Сезонне зберігання енергії в алюмінії для 100-відсоткового сонячного тепла та електроенергії

Основні моменти

• Окислювально-відновний цикл алюмінію є багатообіцяючим кандидатом на сезонне зберігання енергії.

• Енергія, яка хімічно зберігається в Al, може досягати 23,5 МВт · г / м 3 .

• Power-to-Al може використовуватися для зберігання сонячної або іншої відновлюваної енергії в алюмінії.

• Водень і тепло можна виробляти при низьких температурах з алюмінію та води.

• ≈500 кг Al потрібно для 100% сонячного живлення, що постачається в Центральній Європі.

Анотація

Щоб зменшити антропогенне глобальне потепління, уряди всього світу вирішили протягом найближчих десятиліть різко скоротити викиди CO 2 з викопного палива. У помірному та холодному кліматі велика кількість викопного палива використовується для обігріву приміщень та виробництва гарячої води вдома взимку. Хоча на щорічній основі сонячна енергія доступна у великих кількостях у цих регіонах, найменше сонячного ресурсу є взимку, коли потрібна більша частина енергії. Тому потрібні рішення для зберігання та передачі відновлюваної енергії з літа на зиму. У цьому документі сезонне накопичення енергії на основі окислювально-відновного циклу алюмінію (Al 3+  → Al → Al 3+) пропонується. Для зарядки електроенергія з сонячних або інших відновлюваних джерел використовується для перетворення оксиду алюмінію або гідроксиду алюмінію в елементарний алюміній (Al 3+  → Al). У процесі викиду алюміній окислюється (Al → Al 3+), виділяючи водень, тепло та гідроксид алюмінію або оксид алюмінію як побічний продукт. Водород використовується в паливному елементі для виробництва електрики. Тепло, що виробляється в процесі окислення алюмінію та за допомогою паливного елемента, використовується для виробництва побутової гарячої води та обігріву приміщень. Представлені хімічні реакції та енергетичні баланси, показані результати моделювання для системи, яка охоплює всю потребу в енергії на електроенергію, опалення приміщень та гарячу воду нового багатоквартирного будинку з фотоелектричною енергією на даху в поєднанні з сезонною енергією Al цикл зберігання. Звідси видно, що для різних квартир Швейцарії знадобиться 7–11 кВт / год фотоелектричних установок та 350–530 кг Al. Дані екологічного життєвого циклу показують, що потенціал глобального потепління та споживання первинної енергії, що не відновлюється, можна значно зменшити порівняно із загальноприйнятою сьогодні практикою обігріву природним газом та використання електроенергії з мережі ENTSO-E. Передбачувана вартість була оцінена і вказує на можливу конкурентоспроможність цієї системи в найближчому майбутньому.

Графічний конспект

Скорочення

кр – кристалічний

CED – cукупний попит на енергію

ГВС – Домашня гаряча вода

ENTSO-E – Європейська мережа операторів системи передачі електроенергії

ESCO – Компанія з енергетичного обслуговування

Європа – Європейський Союз

г – газоподібний

GWP – Потенціал глобального потепління (100 років IPCC)

к.с. – тепловий насос

HHV – Вища ціна опалення - валова величина нагріву (кВт / год / кг)

МГЕЗК – Міжурядова група з питань зміни клімату

л – рідкий

LCA – Оцінка життєвого циклу

MFH – Багатоквартирний будинок (багатоквартирний будинок)

NR – Не поновлювані

с – твердий

ПКМ – Матеріал зміни фаз

ПВ – Фотоелектричні

SH – Космічне тепло

SIA – Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein - швейцарське товариство інженерів та архітекторів

ТЕС – Зберігання теплової енергії

US DOE – Міністерство енергетики США

Ключові слова

Сезонне зберігання енергії

Потужність до X

Алюмінієво-відновний цикл

1 . Вступ

1.1 . Мотивація

Опалення та охолодження будівель та промисловості становить половину споживання енергії Європейського Союзу (ЄС), і 84% цього споживання все ще виробляється з викопних палив [1] . Попит на енергію домогосподарств, включаючи електроенергію, споживає 25% кінцевого споживання енергії в ЄС [2] .

