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晴れた日に砂浜を裸足で歩いたことのある人なら誰でも、砂がどれだけの熱を保持できるかをよりよく理解して立ち去るでしょう。加熱された砂を使用する技術がエネルギー貯蔵ニーズへの答えの一部となるため、この能力は将来重要な役割を果たすことが期待されています。

後で使用するためにエネルギーを貯蔵するという点では、おそらくほとんどの人がバッテリーを思い浮かべると思いますが、他のテクノロジーも存在します。揚水水力発電は一般的な方法の 1 つですが、さまざまな標高に貯水池が必要であり、地理的に制限されます。もう 1 つのアプローチは、溶融塩や過熱した岩石を使用する、いわゆる熱エネルギー貯蔵 (TES) に依存しています。

TES は、既存の貯蔵技術に代わる低コストの代替手段として有望であり、砂などの固体粒子にエネルギーを貯蔵することで、地質学的制約を受けることなくすぐに解決策が得られます。

結局のところ、砂は空気や水と同じようにどこにでも存在します。

「砂は簡単に手に入る。環境に優しいです。広い温度範囲で安定しています。非常に安定しています。低コストでもあります」と、研究所の熱エネルギー システム グループの機械エンジニアである Zhiwen Ma 氏は述べています。

長期保管の必要性

NREL で開発および試作された特許取得済みの技術は、風力や太陽光などの再生可能エネルギー源を動力源とするヒーターがどのようにして砂粒子の温度を望ましい温度まで上昇させることができるかを明らかにしています。次に、砂は貯蔵のためにサイロに堆積され、後で発電または産業用途でのプロセス熱のいずれかに使用されます。実験室規模のプロトタイプによってこの技術が検証され、研究者は商業規模のデバイスが少なくとも 95 日間は熱の XNUMX% 以上を保持することを示すコンピューター モデルを作成できました。

「リチウムイオン電池は、2～4時間の貯蔵能力で市場をかなり追い詰めていますが、二酸化炭素削減目標を達成したいなら、数日間エネルギーを貯蔵できる、長期間のエネルギー貯蔵装置が必要になります」とジェフリー氏は述べた。ギフォード氏、NREL の博士研究員。

ギフォード氏は、蓄えた熱エネルギーを電気に変換する熱交換器に関する特許をすでにマー氏と共有しているが、熱エネルギーを蓄えるために砂やその他の粒子を使用することには電池に比べて別の利点があると述べた。 「粒子熱エネルギー貯蔵は、レアアース材料や複雑で持続不可能なサプライチェーンを持つ材料に依存しません。たとえば、リチウムイオン電池では、より倫理的にコバルトを採掘するという課題についての話がたくさんあります。」

TES に加えて、Gifford の専門知識は数値流体力学です。砂は保管装置を通過する必要があるため、この知識は重要です。他の TES 媒体には、熱を保持しやすいものの、しっかりと所定の位置に留まるコンクリートや岩が含まれます。 「メディアを移動させる場合、熱伝導ははるかに高く、より速く、より効果的です」とギフォード氏は言います。

TES には、コストというもう 150 つの重要な利点もあります。マー氏は、圧縮空気エネルギー貯蔵（CAES）、揚水発電、300種類のバッテリーを含む60つの競合技術と比較した場合、砂がエネルギー貯蔵の最も安価な選択肢であると計算した。 CAES と揚水発電は、エネルギーを数十時間しか貯蔵できません。 CAES のキロワット時あたりのコストは 300 ドルから 4 ドルの範囲ですが、揚水発電の場合は約 10 ドルです。リチウムイオン電池のコストは XNUMX キロワット時あたり XNUMX ドルで、エネルギーを蓄える容量は XNUMX ～ XNUMX 時間しかありません。持続時間が数百時間続くため、貯蔵媒体としての砂のコストは XNUMX キロワット時あたり XNUMX ドルから XNUMX ドルになります。低コストを確保するために、熱はオフピークの低価格電力を使用して生成されます。

この技術に関するいくつかの特許を取得しているマー氏は、以前は低コストの熱エネルギー貯蔵と高効率パワーサイクルを使用した経済的な長期電力貯蔵のためのENDURINGとして知られるARPA-E資金提供プロジェクトの主任研究者を務めていた。 。プロトタイプはこのプロジェクトから生まれました。次に、コロラド州ボルダー郊外にあるNRELのフラットアイアンズキャンパスで、2025年に電気熱エネルギー貯蔵（ETES）システムの着工が予定されており、10時間から100時間エネルギーを貯蔵できるように設計されている。スタンドアロン システムには、CAES または揚水発電を設置できる場所を制限する立地制限がありません。

DOEが資金提供する実証プロジェクトは、TES用の砂の商業的可能性を示すことを目的としていると馬氏は述べた。

溶融塩はエネルギーを一時的に貯蔵するためにすでに使用されているが、摂氏約 220 度（華氏 428 度）で凍結し、摂氏 600 度で分解し始める。マー氏が使用しようとしている砂は、米国中西部の地面から採取されたものである。 、「凍結」を防ぐ必要がなく、1,100 C (2,012 F) の範囲でかなり多くの熱を保持でき、発電用の熱を蓄えたり、産業用熱として燃焼中の化石燃料を置き換えたりできます。

「これは溶融塩を超えた新世代の貯蔵を表しています」とマー氏は語った。

熱を蓄えるものを決める

しかし、古い砂だけでいいのでしょうか？さまざまな固体粒子の流動能力と熱保持能力を調べたNRELの研究者らによると、そうではなかった。昨年の秋に発表された論文の中で、マー氏らは1,200つの固体粒子候補について実験を行った。検討された粒子の中には、水圧破砕に使用される人造セラミック材料、焼成されたフリント粘土、褐色溶融アルミナ、およびケイ砂が含まれていました。粘土と溶融アルミナは、目標温度である摂氏 2,192 度 (華氏 XNUMX 度) では熱的に不安定であるため、拒否されました。

セラミック材料はすべてのカテゴリーで砂よりも優れた性能を発揮しましたが、限界的な性能向上ではコスト高を正当化するには不十分であると考えられました。砂の価格は 30 トンあたり 80 ドルから XNUMX ドルですが、セラミック材料の価格は約 XNUMX 桁高かったです。砂は超純粋な形のアルファクォーツで、中西部で簡単に入手できます。

NREL の熱エネルギー科学技術研究グループのマネージャー、クレイグ・ターキ氏は、砂に貯蔵できるエネルギー量を増やすことは、砂を追加するのと同じくらい簡単だと語った。

「これはストレージ容量を追加するための限界コストです」と彼は言いました。 「数分から数か月にわたるストレージが必要です。バッテリーは、スケールの点で、数分から数時間のスペースで非常にうまく機能しました。そして、何か月も貯蔵することになると、通常は長期貯蔵を可能にする水素などの燃料の製造を検討することになります。しかし、数時間から 2 週間の間の期間では、現時点では適切な適合性がありません。それには水素は高価すぎる。そのためにはバッテリーが高すぎます。」

過熱した砂を電気に戻すために必要なコンポーネントには、初期費用が必要です。 「しかし、一度お金を払ってしまえば」とトゥルキ氏は言う。「電力の持続時間を長くしたいだけなら、バッテリーを追加し続けるという代替手段よりも、砂を追加する方がはるかに安価です。」

ウェイン・ヒックス著。エネルギー省の厚意による NREL.

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