Meld deg på daglige nyhetsoppdateringer fra CleanTechnica på e-post. Eller følg oss på Google Nyheter!

Alle som noen gang har satt den barbeint over stranden på en solrik dag, går bort med en større forståelse for hvor mye varme sand kan holde på. Denne evnen forventes å spille en viktig rolle i fremtiden, ettersom teknologi som involverer oppvarmet sand blir en del av svaret på energilagringsbehov.

Batterier er sannsynligvis det de fleste tenker på når det gjelder lagring av energi for senere bruk, men andre teknologier finnes. Pumpet lagringsvannkraft er en vanlig metode, om enn en som krever reservoarer i forskjellige høyder og er begrenset av geografi. En annen tilnærming er avhengig av det som er kjent som termisk energilagring, eller TES, som bruker smeltet salt eller til og med overopphetede bergarter.

TES viser lovende som et lavkostalternativ til eksisterende lagringsteknologier, og lagring av energi i faste partikler som sand gir et klart svar, uten geologiske begrensninger.

Tross alt er sand, som luft og vann, overalt.

«Sand er lett tilgjengelig. Det er miljøvennlig. Den er stabil, ganske stabil, i et bredt temperaturområde. Det er også billig, sier Zhiwen Ma, en mekanisk ingeniør i laboratoriets Thermal Energy Systems Group.

Behovet for langtidslagring

Patentert teknologi utviklet og prototypisert ved NREL avslører hvordan varmeovner drevet av fornybare energikilder som vind og sol kan heve temperaturen på sandpartikler til ønsket temperatur. Sanden blir deretter avsatt i en silo for lagring og senere bruk, enten for å generere elektrisitet eller for prosessvarme i industrielle applikasjoner. En prototype i laboratorieskala validerte teknologien og tillot forskere å lage en datamodell som viser at en enhet i kommersiell skala vil beholde mer enn 95 % av varmen i minst fem dager.

"Lithium-ion-batterier har virkelig slått markedet i hjørnet ved to til fire timers lagring, men hvis vi ønsker å nå våre karbonreduksjonsmål, vil vi trenge langvarige energilagringsenheter - ting som kan lagre energi i flere dager," sa Jeffrey Gifford, en postdoktor ved NREL.

Gifford, som allerede deler to patenter med Ma på varmevekslere som konverterer lagret termisk energi til elektrisitet, sa at bruken av sand eller andre partikler for å lagre termisk energi har en annen fordel fremfor batterier. "Partikkellagring av termisk energi er ikke avhengig av sjeldne jordartsmaterialer eller materialer som har komplekse og uholdbare forsyningskjeder. For eksempel, i litium-ion-batterier er det mange historier om utfordringen med å utvinne kobolt mer etisk."

I tillegg til TES, er Giffords ekspertise innen databasert væskedynamikk. Den kunnskapen er viktig fordi sanden må strømme gjennom lagringsenheten. Andre TES-medier inkluderer betong og steiner, som lett kan holde på varmen, men forblir solid på plass. "Varmeoverføringen din er mye høyere og mye raskere og mye mer effektiv hvis du flytter media," sa Gifford.

TES har også en annen viktig fordel: kostnaden. Ma har beregnet at sand er det billigste alternativet for energilagring sammenlignet med fire rivaliserende teknologier, inkludert trykkluftenergilagring (CAES), pumpet vannkraft og to typer batterier. CAES og pumpet vannkraft kan bare lagre energi i flere titalls timer. Kostnaden per kilowatt-time for CAES varierer fra $150 til $300, mens den for pumpet vannkraft er rundt $60. Et litium-ion-batteri vil koste 300 dollar per kilowatt-time og kun ha kapasitet til å lagre energi fra én til fire timer. Med en varighet som varer i hundrevis av timer, vil sand som lagringsmedium koste fra $4 til $10 i kilowattimen. For å sikre lave kostnader, ville varmen bli generert ved bruk av lavpriselektrisitet.

Ma, som har en håndfull patenter på teknologien, har tidligere fungert som hovedetterforsker på et ARPA-E-finansiert prosjekt kjent som ENDURING, for økonomisk langvarig elektrisitetslagring ved å bruke lavkostnads ​​lagring av termisk energi og høyeffektiv kraftsyklus . Prototypen kom fra dette prosjektet. Neste opp er det banebrytende i 2025 på et elektrisk lagringssystem for termisk energi (ETES) på NRELs Flatirons Campus utenfor Boulder, Colorado, som vil bli designet for å lagre energi i mellom 10 og 100 timer. Det frittstående systemet er fritt for lokaliseringsbegrensninger som begrenser hvor CAES eller pumpet vannkraft kan etableres.

Det DOE-finansierte demonstrasjonsprosjektet, sa Ma, er ment å vise det kommersielle potensialet til sand for TES.

Smeltede salter er allerede i bruk for å lagre energi midlertidig, men de fryser ved omtrent 220 grader Celsius (428 grader Fahrenheit) og begynner å brytes ned ved 600 C. Sanden Ma har tenkt å bruke kommer opp av bakken i Midtvesten av USA , trenger ikke å holdes fra å "fryse", og kan holde på betydelig mer varme, i området 1,100 C (2,012 F) som kan lagre varme for kraftproduksjon eller for å erstatte brennende fossilt brensel for industriell varme.

"Dette representerer en ny generasjon lagring utover smeltet salt," sa Ma.

Bestemme hva som skal lagre varmen

Men vil bare hvilken som helst gammel sand gjøre det? Ikke ifølge NREL-forskere, som undersøkte ulike faste partikler for deres evne til å flyte og holde på varmen. I en artikkel publisert i fjor høst, eksperimenterte Ma og andre med åtte faste partikkelkandidater. Blant partiklene som ble vurdert var menneskeskapte keramiske materialer brukt i fracking, kalsinert flintleire, brunt smeltet alumina og silikasand. Leiren og smeltet alumina ble avvist på grunn av termisk ustabilitet ved måltemperaturen på 1,200 grader Celsius (2,192 grader Fahrenheit).

De keramiske materialene overgikk sanden i alle kategorier, men de marginale ytelsesgevinstene ble ansett som utilstrekkelige til å rettferdiggjøre den høyere kostnaden. Mens sanden koster fra $30 til $80 tonnet, var prisene på de keramiske materialene omtrent to størrelser høyere. Sanden er i den ultrarene formen av alfa-kvarts og er lett tilgjengelig i Midtvesten.

Å utvide mengden energi som kan lagres i sand er like enkelt som å legge til mer sand, sa Craig Turchi, leder for Thermal Energy Science and Technologies Research Group ved NREL.

"Det er en marginal kostnad for å legge til ekstra lagringskapasitet," sa han. "Vi trenger lagring fra minutter til måneder. Batterier fungerte veldig bra i løpet av minutter til timer med tanke på hvordan de skaleres. Og når du kommer inn i måneder med lagring, ser du vanligvis på å lage et drivstoff som hydrogen for å gi den langsiktige lagringen. Men i perioden mellom flere timer og to uker, passer det ikke akkurat nå. Hydrogen er for dyrt til det. Batterier er for dyre til det.»

Komponentene som trengs for å konvertere den overopphetede sanden tilbake til elektrisitet krever en forhåndskostnad. "Men når du først har betalt for det," sa Turchi, "hvis du bare vil ha mer varighet for kraften din, er det mye, mye billigere å legge til mer sand enn alternativet, som er å fortsette å legge til batterier."

Av Wayne Hicks. Med tillatelse fra Department of Energy, NREL.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://cleantechnica.com/2024/03/29/solution-to-energy-storage-may-be-beneath-your-feet/