Попит на електроенергію в Європі протягом року є досить постійним. На рис. 1 видно, що виробництво електроенергії взимку лише на 13% вище, ніж влітку [3] . З іншого боку, попит на тепло взимку сильно зростає, особливо в центрально-північному кліматі Європи, де протягом цього сезону є набагато менше сонячної енергії. Приклад наведено на рис. 2 , де подача тепла подається за кожен місяць року на основі даних централізованого опалення Мюнхена [4]. Якщо в майбутньому сонячна енергія стане одним з головних постачальників енергії, потрібні будуть сезонні рішення щодо зберігання енергії, особливо для покриття потреб в зимовому опаленні в цих кліматичних умовах. Запропоновано різні матеріали для розумного, прихованого та термохімічного зберігання тепла або для перетворення поновлюваної електричної енергії в енергетичний вектор, який може зберігатися. Першим кроком технологій Power-to-X зазвичай є електроліз води та отримання водню (X = H 2 ). Через свою низьку молекулярну масу та малий молекулярний розмір, а також з міркувань безпеки, водень не дуже підходить для зберігання великої кількості енергії протягом тривалих періодів часу. Тому робляться спроби утворення інших газів або рідин, таких як метан або метанол (X = CH 4 або X = CH 3ОН), або для розробки матеріалів, які можуть зберігати водень з більшою щільністю. Загалом, кожен етап конверсії вимагає енергії, тобто сприяє втратам при конверсії, і багато пропонованих рішень потребують джерела вуглецю для отримання вуглеводневого палива з Н 2 .

Рис.1 . Загальне виробництво електроенергії в OECD Europe 2017, згідно МЕА [3] .

Рис.2 . Щомісячне тепло, що подається центральним опаленням Мюнхена [4]

Алюміній можна використовувати для отримання водню та тепла в реакціях, що дають 0,11 кг H 2 і, залежно від реакції, 4,2–4,3 кВт · год тепла на кг Al. Таким чином, об'ємна щільність енергії Al (23,5 МВт · год / м 3 ) 1 перевершує щільність енергії водню або вуглеводнів, включаючи нагрівання нафти, в два рази ( рис. 3 ). Осередки електролізу алюмінію (Al) можуть виробляти елементарний Al з оксиду алюмінію (Power-to-Al). Ефективність цього процесу становить приблизно 50%, і, за оцінками, він може бути підвищений до майже 65% за допомогою неспоживаних електродів, змочених катодів, низькотемпературних клітин електролізу та зменшення втрат тепла [5]. При цьому процес отримує твердий матеріал (Al) безпосередньо і може зберігатися без втрат, як бажано довше, з набагато меншими проблемами безпеки, ніж для водню або вуглеводнів.

Рис.3 . Щільність енергії різних технологій зберігання на об'ємній основі. PCM = Матеріали зміни фаз на основі даних, перелічених у Додатку B : Щільність накопичення енергії.

1.2 . Фотоелектричні та теплонасосні системи

З добре ізольованими будівельними оболонками в поєднанні з системами фотоелектрики (ПВ) і теплового насоса (к.с.) можуть бути спроектовані будівлі з чистою нульовою енергією. Щорічно фотоелектричні електростанції забезпечують всю електроенергію, необхідну для побутової техніки, а також для теплового насоса, який постачає опалення приміщення та гарячу воду в побуті [6] , [7] , [8] . Однак у цих системах електроенергія експортується до електромережі влітку, а імпортується взимку. Таким чином, мета ЄС сприяти будівництву майже нульових енергетичних будівель [9].може призвести не тільки до збільшення кількості будівель з великими площами ПВ, інтегрованих у їхні покрівлі та фасади, але й до надмірного виробництва ПВ влітку на місцевому, національному чи навіть міжнародному масштабах. Крім того, необхідно вирішити питання, як покрити додатковий попит на електроенергію взимку, не потрапляючи на викопне паливо та атомні електростанції. З цією метою обговорюються технології Power-to-X, які перетворюють електроенергію в вектор енергії, який може зберігатися. Найбільш помітними прикладами в цьому відношенні є енергоносії та похідні технології [10] .

