Terwijl gemeenschappen, steden en staten ambitieuze doelstellingen voor energie-efficiëntie en decarbonisatie ontwikkelen, wordt energieopslag een steeds belangrijker onderdeel van onze energie-economie. Hernieuwbare energiebronnen zoals zon en wind veranderen de manier waarop we onze gebouwen, industrieën en elektriciteitsnet van stroom voorzien; ze zijn echter intermitterend - we hebben continue stroom nodig, zelfs nadat de zon ondergaat of de wind is gaan liggen. Als zodanig is energieopslag van cruciaal belang om continue stroomvoorziening te garanderen en kunnen energieproducenten ten volle profiteren in tijden van overgeneratie op zonnige (of winderige) dagen.
Als het gaat om energieopslag van korte duur, worden lithium-ionbatterijen als koploper beschouwd, maar batterijen zijn niet het hele verhaal. Onze gebouwen, bedrijven, industrieën en elektriciteitsnet hebben meer opslag nodig, tegen lagere kosten, voor langere duur en met grotere capaciteiten dan batterijen kunnen bieden om fossiele brandstoffen te verdringen voor een duurzame toekomst.
Om deze uitdaging op het gebied van energieopslag aan te gaan, bevinden onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) zich in de late stadia van het testen van een prototype van een baanbrekende nieuwe technologie voor thermische energieopslag die goedkoop silicazand als opslagmedium gebruikt. Economische langdurige elektriciteitsopslag door gebruik te maken van goedkope thermische energieopslag en hoogrenderende stroomcyclus (ENDURING) is een betrouwbare, kosteneffectieve en schaalbare oplossing die overal kan worden geplaatst.
Het DUURZAME mechanisme: op te slaan, elektrisch verwarmd zand levert on-demand elektriciteit
ENDURING gebruikt elektriciteit van overtollige zonne- of windenergie om een thermisch opslagmateriaal te verwarmen - kwartszand. Deeltjes worden door een reeks elektrische weerstandsverwarmingselementen geleid om ze te verwarmen tot 1,200°C (stel je voor dat je zand door een gigantische broodrooster giet). De verwarmde deeltjes worden vervolgens door zwaartekracht in geïsoleerde betonnen silo's gevoerd voor thermische energieopslag. Het basissysteem is ontworpen voor een economische opslag van maar liefst 26,000 MWh thermische energie. Met een modulair ontwerp kan de opslagcapaciteit relatief eenvoudig worden vergroot of verkleind.
Warmte-energieopslagsystemen voor deeltjes kunnen worden gebouwd met bestaande infrastructuur van gepensioneerde kolen- en gascentrales. Afbeelding door Al Hicks en Besiki Kazaishvili, NREL
Wanneer energie nodig is, worden de hete deeltjes door de zwaartekracht door een warmtewisselaar geleid, waarbij een werkend gas binnenin wordt verwarmd en onder druk wordt gebracht om de turbomachines en spingeneratoren aan te drijven die elektriciteit voor het net opwekken. Het systeem ontlaadt tijdens perioden met een grote vraag naar elektriciteit en wanneer er beperkte fotovoltaïsche zonne-energie of windenergie beschikbaar is, zoals 's morgens vroeg en' s avonds, tijdens het bereiden van het diner en wanneer tv's aan staan. Eenmaal gelost, worden de verbruikte, koude deeltjes opnieuw in geïsoleerde silo's gevoerd voor opslag totdat de omstandigheden (en economie) weer geschikt zijn voor het laden.
Hoe heet zand in een silo een revolutie teweegbrengt in het ontkolen van energie
ENDRING biedt verschillende voordelen ten opzichte van andere technologieën voor elektriciteitsopslag.
Als opslagmedium is overvloedig silicazand stabiel en goedkoop voor $ 30- $ 50 / ton, en heeft het een beperkte ecologische impact, zowel bij de winning als bij het einde van de levensduur. Ter vergelijking: lithium-ionbatterijen hebben een uitzonderlijke energieopslagdichtheid - belangrijk voor bepaalde sectoren zoals transport, waar gewicht belangrijk is - maar dit brengt hoge kosten met zich mee. Opslag van thermische energie door deeltjes is een vorm van opslag met een lagere energiedichtheid, maar is erg goedkoop ($ 2‒$ 4 per kWh thermische energie bij een temperatuurverschil van 900 °C tussen lading en ontlading). Het energieopslagsysteem is veilig omdat inert kwartszand wordt gebruikt als opslagmedium, waardoor het een ideale kandidaat is voor massale, langdurige energieopslag.
DUURZAME systemen hebben geen specifieke plaatsingsbeperkingen en kunnen overal in het land worden geplaatst. Deze systemen kunnen ook worden gebouwd met behulp van bestaande infrastructuur van gepensioneerde kolen- en gasgestookte elektriciteitscentrales.
