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Jeder, der schon einmal an einem sonnigen Tag barfuß über den Strand gelaufen ist, hat ein besseres Verständnis dafür, wie viel Wärme Sand speichern kann. Es wird erwartet, dass diese Fähigkeit in Zukunft eine entscheidende Rolle spielen wird, da die Technologie mit erhitztem Sand Teil der Antwort auf den Energiespeicherbedarf wird.

Wenn es um die Speicherung von Energie für den späteren Gebrauch geht, denken die meisten Menschen wahrscheinlich an Batterien, es gibt aber auch andere Technologien. Pumpspeicherkraftwerke sind eine gängige Methode, allerdings erfordert sie Reservoirs auf unterschiedlichen Höhen und ist geografisch begrenzt. Ein anderer Ansatz basiert auf der sogenannten thermischen Energiespeicherung (TES), die geschmolzenes Salz oder sogar überhitztes Gestein nutzt.

TES erweist sich als vielversprechende kostengünstige Alternative zu bestehenden Speichertechnologien, und die Speicherung von Energie in festen Partikeln wie Sand bietet eine einfache Antwort, ohne geologische Einschränkungen.

Schließlich ist Sand, wie Luft und Wasser, überall.

„Sand ist leicht zugänglich. Es ist umweltfreundlich. Es ist in einem weiten Temperaturbereich stabil, ziemlich stabil. Außerdem ist es kostengünstig“, sagte Zhiwen Ma, Maschinenbauingenieur in der Thermal Energy Systems Group des Labors.

Die Notwendigkeit einer Langzeitspeicherung

Die am NREL entwickelte und prototypische patentierte Technologie zeigt, wie Heizgeräte, die mit erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Sonne betrieben werden, die Temperatur von Sandpartikeln auf die gewünschte Temperatur erhöhen können. Anschließend wird der Sand zur Lagerung in einem Silo abgelagert und später entweder zur Stromerzeugung oder zur Prozesswärmeerzeugung in industriellen Anwendungen verwendet. Ein Prototyp im Labormaßstab validierte die Technologie und ermöglichte es den Forschern, ein Computermodell zu erstellen, das zeigt, dass ein Gerät im kommerziellen Maßstab mindestens fünf Tage lang mehr als 95 % seiner Wärme speichern würde.

„Lithium-Ionen-Batterien haben den Markt mit einer Speicherdauer von zwei bis vier Stunden wirklich erobert, aber wenn wir unsere CO2-Reduktionsziele erreichen wollen, brauchen wir langlebige Energiespeichergeräte – Dinge, die Energie tagelang speichern können“, sagte Jeffrey Gifford, Postdoktorand am NREL.

Gifford, der mit Ma bereits zwei Patente für Wärmetauscher teilt, die gespeicherte Wärmeenergie in Elektrizität umwandeln, sagte, die Verwendung von Sand oder anderen Partikeln zur Speicherung von Wärmeenergie habe einen weiteren Vorteil gegenüber Batterien. „Die thermische Energiespeicherung von Partikeln basiert nicht auf Seltenerdmaterialien oder Materialien, deren Lieferketten komplex und nicht nachhaltig sind. Bei Lithium-Ionen-Batterien gibt es beispielsweise viele Geschichten über die Herausforderung, Kobalt ethischer abzubauen.“

Neben TES liegt Giffords Expertise in der numerischen Strömungsmechanik. Dieses Wissen ist wichtig, da der Sand durch das Speichergerät fließen muss. Zu den anderen TES-Medien gehören Beton und Steine, die leicht Wärme speichern können, aber fest an Ort und Stelle bleiben. „Ihre Wärmeübertragung ist viel höher und viel schneller und viel effektiver, wenn Sie Ihre Medien bewegen“, sagte Gifford.

TES hat noch einen weiteren entscheidenden Vorteil: die Kosten. Ma hat berechnet, dass Sand im Vergleich zu vier konkurrierenden Technologien, darunter Druckluftspeicherung (CAES), Pumpwasserkraft und zwei Arten von Batterien, die günstigste Option zur Energiespeicherung ist. CAES und Pumpwasserkraft können Energie nur für mehrere zehn Stunden speichern. Die Kosten pro Kilowattstunde für CAES liegen zwischen 150 und 300 US-Dollar, während sie für Pumpwasserkraft etwa 60 US-Dollar betragen. Eine Lithium-Ionen-Batterie würde 300 US-Dollar pro Kilowattstunde kosten und nur eine Kapazität für die Energiespeicherung von einer bis vier Stunden haben. Bei einer Dauer von Hunderten von Stunden würde Sand als Speichermedium zwischen 4 und 10 US-Dollar pro Kilowattstunde kosten. Um niedrige Kosten zu gewährleisten, würde die Wärme mit kostengünstigem Strom außerhalb der Spitzenzeiten erzeugt.