Виходячи з сучасних доступних на ринку технологій, будинок для односемейного будинку, який утеплений за загальноприйнятими європейськими стандартами в Європі, може досягти чистої нульової енергії за допомогою теплового насоса в поєднанні з 7,2 кВт-пп-установкою, яка покриває як потреба в електроенергії теплового насоса, так як а також електроенергія побутових [7] . Додано тепловий накопичувач (900 л комбінований бак) та побутовий акумулятор (потужністю 7 кВт / год), такі системи показали, що збільшують самоспоживання та самодостатнє ПВ до понад 50% та зменшують попит на електроенергію в мережі 20% доставленої корисної енергії, яка визначається як сума електроенергії та тепла для побутового обігріву та гарячої води вдома [11]. Однак останні 20% енергетичного балансу покладаються на обмін електроенергією з мережею та створюють невідповідність між попитом (більший взимку) та пропозицією (вище влітку) електроенергії. Тому необхідний компактний сезонний накопичувач енергії для подальшого зниження попиту на відновлювану енергію будівель взимку.

1.3 . Сезонне зберігання енергії на базі Al

Ідея використовувати алюміній як енергоносій не нова. Ракети приводилися в дію шляхом спалювання алюмінію [12] , а експерименти з спалюванням алюмінію для комбінованого виробництва тепла та електроенергії були проведені у 80-х та 90-х роках у Швейцарії [13] .

Оглядова стаття про різні способи використання алюмінію як носія енергії та зберігання була представлена ​​Школьниковим та ін. [14] , а експериментальні роботи проводилися різними авторами [15] , [16] , [17] , [18] .

Основними перевагами, пов'язаними з використанням алюмінію як накопичувача енергії, є:

• дуже висока щільність зберігання енергії, як по вазі (8,7 кВт · год / кг), так і більше за обсягом (23,5 МВт · г / м 3 );

• безпроблемність зберігання та транспортабельності;

• рясно наявна в земній корі (третій за частотою елемент);

• відносно низька вартість і добре відомий матеріал.

Як видно з рис. 3 , найближчими конкурентами за об'ємною щільністю накопичення енергії є вугілля та вуглеводні, які покладаються на джерело вуглецю для їх виробництва від технологій енергії до Х. Недоліками цих технологій є те, що джерела вуглецю не завжди доступні, а технічна або біологічна фіксація вуглекислого газу з повітря збільшує вартість і знижує енергоефективність цих ланцюгів харчування-X.

Щоб подолати невідповідність між наявністю відновлюваної, зокрема сонячної енергії, влітку та попитом на тепло та електроенергію взимку, ми пропонуємо сезонне накопичення енергії на основі окислювально-відновного циклу алюмінію (Al 3+  → Al → Al 3+ ). У розділі 2 представлений аналіз компонентів енергосистеми, який може забезпечити 100% потреби в тепло та електроенергії багатоквартирного будинку цілий рік за допомогою системи ПН та теплового насоса в поєднанні з сезонним акумулятором енергетичного відновлення. . У розділі 3 представлено системне моделювання подачі тепла та електроенергії багатоквартирного будинку, а в розділі 4 Оцінка витрат та екологічні показники порівнюються із системою, яка охоплює попит на тепло з газовим пристроєм та енергію домогосподарств з електрикою з європейської мережі ENTSO-E.

2 . Методи та дані

2.1 . Power-to-Al

В даний час алюміній виробляється в промислових масштабах методом Хол-Еро. У цьому плавкому процесі глинозем (Al 2 O 3 ) розчиняється в електроліті, який містить розплавлений кріоліт (Na 3 AlF 6 ) при температурі 960 ° C при атмосферному тиску. Більша частина енергії, необхідної для цього електролізу, надходить у вигляді електрики постійного струму. Однак використовуються також вуглецеві аноди, і вони перетворюються на CO 2 , вносячи в незначній мірі як енергетичний баланс, так і потенціал глобального потепління процесу. Хімічну реакцію процесу плавки Хол-Еро можна узагальнити так:(1)2Ал2О3+3С→4Ал+3СО2;ΔНr,298=2170 ріккДж/моль

За даними декількох джерел [13] , [19] , [20] , [21] , [22] , загальне енергоспоживання сучасного процесу Хол-Еро становить приблизно 12,4 кВт · год електроенергії плюс 0,4 кг вуглецевих електродів (сприяючи 3,8 кВт * год) на кг виробленого алюмінію. Враховуючи, що теоретичний мінімум споживання електроенергії в цьому процесі становить 6,23 кВт · год [23] , загальний коефіцієнт корисної електроенергії становить близько 50%. Нещодавно компанія Hydro повідомила про споживання електроенергії лише 11,5 кВт · год на кг алюмінію [24] .

