MELD U AAN VOOR dagelijkse nieuwsupdates van CleanTechnica op e-mail. Of volg ons op Google Nieuws!

Iedereen die ooit op blote voeten over het strand heeft gewandeld op een zonnige dag, loopt weg met een beter begrip van hoeveel hittezand kan vasthouden. Verwacht wordt dat dit vermogen in de toekomst een cruciale rol zal spelen, omdat technologie met verwarmd zand onderdeel wordt van het antwoord op de behoeften aan energieopslag.

Batterijen zijn waarschijnlijk waar de meeste mensen aan denken als het gaat om het opslaan van energie voor later gebruik, maar er bestaan ​​ook andere technologieën. Waterkracht met pompopslag is een veelgebruikte methode, zij het waarvoor reservoirs op verschillende hoogten nodig zijn en die beperkt is door de geografische ligging. Een andere benadering is gebaseerd op wat bekend staat als thermische energieopslag, of TES, waarbij gebruik wordt gemaakt van gesmolten zout of zelfs oververhitte rotsen.

TES is veelbelovend als goedkoop alternatief voor bestaande opslagtechnologieën, en het opslaan van energie in vaste deeltjes zoals zand biedt een kant-en-klaar antwoord, zonder geologische beperkingen.

Zand is immers, net als lucht en water, overal.

“Zand is gemakkelijk bereikbaar. Het is milieuvriendelijk. Het is stabiel, redelijk stabiel, in een breed temperatuurbereik. Het is ook goedkoop”, zegt Zhiwen Ma, een werktuigbouwkundig ingenieur bij de Thermal Energy Systems Group van het laboratorium.

De behoefte aan langdurige opslag

Gepatenteerde technologie, ontwikkeld en geprototypeerd bij NREL, laat zien hoe verwarmingstoestellen die worden aangedreven door hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie de temperatuur van zanddeeltjes tot de gewenste temperatuur kunnen verhogen. Het zand wordt vervolgens in een silo gestort voor opslag en later gebruik, hetzij om elektriciteit op te wekken, hetzij voor proceswarmte in industriële toepassingen. Een prototype op laboratoriumschaal valideerde de technologie en stelde onderzoekers in staat een computermodel te maken dat aantoont dat een apparaat op commerciële schaal meer dan 95% van zijn warmte gedurende minstens vijf dagen zou vasthouden.

“Lithium-ionbatterijen hebben de markt echt in het nauw gedreven met een opslagtijd van twee tot vier uur, maar als we onze CO2-reductiedoelstellingen willen bereiken, zullen we energieopslagapparaten met een lange levensduur nodig hebben – dingen die energie dagenlang kunnen opslaan”, zegt Jeffrey. Gifford, een postdoctoraal onderzoeker bij NREL.

Gifford, die al twee patenten deelt met Ma op warmtewisselaars die opgeslagen thermische energie omzetten in elektriciteit, zei dat het gebruik van zand of andere deeltjes om thermische energie op te slaan nog een voordeel heeft ten opzichte van batterijen. “De thermische energieopslag van deeltjes is niet afhankelijk van zeldzame aardmetalen of materialen met complexe en niet-duurzame toeleveringsketens. Op het gebied van lithium-ionbatterijen zijn er bijvoorbeeld veel verhalen over de uitdaging om kobalt op een ethischere manier te winnen.”

Naast TES ligt de expertise van Gifford op het gebied van computationele vloeistofdynamica. Die kennis is belangrijk omdat het zand door de opslaginrichting moet stromen. Andere TES-media omvatten beton en rotsen, die gemakkelijk warmte kunnen vasthouden maar stevig op hun plaats blijven. "Je warmteoverdracht is veel hoger, veel sneller en veel effectiever als je je media verplaatst", aldus Gifford.

TES heeft ook nog een ander belangrijk voordeel: de kosten. Ma heeft berekend dat zand de goedkoopste optie is voor energieopslag in vergelijking met vier concurrerende technologieën, waaronder energieopslag met gecomprimeerde lucht (CAES), gepompte waterkracht en twee soorten batterijen. CAES en waterkrachtcentrales kunnen energie slechts tientallen uren opslaan. De kosten per kilowattuur voor CAES variëren van $150 tot $300, terwijl deze voor gepompte waterkracht ongeveer $60 bedragen. Een lithium-ionbatterij zou 300 dollar per kilowattuur kosten en slechts een capaciteit hebben om energie van één tot vier uur op te slaan. Met een duur van honderden uren zou zand als opslagmedium tussen de 4 en 10 dollar per kilowattuur kosten. Om lage kosten te garanderen, zou de warmte worden opgewekt met behulp van goedkope elektriciteit buiten de piekuren.

