуют развитию чистой и конкурентоспособной промышленности США, укрепляют технологическое лидерство США и снижают загрязнение обычными и парниковыми газами. Политики должны воспользоваться этой беспроигрышной возможностью, чтобы инвестировать в производство в США, защищать здоровье населения и способствовать достижению климатических целей США.
Чтобы узнать больше, подпишитесь на рассылку программы Energy Innovation Industry, чтобы получать уведомления о будущих исследованиях, включая Zero-Carbon Industry , нашу готовящуюся книгу издательства Columbia University Press.
Калифорнийская жара — важный момент для батарей
Во время жары в конце лета в Калифорнии золотой час становится часом опасности. В офисе Калифорнийского независимого системного оператора, который управляет сетью штата, накаляется обстановка.
Их миссия состоит в том, чтобы электроны двигались туда, куда они должны идти, иначе это приведет к отключению электроэнергии для миллионов людей.
Этот риск возникает из-за кратковременного, но важного несоответствия между спросом и предложением. Растущая доля энергии штата вырабатывается солнечными панелями, которые в прошлом году составляли примерно пятую часть ее поставок. Но по мере того, как солнце садится и эти панели перестают получать фотоны, спрос на электроэнергию продолжает расти. Люди возвращаются домой с работы и включают свои электромобили, а затем включают кондиционер, чтобы избавиться от дневной духоты. Может быть, они готовят ужин и запускают посудомоечную машину. Между тем, на работе свет в офисе, вероятно, все еще гудит.
Таковы были опасения во время чрезвычайной ситуации с жарой на этой неделе, когда десятки городов побили небывалые температурные рекорды, а потребность в энергии резко возросла. Но на этот раз у Калифорнийского ИСО было больше возможностей для работы: относительно новый парк сетевых батарей.
Они рассчитаны на то, чтобы удерживать свою мощность около четырех часов — ровно столько, чтобы покрыть вечерний перерыв. Согласно анализу BloombergNEF, при пиковой производительности около 6 процентов энергоснабжения приходится на эти разряжающиеся батареи по сравнению с 0,1 процента в 2017 году. В прошлом году мощность почти удвоилась. Сразу после 18:00 во вторник батареи превзошли мощность последней оставшейся в штате атомной электростанции, достигнув пика чуть менее 3000 мегаватт.
Был и второй толчок, на этот раз со стороны спроса. Примерно в 17:45 телефоны миллионов калифорнийцев зазвонили, когда поступил сплошной текст, умоляющий их отложить все эти вечерние ритуалы, чтобы сэкономить энергию. Судя по всему, так и было. По словам Анны Гонсалес, представителя ISO в Калифорнии, в течение следующих 20 минут из сети исчезло более 2000 мегаватт электроэнергии. Это произошло так быстро, что многие специалисты по энергетике были ошеломлены. «Я был приятно удивлен, увидев, как все объединились, — говорит Райан Ханна, исследователь энергии из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
В целом, говорит Ханна, использование батареи и текстовые оповещения являются относительно «маргинальными» вкладами в поддержание баланса между спросом и предложением, учитывая рекордное пиковое потребление на этой неделе: 52 000 мегаватт. В вечерние часы штат по-прежнему полагается на природный газ для пополнения электроснабжения, а также на импорт из других штатов. (Для сравнения, пиковая мощность газа достигла почти 27 000 мегаватт.) Но в условиях кризиса, подобного нынешнему, «прибыль — это все», — добавляет он. В то время как коммунальные предприятия в нескольких общинах области залива во вторник продолжали чередующиеся отключения, затронувшие около 50 000 клиентов (результат того, что Калифорнийский ISO позже назвал недопониманием), это было намного меньше, чем ожидалось. В среду и четверг, несмотря на приближение к рекордному спросу во вторник, отключений электроэнергии снова удалось избежать.
Это был относительно медленный разгон для крупномасштабного развертывания батарей.
Усилия по капитальному ремонту сети и созданию дополнительных хранилищ начались десять лет назад, но отставали от производства возобновляемой энергии, такой как ветряные и солнечные фермы, с точки зрения фактических установок. Отчасти это связано с тем, что аккумуляторы представляют собой регулятивную загадку. Чтобы найти правильные стимулы для источника энергии, который хранит, а не производит энергию, требуется некоторая сложная математика. Кроме того, несмотря на то, что солнечные панели и ветряные турбины в настоящее время распространены повсеместно, у операторов сетей меньше опыта развертывания батарей в больших масштабах, поэтому технические неопределенности остаются. Крупнейшая в штате батарея мощностью 1600 МВт-часов, расположенная на заводе по производству природного газа в Мосс-Лэндинге, провела почти год в основном в автономном режиме из-за проблем с регулированием температуры огромных штабелей литий-ионных батарей.
Есть и другие проблемы, которые нужно устранить. Ранее на этой неделе некоторые батареи начали разряжаться раньше, чем ожидалось, когда цена, которую операторы батарей платят за свою энергию, превысила установленный государством предел.
За последние два года разница в использовании аккумуляторов ранним вечером была резкой — увеличение более чем в 10 раз при пиковом использовании в 2022 году по сравнению с 2020 годом. 2045 г., по сравнению с сегодняшними 3 гигаваттами.
И это хорошо, отмечает Каммен, потому что в какой-то степени Калифорнии повезло с большей частью этой жары. Хотя было очень жарко, но не ветрено.