Zapisz się na codzienne aktualizacje wiadomości z CleanTechnica na e-mail. Lub śledź nas w Google News!

Każdy, kto kiedykolwiek spacerował boso po plaży w słoneczny dzień, wyszedł z większą świadomością, ile ciepła może zatrzymać piasek. Oczekuje się, że zdolność ta odegra kluczową rolę w przyszłości, ponieważ technologia wykorzystująca podgrzewany piasek stanie się częścią odpowiedzi na potrzeby w zakresie magazynowania energii.

Większość ludzi myśli prawdopodobnie o bateriach, jeśli chodzi o przechowywanie energii do późniejszego wykorzystania, ale istnieją inne technologie. Jedną z powszechnych metod jest elektrownia szczytowo-pompowa, aczkolwiek wymagająca zbiorników na różnych wysokościach i ograniczona geograficznie. Inne podejście opiera się na tak zwanym magazynowaniu energii cieplnej, w skrócie TES, które wykorzystuje stopioną sól lub nawet przegrzane skały.

TES wydaje się obiecujący jako tania alternatywa dla istniejących technologii magazynowania, a magazynowanie energii w cząstkach stałych, takich jak piasek, stanowi gotowe rozwiązanie, bez ograniczeń geologicznych.

W końcu piasek, podobnie jak powietrze i woda, jest wszędzie.

„Piasek jest łatwo dostępny. Jest przyjazny dla środowiska. Jest stabilny, dość stabilny, w szerokim zakresie temperatur. Jest także niski koszt” – powiedział Zhiwen Ma, inżynier mechanik w laboratoryjnej Grupie ds. Systemów Energii Cieplnej.

Konieczność długoterminowego przechowywania

Opatentowana technologia opracowana i prototypowana w NREL ujawnia, w jaki sposób grzejniki zasilane odnawialnymi źródłami energii, takimi jak wiatr i słońce, mogą podnieść temperaturę cząstek piasku do pożądanej temperatury. Piasek jest następnie składowany w silosie w celu przechowywania i późniejszego wykorzystania do wytwarzania energii elektrycznej lub ciepła technologicznego w zastosowaniach przemysłowych. Prototyp w skali laboratoryjnej zweryfikował technologię i umożliwił naukowcom stworzenie modelu komputerowego, który pokazuje, że urządzenie na skalę komercyjną zatrzyma ponad 95% ciepła przez co najmniej pięć dni.

„Akumulatory litowo-jonowe naprawdę opanowały rynek przy przechowywaniu od dwóch do czterech godzin, ale jeśli chcemy osiągnąć nasze cele w zakresie redukcji emisji dwutlenku węgla, będziemy potrzebować urządzeń do długotrwałego magazynowania energii – takich, które będą w stanie magazynować energię przez wiele dni” – powiedział Jeffrey Gifford, pracownik naukowy ze stopniem doktora w NREL.

Gifford, który dzieli już z Ma dwa patenty na wymienniki ciepła przekształcające zmagazynowaną energię cieplną w energię elektryczną, powiedział, że wykorzystanie piasku lub innych cząstek do magazynowania energii cieplnej ma jeszcze jedną zaletę w porównaniu z bateriami. „Magazynowanie cząstek energii cieplnej nie opiera się na materiałach ziem rzadkich ani materiałach, które mają złożone i niezrównoważone łańcuchy dostaw. Na przykład w przypadku akumulatorów litowo-jonowych istnieje wiele historii na temat wyzwań związanych z bardziej etycznym wydobyciem kobaltu”.

Oprócz TES, Gifford specjalizuje się w obliczeniowej dynamice płynów. Ta wiedza jest ważna, ponieważ piasek musi przepływać przez urządzenie magazynujące. Inne media TES obejmują beton i skały, które z łatwością zatrzymują ciepło, ale pozostają solidnie na swoim miejscu. „Przenikanie ciepła jest znacznie większe, szybsze i znacznie skuteczniejsze, jeśli przenosisz media” – powiedział Gifford.

TES ma także inną kluczową zaletę: koszt. Ma obliczył, że piasek jest najtańszą opcją magazynowania energii w porównaniu z czterema konkurencyjnymi technologiami, takimi jak magazynowanie energii w sprężonym powietrzu (CAES), elektrownia szczytowo-pompowa i dwa typy akumulatorów. CAES i elektrownie wodne szczytowo-pompowe mogą magazynować energię jedynie przez dziesiątki godzin. Koszt kilowatogodziny w przypadku CAES waha się od 150 do 300 dolarów, podczas gdy w przypadku elektrowni szczytowo-pompowych wynosi około 60 dolarów. Bateria litowo-jonowa będzie kosztować 300 dolarów za kilowatogodzinę i będzie w stanie magazynować energię tylko od jednej do czterech godzin. Przy czasie trwania trwającym setki godzin piasek jako nośnik danych będzie kosztować od 4 do 10 dolarów za kilowatogodzinę. Aby zapewnić niskie koszty, ciepło będzie wytwarzane z taniej energii elektrycznej dostępnej poza szczytem.

