Мобільні теплові акумулятори (M-TES) — використовуються для накопичення та транспортування теплової енергії, що надійно забезпечує опаленням та гарячим водопостачанням об'єкти критичної інфраструктури та окремі об'єкти комунальних, промислових і приватних споживачів у випадках відсутності централізованого теплопостачання або при ліквідації наслідків аварій, катастроф та бойових дій.

Призначення мобільних акумуляторів теплової енергії Мобільні акумулятори тепла (англійською мовою: Mobile thermal energy storage, скорочено: M-TES) забезпечують теплом різні види споживачів: від житлових та офісних, службових і громадських будівель до промислових споживачів. Отримане таким чином тепло може бути використано для опалення та гарячого водопостачання або для систем охолодження та кондиціювання повітря, в теплових промислових технологічних процесах та генерації електричної енергії тощо.

У багатьох випадках мобільні акумулятори теплової енергії можна розглядати як альтернативу традиційним рішенням в області теплопостачання (використання традиційних теплотрас або окремих котелень).

Наразі M-TES в основному використовуються тоді, коли будівництво тепломережі не рентабельне або технічно неможливе. Крім того, якщо тепло подається через нерегулярні проміжки часу, будівництво теплового трубопроводу може бути невиправданим. Великі перспективи має використання M-TES для постачання теплоти між різними джерелами, а саме від джерел з низькою вартістю енергії до джерел з вищою собівартістю енергії. При цьому додатково збільшується ризикозахищеність і живучість загальної системи опалення, а також покращується екологічний стан навколишнього середовища.

Мобільні теплові акумулятори мають великий потенціал. Актуальним є використання технології M-TES як додаткового або аварійного джерела теплової енергії при надзвичайних ситуаціях техногенного та природного характеру. Інтеграція мобільного теплового акумулятора в систему центрального та автономного теплопостачання дозволяє передавати теплову енергію на відстані до кількох кілометрів без трубопровідного транспорту від одних джерел генерації теплоти іншим або від джерел генерації до споживача, що значно зменшує матеріальні втрати теплоносія, собівартість теплоти та підвищує економічну ефективність теплопостачання.

Конструкція M-TES

Конструкція M-TES зазвичай складається з суховантажного контейнера або танк-контейнера, в якому розміщуються: окремі металеві теплоізольовані резервуари або баки накопичення теплової енергії прямого або непрямого нагріву, заповнені теплоакумулювальним матеріалом (ТАМ); індивідуальний тепловий пункт (ІТП) в складі рамки керування, оснащеною теплообмінним обладнанням та циркуляційними насосами, контрольно-вимірювальною системою для контролю роботи процесу зарядки-розрядки й температурних режимів, а крім того вузлом підключення до джерела або системи опалення споживача. До складу M-TES входить транспортний засіб, як правило автомобільний, а в окремих випадках залізничний або навіть морський для транспортування контейнера з обладнанням від джерела теплоти до споживача і навпаки в умовах від'ємних температур зовнішнього повітря.

Вимоги до роботи M-TES M-TES має забезпечувати безперервну роботу протягом зміни та за необхідності робити зупинку для проведення допоміжних робіт з відновлення працездатності, в тому числі: ремонту, технічного обслуговування, усунення відмов тощо. Загальна тривалість допоміжних робіт за добовий цикл складає не більше 3 годин. Режим роботи обслуговуючого персоналу — періодичний, відповідно до плану технічного обслуговування і ремонту устаткування із середньою зайнятістю в зміну на одну людину не більше 1,5 години. При ліквідації аварій, пожеж та інших позаштатних ситуацій режим роботи виробничого та сервісного персоналу не регламентується.

Комплексні показники надійності характеризує:

Коефіцієнт технічного використання за умови: КТВ ≥ 0,8 Коефіцієнт готовності КГ ≥ 0,98, який визначає готовність M-TES до застосування за призначенням в довільний момент часу.

У той же самий час працездатність M-TES не виключає наявність несправності обладнання, що не перешкоджає випуску теплової енергії та не загрожує здоров'ю людей чи навколишньому середовищу.