DUURZAME technologie kan de uitbreiding van de opwekking van hernieuwbare energie in ons land ondersteunen. Het bouwen van deze kosteneffectieve thermische energieopslagsystemen voor deeltjes in de Verenigde Staten zou nutsbedrijven kunnen helpen zonne- en windenergie te blijven gebruiken zonder het risico te lopen het net te destabiliseren of de opwekking van hernieuwbare energie in te perken. Opslag van thermische energie door deeltjes zal ook zorgen voor energiereserves, zodat onze gemeenschappen beter kunnen navigeren door langdurige weersomstandigheden, of het nu een koufront van een week is of een hittegolf in de zomer.
Meerdere potentiële economische use-cases ondersteunen decarbonisatie tegen 2050
De Biden-administratie streeft naar een koolstofvrije energiesector tegen 2035 en een economie met nulemissie tegen 2050. Zhiwen Ma, hoofdonderzoeker van het ENDRING-project, ziet een belangrijke rol voor de opslag van thermische energie van deeltjes bij het bereiken van deze doelen. "Hoewel het koolstofvrij maken van elektriciteit een duidelijk pad heeft, is het koolstofvrij maken van de hele economie - inclusief zaken als het bouwen van warmte en industriële processen - een grotere uitdaging omdat aardgas erg goedkoop is, waardoor het moeilijk te verplaatsen is", zei hij. "Het koolstofvrij maken van industriële processen en het bouwen van warmte is erg moeilijk."
Het omzetten van hernieuwbare elektriciteit in warmte is een manier om deze sectoren koolstofarm te maken. Ma ziet een kans dat thermische energieopslag van deeltjes een rol kan spelen bij het kosteneffectief verdringen van aardgas. Door gebruik te maken van een warmtepomp wordt één eenheid elektriciteit omgezet in twee tot drie eenheden warmte, die kunnen worden opgeslagen in het deeltjeswarmteopslagsysteem en later aan de eindgebruiker kunnen worden geleverd (afhankelijk van de prestatiecoëfficiënt van de warmtepomp). of het gebruik van een opkomende technologie voor de opslag van gepompte thermische energie). Deze technologieën kunnen worden gebruikt voor het verwarmen van gebouwen en industriële processen ter vervanging van kolen of aardgas.
Naast het leveren van netopslag en gebouwwarmte, biedt ENDURING een constante warmtebron voor industriële en chemische processen die anders onverenigbaar zijn met de intermitterendheid die gepaard gaat met zonne- en windenergie.
Volgens NREL-onderzoeker Patrick Davenport, de economische omgeving, decarbonisatiedoelen en technologie zijn afgestemd op de opslag van thermische energie van deeltjes. "Zand- en betonnen silo's met vuurvaste isolatie zijn zeer goedkope materialen die kunnen leiden tot goedkope energieopslag", zei hij. “Traditionele opslagtechnologieën van vier uur schalen niet goed op de schaal van het netwerk of de stad. Nu we behoefte hebben aan grootschalige energieopslag, ligt deze technologie voor de hand.”
Vroege prestaties en BLIJVENDE belofte
Het ENDRING-project ziet veelbelovende vooruitgang en vroege belangstelling. Het team won onlangs de American Society of Mechanical Engineers Advanced Energy Systems Division en Solar Energy Division 2021 First-Place Best Paper Award en verschillende technologiefinancieringsprijzen van het Amerikaanse Department of Energy. Er zijn patenten toegekend voor het concentreren van zonne-energie-integratie en er worden er nog meer ingediend.
De ENDURING prototype heaters en warmtewisselaars worden momenteel getest bij hoge temperaturen. Als de prototypetaken dit najaar succesvol zijn, heeft Ma er alle vertrouwen in dat ENDURING-technologie een groot potentieel zal bieden om de integratie van hernieuwbare energiebronnen voor toekomstige koolstofvrije energievoorziening te ondersteunen.
Ma is niet de enige die een belofte ziet: NREL en Babcock & Wilcox, een technologiebedrijf voor schone energie, hebben een exclusieve overeenkomst voor intellectueel eigendom om de ENDURING-technologie voor thermische opslag van deeltjes in licentie te geven. Babcock & Wilcox behoren tot verschillende industriële en academische onderzoekspartners die hebben bijgedragen aan het ENDURING-project, waaronder General Electric, Allied Mineral Products, Worley, Purdue University en Colorado School of Mines.
Lees verder over NREL thermische systemen en geconcentreerd onderzoek naar zonne-energie.
Artikel met dank aan NREL.
Waardeer je de originaliteit van CleanTechnica? Overweeg om een CleanTechnica-lid, ondersteuner, technicus of ambassadeur - of een beschermheer op Patreon.
PlatoAi. Web3 opnieuw uitgevonden. Gegevensintelligentie versterkt.
Klik hier om toegang te krijgen.
Bron: https://cleantechnica.com/2021/08/31/using-hot-sand-to-store-energy/