Ma, który posiada kilka patentów na tę technologię, był wcześniej głównym badaczem w finansowanym przez ARPA-E projekcie ENDURING, dotyczącym ekonomicznego, długotrwałego magazynowania energii elektrycznej poprzez wykorzystanie taniego magazynowania energii cieplnej i wysokowydajnego cyklu zasilania . Prototyp pochodzi z tego projektu. Następnym krokiem będzie rozpoczęcie w 2025 r. przełomowego systemu magazynowania energii cieplnej (ETES) w kampusie Flatirons Campus NREL pod Boulder w Kolorado, który będzie zaprojektowany do magazynowania energii przez od 10 do 100 godzin. System autonomiczny nie podlega żadnym ograniczeniom dotyczącym lokalizacji, które ograniczają miejsce instalacji CAES lub elektrowni szczytowo-pompowej.

Ma powiedział, że projekt demonstracyjny finansowany przez DOE ma na celu pokazanie komercyjnego potencjału piasku na potrzeby TES.

Stopione sole są już wykorzystywane do tymczasowego magazynowania energii, ale zamarzają w temperaturze około 220 stopni Celsjusza (428 stopni Fahrenheita) i zaczynają się rozkładać w temperaturze 600 stopni Celsjusza. Piasek, którego Ma zamierza użyć, wydobywa się z ziemi na środkowo-zachodnim obszarze Stanów Zjednoczonych , nie trzeba chronić przed „zamarzaniem” i może zatrzymać znacznie więcej ciepła, w zakresie temperatur do 1,100 C (2,012 F), które może magazynować ciepło do celów wytwarzania energii lub zastępować spalanie paliw kopalnych na potrzeby ciepła przemysłowego.

„To oznacza nową generację magazynowania wykraczającą poza stopioną sól” – stwierdziła Ma.

Decydowanie, co będzie magazynować ciepło

Ale czy wystarczy każdy stary piasek? Nie zdaniem badaczy z NREL, którzy badali różne cząstki stałe pod kątem ich zdolności do przepływu i zatrzymywania ciepła. W artykule opublikowanym jesienią ubiegłego roku Ma i inni eksperymentowali na ośmiu kandydatach na cząstki stałe. Wśród uwzględnionych cząstek znalazły się sztuczne materiały ceramiczne stosowane w szczelinowaniu, kalcynowana glina krzemienna, brązowy stopiony tlenek glinu i piasek krzemionkowy. Glinę i stopiony tlenek glinu odrzucono ze względu na niestabilność termiczną w docelowej temperaturze 1,200 stopni Celsjusza (2,192 stopni Fahrenheita).

Materiały ceramiczne radziły sobie lepiej niż piasek we wszystkich kategoriach, ale marginalny wzrost wydajności uznano za niewystarczający, aby uzasadnić wyższy koszt. Podczas gdy piasek kosztuje od 30 do 80 dolarów za tonę, ceny materiałów ceramicznych były o około dwie wielkości wyższe. Piasek występuje w ultraczystej formie alfa kwarcu i jest łatwo dostępny na Środkowym Zachodzie.

Zwiększanie ilości energii, którą można zmagazynować w piasku, jest tak proste, jak dodanie większej ilości piasku, powiedział Craig Turchi, kierownik Grupy Badawczej ds. Nauki i Technologii Energii Cieplnej w NREL.

„To marginalny koszt dodania dodatkowej pojemności” – stwierdził. „Potrzebujemy przechowywania danych w przedziale od minut do miesięcy. Baterie działały naprawdę dobrze w zakresie minut i godzin, jeśli chodzi o skalowanie. A kiedy masz do czynienia z wielomiesięcznym przechowywaniem, zwykle zastanawiasz się nad wytworzeniem paliwa takiego jak wodór, aby zapewnić długoterminowe przechowywanie. Jednak w okresie od kilku godzin do dwóch tygodni nie jest to obecnie dobre dopasowanie. Wodór jest na to za drogi. Baterie są na to za drogie.”

Komponenty potrzebne do przekształcenia przegrzanego piasku z powrotem w energię elektryczną wymagają poniesienia kosztów początkowych. „Ale kiedy już za to zapłacisz” – powiedział Turchi – „jeśli chcesz po prostu mieć dłuższy czas działania swojej mocy, o wiele, wiele taniej jest dodać więcej piasku niż alternatywa polegająca na ciągłym dodawaniu baterii”.

Wayne’a Hicksa. Dzięki uprzejmości Departamentu Energii, NREL.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://cleantechnica.com/2024/03/29/solution-to-energy-storage-may-be-beneath-your-feet/