Ma, die een handvol patenten op de technologie heeft, was eerder de hoofdonderzoeker van een door ARPA-E gefinancierd project dat bekend staat als ENDURING, voor economische langdurige elektriciteitsopslag door gebruik te maken van goedkope thermische energieopslag en een hoogefficiënte energiecyclus. . Het prototype kwam uit dit project. De volgende stap is de baanbrekende ontwikkeling in 2025 van een systeem voor elektrische thermische energieopslag (ETES) op de Flatirons Campus van NREL buiten Boulder, Colorado, dat zal worden ontworpen om energie tussen 10 en 100 uur op te slaan. Het stand-alone systeem is vrij van locatiebeperkingen die beperken waar CAES of waterkrachtcentrales kunnen worden gevestigd.

Het door DOE gefinancierde demonstratieproject, zei Ma, is bedoeld om het commerciële potentieel van zand voor WKO te laten zien.

Gesmolten zouten worden al gebruikt om energie tijdelijk op te slaan, maar ze bevriezen bij ongeveer 220 graden Celsius (428 graden Fahrenheit) en beginnen te ontbinden bij 600 graden Celsius. Het zand dat Ma wil gebruiken komt uit de grond in het middenwesten van de Verenigde Staten , hoeft niet te worden beschermd tegen ‘bevriezing’ en kan aanzienlijk meer warmte vasthouden, in de buurt van 1,100 C (2,012 F), waarmee warmte kan worden opgeslagen voor energieopwekking of om de verbranding van fossiele brandstoffen te vervangen door industriële warmte.

“Dit vertegenwoordigt een nieuwe generatie opslagmogelijkheden die verder gaat dan gesmolten zout,” zei Ma.

Beslissen wat de warmte zal opslaan

Maar is gewoon oud zand ook geschikt? Niet volgens NREL-onderzoekers, die verschillende vaste deeltjes onderzochten op hun vermogen om te stromen en warmte vast te houden. In een artikel dat afgelopen najaar werd gepubliceerd, experimenteerden Ma en anderen met acht kandidaten voor vaste deeltjes. Tot de onderzochte deeltjes behoorden kunstmatige keramische materialen die bij het fracken werden gebruikt, gecalcineerde vuursteenklei, bruin gesmolten aluminiumoxide en kwartszand. De klei en het gesmolten aluminiumoxide werden afgewezen vanwege thermische instabiliteit bij de doeltemperatuur van 1,200 graden Celsius (2,192 graden Fahrenheit).

De keramische materialen presteerden in alle categorieën beter dan zand, maar de marginale prestatiewinst werd onvoldoende geacht om de hogere kosten te rechtvaardigen. Terwijl het zand tussen de $30 en $80 per ton kost, waren de prijzen van de keramische materialen ongeveer twee magnitudes hoger. Het zand heeft de ultrazuivere vorm van alfakwarts en is gemakkelijk verkrijgbaar in het Midwesten.

Het uitbreiden van de hoeveelheid energie die in zand kan worden opgeslagen is net zo eenvoudig als het toevoegen van meer zand, zegt Craig Turchi, manager van de Thermal Energy Science and Technologies Research Group bij NREL.

"Dat zijn marginale kosten om extra opslagcapaciteit toe te voegen", zei hij. “We hebben opslag nodig van minuten tot maanden. Batterijen werkten heel goed in de minuten tot uren in termen van hoe ze schalen. En als je maandenlang opslag hebt, wil je meestal een brandstof zoals waterstof maken om voor langdurige opslag te zorgen. Maar in de periode tussen meerdere uren en twee weken is er momenteel geen goede match. Daarvoor is waterstof te duur. Daarvoor zijn batterijen te duur.”

Voor de componenten die nodig zijn om het oververhitte zand weer om te zetten in elektriciteit, zijn kosten vooraf vereist. “Maar als je daar eenmaal voor hebt betaald,” zei Turchi, “als je gewoon meer energie wilt hebben, is het veel, veel goedkoper om meer zand toe te voegen dan het alternatief, namelijk het blijven toevoegen van batterijen.”

Door Wayne Hicks. Met dank aan het Ministerie van Energie, NREL.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://cleantechnica.com/2024/03/29/solution-to-energy-storage-may-be-beneath-your-feet/