Глинозем зазвичай отримують з бокситової руди, яка є основним джерелом алюмінію у світі, як правило, знаходиться у верхньому ґрунті, розташованому в різних тропічних та субтропічних регіонах. Хімічний процес отримання 1 кг глинозему з бокситів потребує близько 8 кВт · год первинної енергії [19] , [22] . Однак у концепції зберігання алюмінію, запропонованій у цій роботі, ці зусилля потрібно докласти лише один раз, оскільки алюміній регенерується протягом запропонованого замкнутого циклу матеріалів.

Залежно від хімічної реакції, обраної для перетворення алюмінію в тепло, окислений алюмінієвий продукт буде або у формі глинозему (Al2O3) або гідроксиду алюмінію (Al(OH)3). В останньому випадку оксид алюмінію повинен бути отриманий з гідроксиду алюмінію в процесі прожарювання. Як видно з рівнянь (2) та (3) теоретична потреба в енергії цього кроку значною мірою залежить від питання, чи може вода, що утворюється в процесі, конденсується до рідкого стану чи залишається газоподібною.

Мінімальна енергія, необхідна для цього кроку, відповідає еквіваленту 0,1 кВт · год на кг Al. (2) та 0,8 кВт · год / кг для екв. (3) . За даними Springer & Hasanbeigi [22] , сучасні практичні процеси споживають близько 0,83 кВт · год на кг глинозему (Al 2 O 3 ), що відповідає 1,6 кВт · год на кг Al.

Загальне споживання енергії та прямі викиди CO 2 від прожарювання та подальший процес Холл-Еро наведені в Таблиці 1 .

Процес	кВт * год	кг CO2	Довідково
Прожарювання	1.6		[22]
Споживання вуглецевих електродів	3.8	1,5–1,76	[20]
Електрика для процесу плавки	11.5–12.4		[13] , [20] , [21] , [22] , [24]
Всього	16.9–17.8	1,76

 

Таблиця 1 . Енергоємність та прямі викиди CO 2 для виробництва алюмінію з гідроксиду алюмінію, на кг алюмінію, відповідно до сьогоднішньої практики прожарювання та процесу Хол-Еро.

 

Для зменшення впливу глобального потепління на зменшення алюмінію може бути використана технологія інертного аноду [5], яка перетворює оксид алюмінію на алюміній та O 2 відповідно до рівняння. (4) :

Цей процес відбувається при тиску навколишнього середовища і, залежно від використовуваного електроліту, при температурі від 700 до 960 ° C [25] . Теоретичний мінімум енергії, необхідної для перетворення гідроксиду алюмінію в алюміній, показаний у таблиці 2.

Процес	Мінімальний кВт * год	Список літератури
Прожарювання	0,1 (0,8 а)	Рівняння (2)  +  (3)
Електрика для плавильного процесу з інертними електродами	8.6	Eq (4)
Всього	8,7 (9,4 а)

 

а)* - припускаючи, що тепло випаровування з води, що виділяється в процесі кальцинації, неможливо відновити.

Таблиця 2 . Мінімальна енергоємність для отримання алюмінію з гідроксиду алюмінію шляхом прожарювання та інертних анодних плавок у термодинамічних межах на кг алюмінію.

Для клітин плавки алюмінію було запропоновано три типи інертних анодів [20] :

• кераміка - електроди, виготовлені з неорганічних, неметалічних твердих матеріалів, наприклад, SnO₂ -Sb₂O₃ -CuO

• металокераміка - суміш кераміки та металів, наприклад NiFe₂O₄  + NiO + Cu + Ag

• металеві електроди, наприклад сплави, виготовлені з Ni + Fe + Cu

Короткий підсумок переваг та недоліків усіх трьох типів наведено різними авторами [5] , [25] , [26] . Завдання полягає в тому, щоб знайти матеріал, який є рентабельним і повільно кородує у високо агресивному середовищі електроліту. Корозія та ерозія призводять до частої заміни електродів (і, таким чином, вартості) електродів, з одного боку, та домішок виробленого алюмінію, що випливає з корозійного матеріалу, з іншого. Друга проблема є надзвичайно важливою для металургійної промисловості, яка потребує постачання високоякісного будівельного матеріалу Al. Однак, ймовірно, що чистота не має великої актуальності, якщо алюміній використовуватиметься лише як енергоносій.