Ma, der eine Handvoll Patente auf diese Technologie besitzt, war zuvor als Hauptforscher an einem von ARPA-E finanzierten Projekt namens ENDURING tätig, das sich mit der wirtschaftlichen Langzeitspeicherung von Elektrizität durch den Einsatz kostengünstiger thermischer Energiespeicherung und eines hocheffizienten Stromkreislaufs beschäftigt . Der Prototyp stammt aus diesem Projekt. Als nächstes steht im Jahr 2025 der Spatenstich für ein elektrisches thermisches Energiespeichersystem (ETES) auf dem Flatirons Campus des NREL außerhalb von Boulder, Colorado, an, das für die Speicherung von Energie zwischen 10 und 100 Stunden ausgelegt sein wird. Das eigenständige System unterliegt keinen Standortbeschränkungen, die die Errichtung von CAES oder Pumpspeicherkraftwerken einschränken.

Das vom DOE finanzierte Demonstrationsprojekt, sagte Ma, soll das kommerzielle Potenzial von Sand für TES zeigen.

Zur Zwischenspeicherung von Energie werden bereits geschmolzene Salze verwendet, die jedoch bei etwa 220 Grad Celsius (428 Grad Fahrenheit) gefrieren und bei 600 Grad Celsius beginnen, sich zu zersetzen. Der Sand, den Ma verwenden will, stammt aus dem Boden im Mittleren Westen der USA , muss nicht vor dem „Einfrieren“ geschützt werden und kann erheblich mehr Wärme im Bereich von 1,100 °C (2,012 °F) speichern, die Wärme zur Stromerzeugung speichern oder die Verbrennung fossiler Brennstoffe für Industriewärme ersetzen kann.

„Dies stellt eine neue Generation der Speicherung über geschmolzenes Salz hinaus dar“, sagte Ma.

Entscheiden, was die Wärme speichert

Aber reicht auch irgendein alter Sand? Nicht so laut NREL-Forschern, die verschiedene Feststoffpartikel auf ihre Fähigkeit zum Fließen und zur Wärmespeicherung untersuchten. In einem im letzten Herbst veröffentlichten Artikel experimentierten Ma und andere mit acht Feststoffteilchenkandidaten. Zu den untersuchten Partikeln gehörten künstlich hergestellte Keramikmaterialien, die beim Fracking verwendet werden, kalzinierter Feuersteinton, braunes geschmolzenes Aluminiumoxid und Quarzsand. Der Ton und das geschmolzene Aluminiumoxid wurden wegen thermischer Instabilität bei der Zieltemperatur von 1,200 Grad Celsius (2,192 Grad Fahrenheit) verworfen.

Die Keramikmaterialien übertrafen den Sand in allen Kategorien, die geringfügigen Leistungssteigerungen wurden jedoch als unzureichend erachtet, um die höheren Kosten zu rechtfertigen. Während der Sand 30 bis 80 US-Dollar pro Tonne kostete, lagen die Preise für die keramischen Materialien etwa zwei Größenordnungen höher. Der Sand liegt in der hochreinen Form von Alpha-Quarz vor und ist im Mittleren Westen leicht erhältlich.

„Die Menge an Energie, die im Sand gespeichert werden kann, zu erhöhen, ist so einfach wie das Hinzufügen von mehr Sand“, sagte Craig Turchi, Manager der Thermal Energy Science and Technologies Research Group am NREL.

„Das sind Grenzkosten für die Hinzufügung zusätzlicher Speicherkapazität“, sagte er. „Wir benötigen Speicher im Minuten- bis Monatebereich. Die Skalierung der Batterien funktionierte im Minuten- bis Stundenbereich sehr gut. Und wenn es um die Lagerung über mehrere Monate geht, denken Sie normalerweise darüber nach, einen Brennstoff wie Wasserstoff herzustellen, um diese Langzeitspeicherung zu ermöglichen. Aber im Zeitraum zwischen mehreren Stunden und zwei Wochen passt es derzeit nicht gut. Dafür ist Wasserstoff zu teuer. Dafür sind Batterien zu teuer.“

Die Komponenten, die benötigt werden, um den überhitzten Sand wieder in Strom umzuwandeln, erfordern Vorabkosten. „Aber sobald man dafür bezahlt hat“, sagte Turchi, „ist es viel, viel billiger, mehr Sand hinzuzufügen, wenn man einfach nur eine längere Lebensdauer seiner Energie haben möchte, als die Alternative, die darin besteht, weiterhin Batterien hinzuzufügen.“

Von Wayne Hicks. Mit freundlicher Genehmigung des Energieministeriums, NREL.

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• Quelle: https://cleantechnica.com/2024/03/29/solution-to-energy-storage-may-be-beneath-your-feet/