За режимами функціонування M-TES відносяться до виробів безупинного тривалого застосування та є системою дискретного (переривчастого) опалення.

Система дискретного опалення

Процес використання M-TES включає кілька етапів:

завантаження транспортування поступове розвантаження мобільних теплових акумуляторів (МТА), відповідно попиту споживача.

Відстань транспортування часто визначається економічними міркуваннями. Важливий відсоток припадає на матеріал, що акумулює тепло: прямого збереження теплоти або із фазовим переходом. Частіше застосовується їх комбінація, що уможливлює використання як прямого, так і прихованого тепла, причому прихована теплота становить, як правило, більш значний відсоток.Демченко В. Г., Трубачев А. С. і Гронь С. С. Оцінка впровадження дискретної системи опалення населеного пункту експрес-методом «3Е». Теплофізика та теплоенергетика 41.1 (2019). С. 43–53.

Для оптимального використання системи дискретного опалення повинні паралельно працювати 2 мобільних теплових акумулятори. Поки перший знаходиться у процесі завантаження на джерелі теплової енергії, другий розвантажується у споживача. Це важливо, коли M-TES використовується для подачі кількості тепла, необхідного для задоволення загального попиту споживачів. У таких випадках M-TES слугує основним (і часто єдиним) джерелом тепла. Однак також важливо використовувати M-TES як додаткове або в екстреному випадку як аварійне джерело теплової енергії, особливо в період проведення бойових дій, блекауту та надзвичайних ситуацій. Сильними сторонами системи дискретного опалення є її гнучкість та можливість застосування у будь-якій галузі діяльності, легкість застосування, швидкість та висока ефективність. Слабким є те, що запропонована нова система дискретного опалення на даний час потребує стандартизації в Україні.

Теплоакумулювальні матеріали для систем M-TES Вода є найпоширенішим і найдоступнішим теплоакумулювальним матеріалом (скорочено: ТАМ), але її використання обмежене температурою 50-100 °C. Однак слід зазначити, що пряме акумулювання тепла має низку обмежень, включаючи високу межу кількості тепла, яке може бути збережене на одиницю об'єму ТАМ, і температурний діапазон, у якому зберігається тепло, що акумулюється у прямому вигляді.

Для низькотемпературної теплової енергії, яка широко розповсюджена у вигляді відпрацьованого тепла, на сьогодні існує декілька перспективних напрямів досліджень накопичення та транспортування теплової енергії, таких як пряме зберігання, використання процесів оборотних хімічних реакцій, реакцій фазових переходів та хімічної адсорбції.

Для транспортування високотемпературної теплової енергії в основному застосовуються оборотні хімічні каталітичні реакції або природні каміння та керамічні матеріали.

Наступна група ТАМ — це природні та штучні парафіни й сольові гідрати. Цукрові алкалоїди та нітрати наразі використовуються рідше через їхню високу корозійну здатність. Термохімічні матеріали для зберігання мають високий потенціал для застосування, але потребують подальших наукових і практичних досліджень.

Історична довідка Одним з прикладів прямого акумулювання є використання як ТАМ мазуту. Така мобільна система транспортування тепла Altovator була розроблена і випробувана ще у 1980-х роках в Німеччині. У першому пілотному проєкті відпрацьоване тепло відбиралося з печей скляного заводу, зберігалося в мазуті при температурі 320 °C і транспортувалося до лікарні, розташованої за 38 кілометрів. Ці чинники в поєднанні з обмеженнями з транспортування небезпечних вантажів обмежили подальший інтерес до використання цього методу для M-TES.

Оцінка доцільності використання систем M-TES Акумуляція теплової енергії включає низку різноманітних технологій, кожна з яких має свою особливу продуктивність, напрям застосування та вартість. Більшість досліджень зосереджувались на теплових характеристиках обраного сховища матеріалів та швидкості теплопередачі, включаючи оцінку методів для посилення теплообміну.

Детальний аналіз досліджень, проведених на сьогодні, і результатів комерційних рішень M-TES свідчить, що найбільш часто розглядаються методи термохімічного акумулювання тепла та акумулювання тепла з використанням матеріалів із фазовими змінами (англійською мовою: phase change materials, скорочено: РСМ).