Переваги інертних анодів очевидні, і кілька компаній та спільних підприємств працюють над розробкою інертних анодних алюмінієвих виплавок. Прикладами є Русал [22] , Алкоа [20] , проект, який фінансується ЄС AGRAL [27] , Алюмінієва корпорація Китаю [28] та Arctus Metals [29] .

Наскільки нам відомо, процес виплавки алюмінію з інертного електрода ще не продемонстрований.

2.2 . Виробництво водню та тепла з алюмінію

Коли пасивуючий оксидний шар видаляється з його поверхні, алюміній екзотермічно реагує з рідкою або газоподібною водою. Ця реакція утворює водень (H 2 ) і, залежно від температури реакції, різні сполуки алюмінію [30] , [31] , [32] . До температури 280 ° С гідроксид алюмінію Al (OH) 3 є найбільш стабільним продуктом (рівняння (5) ). Між 280 ° С і 480 ° С утворюється гідроксид оксиду алюмінію (рівняння (6) ), а вище 480 ° С оксид алюмінію, також відомий як глинозем (рівняння (7) і (8) ).

Для розрахунку ентальпії реакції рівняння. (5) ,  з літератури [30] , [33] , [34] для Al (OH) 3 було прийнято ентальпію пласта ΔH f, 298 = −1290 кДж / моль , хоча дані були дефіцитними та незначними.

Огляд виробництва водню з алюмінію дали Wang et al. [35] . Для активації пасивованих алюмінієвих поверхонь було успішно досліджено та застосовано декілька методів, наприклад:

• Використовуючи активатор, такий як сильний луг (лужні розчини): NaOH, KOH, Ca (OH)₂ [16] , [17] , [36] , [37] ;

• Подрібнення та подрібнення алюмінію безпосередньо перед додаванням води або під час змішування з водою, можливо, додавання також солей [38];

• Підвищення температури та використання водяної пари для реакції з алюмінієм згідно рівняння. (7) [39] ;

• Використання морської води з додаванням NaAlO 2 [17] ;

• Використання ультразвукових процедур для підготовки зразків [40];

Додавання активаторів на основі Li [18] , [41] або холіну гідроксиду [42] .

Перетворення алюмінію до водню в лужних розчинах досягає майже 100% теоретичного виходу відповідно до стехіометричної реакції [17] , [41] , що також було підтверджено нашими власними лабораторними результатами [43] . Це призводить до першої оцінки ідеалізованого енергетичного та матеріального балансу, як показано на рис. 4.

Рис.4 . Виробляють тепло та електроенергію від окислення алюмінію, ідеалізовані та припускаючи, що електричний ККД паливних елементів 50%.

2.3 . Система та її компоненти

2.3.1 . Концепція системи

Загальна концепція системи для опалення та виробництва електроенергії для будинку з видобутку енергії на місці показана на рис. 5. Підстава - це система з нагріванням ПВ та теплового насоса з короткочасним акумуляторним та тепловим накопичувачем, що постачає електроенергію та тепло на будівлю. Ця система була укомплектована алюмінієвим перетворювачем та паливним елементом для подачі електроенергії та тепла взимку, коли ПВ не покриває весь попит. Влітку система ПВ виробляє більше електроенергії, ніж потрібно для роботи системи та постачання домогосподарств. Ця електроенергія передається через електромережу постачальнику енергетичних послуг (ESCO), який здійснює процес Power-to-Al. Цей процес складається з етапу прожарювання та плавки алюмінію (електроліз), перетворюючи окислений алюміній в елементарний алюміній і, таким чином, в сонячне паливо для зберігання для використання взимку.

Рис.5 . Схематична концепція системи тепла та електроенергії, забезпечена на 100% системою фотоелектричних та теплових насосів із сезонним циклом акумуляційного відновлення алюмінію.

Після отримання алюмінію його поверхня швидко окислюється при контакті з повітрям, утворюючи захисний оксидний шар 0,3–0,4 нм, що перешкоджає подальшому окисленню сипкого матеріалу [44] . Таким чином, для сфери діаметром 1 мм втрати хімічної енергії, що зберігається в Алі внаслідок цього процесу окислення, значно менші за 1 ‰ і, таким чином, незначні. Сонячне паливо транспортується від централізованого промислового майданчика (технологічний процес до Алю) до місця використання, а окислений алюміній транспортується з будівлі назад до промислового майданчика для завершення циклу матеріалів.

