Солнечная энергия и индукционная плавка: практический путь к производству декарбонизированных металлов.
Индукционная плавка уже является одним из самых экологически чистых способов плавки металла. Добавление солнечной энергии к процессу плавки снижает углеродный след практически до нуля. Это сочетание не является чем-то сверхсложным. Несколько литейных заводов на Ближнем Востоке, на юго-западе США и во Внутренней Монголии используют индукционные печи на солнечной энергии с аккумуляторными батареями, и экономическая целесообразность начинает проявляться для предприятий с высокой загрузкой. Позвольте мне рассказать о том, как работает система, каковы затраты и преимущества, а также о перспективах развития этой технологии.
Почему индукционная энергетика в сочетании с солнечной энергией работает?
Индукционная плавка идеально подходит для возобновляемых источников энергии. Нагрузка чисто электрическая, потребность в энергии может быстро регулироваться, а объем ванны достаточно велик, чтобы компенсировать кратковременные перепады мощности без влияния на процесс плавки. Именно сочетание этих характеристик делает индукционную плавку первым промышленным процессом, декарбонизированным в масштабах, использующих возобновляемые источники энергии.
Индукционная печь потребляет переменную нагрузку, зависящую от стадии плавки. Холодная загрузка потребляет 100 процентов номинальной мощности, плавка – от 80 до 90 процентов, а выдержка – от 50 до 70 процентов. Среднее потребление мощности за полный цикл плавки составляет от 60 до 75 процентов от номинальной мощности. Солнечная электростанция с аккумуляторным буфером может обеспечить среднюю мощность, а буфер компенсирует кратковременные колебания.
Масштаб солнечной электростанции зависит от мощности печи и количества часов работы. Индукционная печь мощностью 5 МВт, работающая 6000 часов в год, потребляет 30 ГВт·ч электроэнергии, для чего требуется около 40 МВт солнечной фотоэлектрической мощности (при условии 20-процентного коэффициента использования мощности) плюс от 5 до 10 МВт·ч аккумуляторных батарей для сглаживания потерь энергии.
Архитектура системы
Стандартная архитектура системы индукционной плавки, работающей на солнечной энергии, выглядит следующим образом:
Солнечная фотоэлектрическая батарея: от 30 до 50 МВт фотоэлектрических модулей с одноосевым слежением, рассчитанных на обеспечение годовой потребности в энергии при коэффициенте использования мощности от 25 до 30 процентов.
2. Система хранения энергии на основе батарей (BESS): литий-железо-фосфатные (LFP) батареи емкостью от 10 до 30 МВт·ч, рассчитанные на работу при полной нагрузке в течение 2–4 часов и сглаживание выходной мощности фотоэлектрических систем.
3. Система преобразования энергии: двунаправленный инвертор мощностью от 5 до 10 МВт, который соединяет фотоэлектрическую батарею и систему хранения энергии с шиной индукционной печи.
4. Индукционная печь: существующая или новая среднечастотная индукционная печь с системой управления, регулирующей скорость обжига в зависимости от доступной мощности.
5. Подключение к сети: дополнительное подключение к сети, обеспечивающее резервное электропитание в случае недостатка солнечной энергии (пасмурные дни, зимние ночи).
Система управления — это сердце установки. Система отслеживает выходную мощность фотоэлектрических панелей, состояние заряда системы хранения энергии (BESS) и доступность сети, а также регулирует скорость работы печи для максимизации вклада солнечной энергии. В солнечный день печь работает на полной мощности. В пасмурный день печь работает на 50–70% мощности, а пиковая нагрузка обеспечивается системой хранения энергии (BESS). Ночью печь работает от BESS или от сети.
Экономическая целесообразность зависит от относительной стоимости солнечной энергии, аккумуляторных батарей и электроэнергии из сети. На рынках с обильными солнечными ресурсами и дорогой электроэнергией из сети (Ближний Восток, юго-запад США, некоторые регионы Африки) приведенная стоимость электроэнергии от системы «солнечная энергия + хранилище» составляет от 0,05 до 0,08 долларов США за кВт·ч, что конкурентоспособно по сравнению с электроэнергией из сети, стоимость которой составляет от 0,08 до 0,15 долларов США за кВт·ч. Срок окупаемости системы «солнечная энергия + хранилище» на этих рынках составляет от 5 до 8 лет.
Опыт работы в операционной сфере
Компания MONTE INTELLIGENCE сотрудничала с несколькими литейными заводами над установками, сочетающими солнечную энергию и индукционное излучение, и полученный опыт эксплуатации является положительным. Ключевые выводы из этих установок следующие:
Во-первых, оценка солнечного ресурса имеет решающее значение. Годовая выработка солнечной энергии варьируется на 20–30 процентов на участках, которые на бумаге выглядят схожими. Детальная оценка солнечного ресурса с использованием измерений на месте в течение 12–24 месяцев необходима перед расчетом размеров фотоэлектрической батареи и системы хранения энергии.
Во-вторых, систему управления индукционной печью необходимо модифицировать для работы с переменным значением заданной мощности. Стандартная система управления печью рассчитана на постоянный входной сигнал, а переменный входной сигнал требует дополнительной логики для управления стадией плавления (которая потребляет больше всего энергии) и стадией выдержки (которая является наиболее гибкой).