Натурні випробування показали, що системи M-TES, засновані на прямому акумулюванні тепла, забезпечують потужність акумулювання тепла від 10 до 50 кВт·год/т і ефективність зберігання від 50 до 90%, залежно від питомої теплоти накопичувального середовища та технологій теплоізоляції. Матеріали з фазовим переходом можуть забезпечити більшу ємність зберігання та ефективність, що перевищує 75-90%. У більшості випадків зберігання базується на зміні співвідношення твердої та рідкої фаз із щільністю енергії близько 100 кВт·год/м3. Системи термохімічного зберігання можуть сягати потужності зберігання до 250 кВт·год/т з робочою температурою понад 300 °C і ефективністю від 75% до майже 100%.

Техніко-економічна доцільність залежить від потужності накопичувачів M-TES, а також від попиту споживача на теплову енергію. Вартість повної системи для прямого зберігання тепла коливається від 0,1 до 10 євро/кВт·год залежно від обсягу, напрямку застосування та технології теплоізоляції.

Фінансові витрати на реалізацію систем термохімічного зберігання та систем з фазовим переходом зазвичай значно вищі. У цих системах основні витрати пов'язані з технологіями теплопередачі і масообміну, які необхідні для досягнення достатньої потужності процесу заряджання/розряджання.

Окремо варто виділити високотемпературні системи з використанням вогнетривкої кераміки як ТАМ, які дозволяють отримувати найбільшу ємність зберігання до 1,2 МВт·год на м3. Застосування таких матеріалів дозволяє зберігати температуру до 1300 °C, що дає змогу отримувати не тільки теплову, а й електричну енергію при розрядці акумулятора.

Однак системи M-TES стикаються з деякими бар'єрами для входу на ринок. У більшості випадків головною проблемою є вартість. Системи зберігання на основі термохімічних реакцій та PCM також потребують покращення продуктивності зберігання, яка пов'язана з властивостями стабільності матеріалу.

Огляд комерційно-доступних систем M-TES Зазвичай розробники систем не розкривають комерційних таємниць, насамперед це стосується конструкції теплообмінного обладнання та вибору матеріалів для зберігання енергії.

Хронологічний порядок комерційно доступних систем M-TES, що досліджуються в межах експериментальних та комерційних проєктів. + Країна ТАМ Потужність Джерело тепла Вага Рівень готовності ПосиланняНімеччина

2009 рікТригідрат ацетату натрію,

230 кДж/кг2,5 МВт·годВТЕР30 тоннКомерційний LaThermhttps://www.cleanthinking.de/latherm-unternehmenportraet/

https://www.nedo.go.jp/content/100899763.pdfЯпонія,

2009 рікЕрітритол,

340 кДж/кг2,3 МВт·годВТЕР24 тонниКомерційний Trans-heat containerhttp://www.iea-eces.org/files/090525_broschuere_ eces.pdfНімеччина,

2015 рікЦеоліт2,3 МВт·годВТЕР14 тоннПілотні дослідженняУкраїна,

2020 рікКомбінована: Термофлюід та церезин

360 кДж/кг1,2 МВт·годВТЕР12,0 тоннДослідна експлуатація

МТА-0,5МВтДемченко В. Г., Фалько В. Ю. та Гронь С. С. (2018). Мобільні акумулятори для дискретних систем теплохолодопостачання. Частина 1. Теплофізика і теплоенергетика. № 40 (2). С. 20–26.

Демченко, В. Г., Трубачов, А. С., Фалько, В. Й., та Гронь, С. С. (2018). Мобільні акумулятори для дискретних систем теплохолодопостачання. Частина 2. Теплофізика і теплоенергетика. № 40 (3), С. 57–69.Канада

2021 рікТермохімічна реакція LiBr/H2О0,4 МВт·годВТЕР і ВДЕ0,4 тонниПілотні дослідженняНімеччина

2021 рікВогнетривка кераміка 1,2 МВт·год на м³4,0 — 60,0 МВт·годВТЕР10,0 тонн і більшеКомерційний Kraftblockhttps://kraftblock.com/en/Польща