2.3.2 . Паливні елементи

За різними джерелами, теоретична ефективність (водень до електрики) паливних елементів становить близько 80%. Однак у практичному застосуванні ефективність між 40 і 60% реальна. За даними Mitzel & Friedrich [45] , у 2015 році Mitsubishi Hitachi Power встановив демонстраційну установку потужністю 250 кВт з ефективністю 55% в Японії, а DLR (Німеччина) оголосила про виробництво прототипу в 30 кВт з електричним ККД близько 60% у найближчі роки. Через такі відносно високі показники ефективності, які, можливо, можуть бути досягнуті також для маломасштабних установок в межах декількох кВт ел , паливні елементи є кращим варіантом перетворення водню в електроенергію.

2.3.3 . Акумулятор

Для передбаченої системної концепції знадобиться короткочасне зберігання електроенергії для денного зберігання та для вирівнювання короткострокової невідповідності між виробництвом електроенергії за допомогою ПВ або паливного елемента та місцевим попитом. Цього можна досягти за допомогою будь-якого короткочасного зберігання, яке надається оператором мережі, наприклад, у вигляді насосного гідравлічного або районного акумуляторного накопичувача, або воно може бути покрито невеликим пристроєм для домашніх акумуляторів. В останні роки літій-іонні акумулятори стали домінуючою технологією в цій галузі. Вартість цих технологій різко знизилася, і, як очікується, вони значно зменшаться протягом наступних п'яти-десяти років.

2.3.4 . Теплові насоси

Теплові насоси вже є домінуючою технологією для опалення новобудованих будинків у деяких країнах, таких як Швейцарія та Швеція, і вважаються ключовими елементами майбутнього теплопостачання будівельного фонду Європи. Вони є невід'ємними частинами більшості концепцій побудови майже нульової та чистої нульової енергії [47].

2.3.5 . Зберігання теплової енергії

Показано, що накопичувач теплової енергії (TES) є вигідним у комбінаціях ПВ та теплового насоса, оскільки вони можуть зміщувати роботу теплового насоса на час, коли наявна електроенергія з ПВ [7] , [11] . Таким чином, електроенергію для роботи теплового насоса не потрібно зберігати в акумуляторах, які дорожче та мають більший вплив на навколишнє середовище, ніж TES.

2.3.6 . Контроль

Контроль зарядки та скидання сховищ та видобутку водню буде важливим для передбаченої системи тепло- та електропостачання. Можливо, така система могла б не лише сприяти стовідсотковому сонячному нагріванню та покриттю електроенергією будівлі, але і надмірна потужність перетворювача водню та паливного елемента також могла б сприяти стабілізації енергомережі, коли велика потреба в електроенергії в зима.

2.3.7 . Транспортна логістика

Виробництво водню з алюмінію та перетворення водню в електроенергію та тепло в паливному елементі можуть здійснюватися невеликими агрегатами при температурі нижче 100 ° С. Таким чином, ці одиниці можуть бути розміщені в одній або багатоквартирній будівлі без особливих вимог до місця. З іншого боку, процес плавки або електролізу, який перетворює оксид алюмінію в елементарний алюміній, проводиться при температурі від 700 ° С до 1000 ° С і вимагає великих розмірів і ємності для того, щоб бути ефективними. Цей процес потрібно проводити на промисловому майданчику, який підключений до приватних будинків електричною мережею. Тому алюмінієве паливо має транспортуватися від промислового майданчика до будівлі та місця потреби в тепло, а тверді продукти від реакції на алюміній (наприклад, гідроксид алюмінію) необхідно транспортувати назад від кінцевого споживача до промислового майданчика. Таким чином, передбачається послуга, аналогічна наданню нагрівального мастила або пелет для опалення сьогодні, з обсягами транспортування та вагою, які, ймовірно, будуть трохи нижчими або порівняними зі звичайними видами палива, такими як мазут, який використовується сьогодні.

2.4 . Системне моделювання

Динамічні моделювання з використанням імітаційного середовища TRNSYS-17 [48] були використані для оцінки запропонованої системи, зображеної на рис. 5 . Було визначено довідкове багатоквартирне будівництво, для аналізу були використані кліматичні умови з різних місць Швейцарії. Основними компонентами для пропонованої системи є: ПВ, перетворювач Al-H- 2 , паливний елемент, акумулятор, тепловий насос, розумний тепловий накопичувач, будівництво та управління системою. Час часу щорічного моделювання було встановлено на 2 хв. У процесі верифікації було проведено декілька систематичних перевірок для всіх моделей.

