Какво представляват пясъчните батерии? Всичко, което трябва да знаете

Новината за пясъчна батерия от Финландия наскоро стана водеща новина, въпреки че тази система само съхранява и освобождава топлина.

Термалното съхранение на топлина не е нова технология, но този пилотен проект подчертава някои от бъдещите възможности на зелените енергийни технологии и системи.

Тази публикация разглежда технологията около пясъка за съхранение на енергия, както и подобни технологии и какво означават те за света.

Енергия от пясък?

Естественият пясък притежава много качества, които го правят идеална среда за съхранение на топлинна енергия. Можете да го загреете до температури над 1,000°C (1,832°F) без проблеми и той може да поддържа тази топлина дни, седмици и дори месеци с минимални загуби.

Ако смятате, че батерията е средство за съхраняване на енергия, която е произведена в определен момент, така че може да се използва в различно време, тогава пясъкът, който се нагрява с електрическа енергия за съхранение и по-късно използване, е батерия.

Вирусната пясъчна батерия от Финландия

В западния финландски квартал Kankaanpää се намира патентована система за съхранение на топлина, разработена от Полярна нощ. Той използва излишната електрическа енергия от възобновяеми източници, за да загрее пясъка в силоз с височина 7 метра и ширина 4 метра до 600°C (1,112°F) за съхранение и по-късно използване в топлофикационната мрежа.

Тук е важно да имате предвид няколко неща. Първо, използваната енергия е излишък от възобновяеми източници като вятър и слънце. Това премахва всякакви обективни сравнения с други системи за съхранение на енергия за търговски цели.

Второ, системата се използва единствено за термично съхранение и доставка – тоест електрическата енергия се преобразува в топлина и се съхранява в пясъка. След това, когато е необходимо, топлината се извлича и разпределя до домове и фабрики, където е необходима.

Трето, естественият пясък може да съдържа доста впечатляващо количество енергия. Например, тази финландска полярна нощна батерия побира 100 тона пясък при около 600 Целзий, за общо 8MWh съхранена енергия при 100kW топлинен капацитет. Това прави пясъка безумно евтина среда за съхранение на енергия без фантастични технологии, инсталации или опасни изисквания.

Относно сезонното съхранение на топлинна енергия

Сезонното съхранение на топлинна енергия или накратко STES съществува от много дълго време. В най-простата си форма можете да събирате топла вода от покрива през лятото и да я съхранявате в подземен резервоар, който след това да използвате за отопление през зимата.

Повечето STES системи обаче съхраняват топлина при по-малко от 100°C, което ги прави подходящи за отопление на домове и офиси, но по-малко идеални за други промишлени цели или производство на електроенергия.

Методът е прост, излагате всяка среда, която може да улови и задържи топлината, на източник на радиация, като слънцето, промишлени топлинни отпадъци и т.н. Ефективността на системата зависи от метода на топлообмен и неговата ефективност.

След това ще трябва да съхранявате нагрятата среда в изолиран корпус, така че да минимизирате загубата на енергия. Някои заграждения могат да задържат топлината добре в продължение на много месеци.

Накрая, средата за съхранение се изпомпва през зимата, за да осигури отопление на домове и офиси, като я прекара през друг топлообменник, като например радиаторен нагревател. Обичайните материали, използвани като среда за съхранение на STES, включват вода, масло, почва, солни хидрати и т.н.

Популярни употреби на съхранена топлинна енергия

Съхранената топлинна енергия има много приложения в зависимост от предвиденото приложение. Ето най-популярните:

1. Отопление на домове и офиси – Съхранената топлина може лесно да осигури отопление на жилищни и работни помещения през зимата.
   
2. Топла вода – Топлината може също да се прехвърля, за да осигури винаги готова топла вода за ежедневна употреба.
   
3. индустриални приложения – Горещата вода се използва за широк спектър от промишлени приложения, от смесване до почистване, обработка на храни, производство на разтворители, стерилизация и много други.
   
4. Производство на електроенергия  – Можете също така да използвате съхранената топлинна енергия, за да загреете водата до пара и да я накарате да задвижва турбини, които от своя страна задвижват алтернатори, които произвеждат електричество.

Икономиката на пясъчна батарея

Водата може да съхранява повече енергия в сравнение с пясъка, но става нестабилна от 100°C (212°F) нагоре, докато пясъкът може лесно да поддържа температури от 600°C (1112°F).

Водата също ще запази топлинната си енергия по-дълго от пясъка, което прави водата по-добра среда за сезонно съхранение на енергия. Въпреки това, ако обмисляте приложение, което изразходва топлината в рамките на часове или само за няколко дни, тогава пясъкът отново става топ опция. Той е идеален за допълване на периодични енергийни източници като фотоволтаична слънчева и вятърна енергия.

Обратно към финландската пясъчна батерия, 7-метровият стоманен контейнер е проектиран за 100 тона пясък, който съдържа до 8 MWh енергия.