Во-третьих, выбор системы хранения энергии (BESS) — это компромисс между капитальными затратами и эксплуатационной гибкостью. Система BESS с ресурсом 2 часа (10 МВт·ч при мощности печи 5 МВт) справляется с большинством пасмурных дней. Система BESS с ресурсом 4 часа (20 МВт·ч) справляется с большинством ночных режимов работы, но капитальные затраты при этом примерно удваиваются.
В-четвертых, подключение к сети необходимо в качестве резервного варианта. Система, работающая только на солнечной энергии, имеет проблемы с доступностью во время длительных периодов облачности и в зимние месяцы. Подключение к сети позволяет печи работать непрерывно, при этом солнечная энергия в сочетании с системой хранения энергии покрывает от 60 до 85 процентов годового потребления энергии.
Куда движется технология
В ближайшие 5-10 лет внедрение систем хранения энергии на основе солнечной энергии и индукционных генераторов будет ускорено несколькими тенденциями. Во-первых, стоимость литий-железо-фосфатных (LFP) батарей снижается на 10-15 процентов в год, а их энергетическая плотность улучшается. Система хранения энергии на 20 МВт·ч, которая в 2024 году стоила 8 миллионов долларов США, к 2028 году будет стоить 4-5 миллионов долларов США.
Во-вторых, стоимость солнечных фотоэлектрических систем также снижается, хотя и более медленными темпами. Солнечная электростанция мощностью 40 МВт с одноосевым слежением, которая стоила 25 миллионов долларов США в 2024 году, к 2028 году будет стоить от 18 до 20 миллионов долларов США.
Во-третьих, стоимость электроэнергии из сети на многих рынках растет, поскольку ценообразование на углеродные выбросы и стандарты использования возобновляемых источников энергии приводят к повышению оптовой стоимости электроэнергии. В ЕС стоимость выбросов углерода в рамках CBAM добавит от 30 до 80 долларов США за тонну CO2 к цене электроэнергии в 2026-2030 годах, что соответствует 0,02-0,05 доллара США за кВт·ч в счете за электроэнергию.
В-четвертых, технология индукционной плавки с регулируемой мощностью совершенствуется. Несколько производителей инверторов теперь предлагают инверторы, работающие в соответствии с сетью, которые могут регулировать скорость нагрева за миллисекунды в соответствии с доступной возобновляемой энергией. Компания MONTE INTELLIGENCE интегрирует эти инверторы в свои стандартные конструкции печей.
Ограничения и компромиссы
Подход, сочетающий солнечную энергию и индукционную энергетику, имеет свои ограничения. Во-первых, солнечный ресурс зависит от сезона и погоды. Солнечная электростанция мощностью 40 МВт во Внутренней Монголии производит на 30-40 процентов больше энергии летом, чем зимой, а многодневная облачность может привести к истощению запасов энергии в системе хранения энергии. Для работы с высокой степенью использования энергии необходимо подключение к сети.
Во-вторых, система хранения энергии (BESS) представляет собой значительные капитальные затраты. Индукционная печь мощностью 5 МВт с 4 часами работы BESS требует 20 МВт·ч батарей, стоимость которых в 2024 году составит от 8 до 12 миллионов долларов США. Кроме того, BESS подвержена деградации: литий-железо-фосфатные батареи (LFP) обычно служат от 10 до 15 лет, а стоимость их замены составляет от 60 до 80 процентов от первоначальной стоимости.
Во-третьих, индукционная печь должна иметь минимальный стабильный уровень мощности, обычно от 30 до 40 процентов от номинальной мощности. Система PV-plus-BESS должна обеспечивать как минимум этот минимум, иначе печь должна быть отключена. В периоды низкой солнечной активности печь работает в режиме ожидания на минимальной мощности до тех пор, пока не восстановится солнечная активность.
Несмотря на эти ограничения, подход, сочетающий солнечную энергию и индукционное излучение, является наиболее практичным путем к производству декарбонизированных металлов в течение следующих 10-20 лет. Технология доступна, экономические показатели улучшаются, а опыт эксплуатации положительный. Компания MONTE INTELLIGENCE стремится поддержать этот переход, предлагая интегрированные системные решения и оперативную поддержку.
Обратитесь в компанию MONTE INTELLIGENCE по вопросам индукционной плавки с использованием солнечной энергии.
Для покупателей, рассматривающих установку солнечной энергии в сочетании с индукционной системой, инженеры MONTE INTELLIGENCE могут смоделировать размер системы, эксплуатационные расходы и экономию выбросов углерода для конкретного объекта и режима работы. Модель включает в себя оценку солнечных ресурсов, расчет размеров системы хранения энергии (BESS), модификацию системы управления печью и требования к резервному питанию от сети. Посетите сайтwww.cnlymonte.com/products-solar-induction-furnace.html Для получения технических характеристик продукции и примеров использования, пожалуйста, свяжитесь с нами. Для обсуждения проекта, отправьте электронное письмо на адрес helenxu@cnlymonte.com с темой «Солнечная индукционная печь» и укажите размер вашей печи, время работы и наличие солнечной энергии на вашем объекте.