2.4.1 . Дані про погоду

Для оцінки поведінки системи в різних місцях було використано дані погоди швейцарського товариства інженерів та архітекторів SIA [49] . Для даних погоди SIA використовується стандарт ISO 15927-4: 2005 [50] для створення колекції так званих років дизайну . Ця колекція базується на даних вимірювань за 1984–2003 рр. Чотири місця були обрані для охоплення найбільш відповідних кліматичних регіонів Швейцарії: Давос (DAV), Женева (GEN), Цюріх (KLO) та Локарно (OTL) .

Рис. 6 показано щомісячне сонячне опромінення на горизонтальній поверхні для кожного з обраних місць. Давос - альпійське місце з дуже холодними зимами. Однак він має дуже високе опромінення взимку. Локарно розташований на південь від Альп і характеризується дуже м'якою зимою, а також високим опроміненням взимку. Женева розташована на південному заході Швейцарії. Він має загальне сонячне опромінення, подібне до Локарно, але зі значно різним розподілом за рік, тобто менше опромінення взимку, але більше влітку. Останнє обране місце розташування - Цюріх, розташований у північно-центральній частині Швейцарії біля озера Цюріх. Цюріх має значно менше щорічного опромінення в порівнянні з іншими місцями.

Рис.6 . Щомісячне та щорічне сонячне випромінювання в різних місцях Швейцарії.

 

2.4.2 . Модельовані будівельні навантаження

Багатодітний будинок (MFH), як описано Mojic et al. [51] , була використана як опорна побудова для моделювання. Енергетична орієнтир становить 1205 м 2 і складається із загальних приміщень та трьох житлових поверхів із загальною кількістю шести житлових будинків. Зони та внутрішні навантаження відповідають технічним умовам SIA 2024 [49] . Конверт будівлі був розроблений таким чином, щоб потреба в опаленні відповідала стандарту Швейцарського міністерства для сталих будівель із стандартною потребою в опаленні приміщень 27,1 кВт / год (м 2 а) для еталонної метеостанції Цюріх SMA. Результати, отримані за допомогою детальної моделі будівництва від IDA-ICE, були використані для встановлення спрощеної моделі будівлі в TRNSYS, що базується на стандарті ISO 13790 [52].

Профілі попиту на побутову електроенергію (HH El ) та побутову гарячу воду (ГВС) були створені за допомогою програмного забезпечення Генератора профілю завантаження [53] . Для кожного з шести житлових будинків було розглянуто єдиний профіль:

• Пара до 30 років, обидва на роботі;

• родина з двома дітьми (14 і 16), одна на роботі, одна вдома;

• сім'я обоє на роботі, двоє дітей (9 та 12);

• пара на пенсії, обидва вдома;

• пара робочої зміни;

• родина, двоє дітей (6 та 12), вдома обоє батьків.

Шість одинарних профілів для HH El і DHW квартир були об'єднані в один HH El і один профіль ГВС. Щоб перевірити, чи реалістичні профілі, загальне річне споживання для кожного домогосподарства порівнювалося окремо зі значеннями з літератури, представленими Nipkow et al. [54] та стандартні настанови SIA 2024 [49] .

Профіль ГВС показує щорічне споживання 16,6 МВт · год. Попит на ГВП становить близько 15,5 кВт · год / м 2 нагрітої поверхні. Циркуляційні втрати були включені таким чином, що мінімальна температура повернення циркуляційної петлі становила 53 ° C для безпеки легіонели. Довжина труби з циркуляційного контуру була визначена таким чином, що втрати циркуляції становили близько 30% від потреби в гарячій води. Загалом попит на ГВП, включаючи циркуляційні втрати, становив 20 кВт / год на м 2 нагрітої поверхні. Огляд електричних та теплових навантажень наведено в таблиці 3.

Енергетичне використання	Питомий попит a)	Всього
	кВт / год2	МВт * год
Опалення приміщення	27.1	29.1
Гаряча вода для дому (без / з циркуляцією)	15.5 / 20.2	16.6
Електроенергія для дому	18.4	19.7

а)* - попит на одну поверхню підігрітого підлоги.