За да го поставим в перспектива, средният дом в САЩ използва около 10 MWh енергия годишно, докато този брой варира в Европа от около 2 MWh в Румъния до 9 MWh в Швеция. Освен това 30-50% от енергията се използва за отопление през зимата.

Това означава, че висок 7 метра пясъчен резервоар може да произведе достатъчно енергия за отопление на няколко домове през зимата и в зависимост от вашето местоположение. Но това би било непрактично приложение в градски центрове с гъсто население предвид размера му.

Преобразуването на отоплителния му капацитет от 100kW в електричество при 30% от друга страна може да произведе достатъчно енергия за над 20 домове през деня и много повече домове през нощта.

Така че, правилно оптимизирана, пясъчна батерия, която струва около $5 на kWh капацитет, може да бъде чудесна алтернатива на текущите $100+ на kWh цена за оловно-киселинни и литиево-йонни батерийни системи. Да, може да е по-обемно, но е много по-евтино.

Пясъчни батерии за производство на електроенергия

Съхраняването на топлинна енергия за по-късно използване в производството на електроенергия е доказана и надеждна технология, която е внедрена в Концентрирана слънчева енергия (CSP) проекти от десетилетия.

Енергията в съвременната CSP система се улавя чрез концентриране на стотици или хиляди огледала в една пещ. След това тези огледала проследяват слънцето през деня, за да гарантират постоянна топлина в пещта до 565°C (1,049°F).

CSP инсталациите често са много големи, обхващащи милиони квадратни фута (~1+km2) на площ, с техните слънчеви приемници в центъра и мощности за генериране на електричество в диапазона от 100+ мегавата.

Смес от разтопена сол с 60% натриев нитрат и 40% калиев нитрат се използва за съхраняване на енергия в CSP системи за нощно генериране. За разлика от пясъчната батерия обаче, тази солена смес се топи при високи температури, за да тече като течност.

И CSP, и системите с пясъчни батерии преобразуват слънчевата енергия в топлинна енергия с приблизително еднаква ефективност от 15-20%. Но докато CSP системите с разтопена сол имат около 50% ефективност при преобразуването на съхранената топлина в електричество, финландската пясъчна батерия има теоретична ефективност от 20-25%.

CSP системите са търговски жизнеспособни, така че ако можете да настроите тази финландска батерия, за да получите над 30% ефективност на преобразуване на топлина в електричество, тогава тя може да се превърне в жизнеспособна технология за евтино съхранение и доставка на възобновяема електроенергия.

Подобни технологии за съхранение

Има много други форми на съхранение на енергия, всяка със своите плюсове и минуси. Най-популярните видове включват:

1. Електрохимично съхранение на енергия – Както бихте намерили при батериите, това използва потенциалната разлика между два елемента за съхраняване и освобождаване на енергия чрез обратими електрохимични реакции.
   
2. Механично съхранение на енергия – Това включва различни методи, включително използването на маховици и пружини, както и гравитационни системи, които съхраняват енергия в даден обект, като го издигат и увеличават надморската му височина.
   
3. Съхранение на енергия от разтопена сол (MSES) – Съхранението тук е термично, например чрез използване на комбинация от 60% натриев нитрат и 40% калиев нитрат.
   
4. Топла вода – Този метод може да съхранява до 6kWh енергия в резервоар за гореща вода от 50 галона.
   
5. Помпена хидро – Най-евтината форма за съхранение на енергия. Основният му проблем обаче са ограничените места, където може да бъде приложен.
   
6. Сгъстен въздух – Подобно на хидро, този метод просто компресира въздух, за да съхранява енергия. След това, когато имате нужда от енергия, освобождавате сгъстения въздух, за да задвижите турбина.
   
7. маховик – Вие просто използвате енергия, за да завъртите добре балансирано колело, като я съхранявате като кинетична енергия, която може да се използва или за движение, или за генериране на електрическа енергия.
   
8. Проточна батерия – Това е електрохимична система за съхранение, при която електролитите са в различни резервоари и трябва да текат от напълно зареден резервоар към празен резервоар за зареждане. След това, за да заредите електролитите, просто обръщате потока. Този метод може да произведе много мощни батерии, тъй като двата електролита взаимодействат през мембрана, която можете да мащабирате широко.
   
9. Материали за промяна на фазата – Тези материали абсорбират енергия, докато се топят, след което я отдават, докато се втвърдяват. Те са идеални за съхранение на топлинна енергия при точни температури.

Често задавани въпроси (FAQ)

Заключение

Стигнахме до края на това изследване на пясъчните батерии и техния икономически потенциал. И както сигурно сте разбрали, те предлагат много възможности.

От осигуряването на топлина за общностите до производството на електрическа енергия, евтиността на кварцевия пясък го прави обещаваща среда за бъдещи енергийни проекти.