Co jsou pískové baterie? Vše, co potřebujete vědět

Zprávy o pískové baterii z Finska se nedávno staly hlavními zprávami, ačkoli tento systém pouze ukládal a uvolňoval teplo.

Tepelná akumulace tepla není nová technologie, ale tento pilotní projekt zdůrazňuje některé budoucí možnosti technologií a systémů zelené energie.

Tento příspěvek se zabývá technologií obklopující písek pro skladování energie, stejně jako podobné technologie, a co znamenají pro svět.

Energie z písku?

Přírodní písek má mnoho vlastností, které z něj dělají ideální médium pro skladování tepelné energie. Můžete jej bez problémů zahřát na teploty vyšší než 1,000 1,832 °C (XNUMX XNUMX °F) a toto teplo dokáže udržet dny, týdny a dokonce měsíce s minimálními ztrátami.

Pokud uvážíte, že baterie je prostředek k ukládání energie, která byla vyrobena v určitém čase, takže by mohla být použita v jiném čase, pak písek, který je ohříván elektrickou energií pro skladování a pozdější použití, je baterie.

Virové pískové baterie z Finska

V západofinské čtvrti Kankaanpää leží patentovaný systém akumulace tepla vyvinutý společností Polární noc. Využívá přebytečnou elektrickou energii z obnovitelných zdrojů k ohřevu písku v 7 metrů vysokém a 4 metry širokém sile až na 600 °C (1,112 XNUMX °F) pro skladování a pozdější využití v síti dálkového vytápění.

Zde je důležité mít na paměti několik věcí. Za prvé, použitá energie je přebytečná výroba z obnovitelných zdrojů, jako je vítr a slunce. To odstraňuje jakékoli objektivní srovnání s jinými systémy skladování energie pro komerční účely.

Za druhé, systém se používá výhradně pro skladování a dodávku tepla – to znamená, že elektrická energie se přeměňuje na teplo a ukládá se do písku. Poté, když je potřeba, je teplo extrahováno a distribuováno do domácností a továren, kde je potřeba.

Za třetí, přírodní písek pojme docela působivé množství energie. Například tato finská baterie Polar Night pojme 100 tun písku při teplotě asi 600 Celsia, což představuje celkem 8 MWh akumulované energie při 100kW topné kapacitě. Díky tomu je písek šíleně levným médiem pro ukládání energie bez přepychových technologií, instalací nebo nebezpečných požadavků.

O sezónním skladování tepelné energie

Sezónní skladování tepelné energie nebo zkráceně STES existuje již velmi dlouho. V nejjednodušší podobě byste mohli během léta odebírat teplou vodu ze střechy a ukládat ji do podzemní nádrže, kterou pak můžete v zimě používat k vytápění.

Většina systémů STES však uchovává teplo při teplotě nižší než 100 °C, což je činí vhodnými pro vytápění domácností a kanceláří, ale méně ideálními pro jiné průmyslové použití nebo výrobu energie.

Metoda je jednoduchá, vystavíte jakékoli médium, které dokáže zachytit a udržet teplo, zdroji záření, jako je slunce, průmyslové tepelné odpady a tak dále. Účinnost systému závisí na způsobu výměny tepla a jeho účinnosti.

Dále budete muset ohřáté médium skladovat v izolované skříni, abyste minimalizovali energetické ztráty. Některé kryty mohou dobře udržet teplo po mnoho měsíců.

Nakonec je akumulační médium v ​​zimě odčerpáno, aby zajistilo vytápění domácností a kanceláří tím, že je vede přes další výměník tepla, jako je radiátorové topení. Mezi běžné materiály používané jako STES úložná média patří voda, olej, půda, hydráty solí a tak dále.

Populární využití uložené tepelné energie

Uložená tepelná energie má mnoho využití v závislosti na zamýšlené aplikaci. Zde jsou ty nejoblíbenější:

1. Vytápění domů a kanceláří – Akumulovaná tepelná energie může v zimě snadno zajistit vytápění obytných a pracovních prostor.
   
2. Teplá voda – Teplo se také může přenášet, aby byla vždy připravena teplá voda pro každodenní použití.
   
3. Průmyslové aplikace – Horká voda se používá pro širokou škálu průmyslových aplikací, od míchání po čištění, zpracování potravin, výrobu rozpouštědel, sterilizaci a mnoho dalšího.
   
4. Výroba elektřiny  – Uloženou tepelnou energii můžete také využít k ohřevu vody na páru a nechat ji pohánět turbíny, které zase pohánějí alternátory produkující elektrickou energii.

Ekonomika pískové baterie

Voda může uchovat více energie než písek, ale od 100 °C (212 °F) výše se stává nestabilní, zatímco písek může snadno obsahovat teploty 600 °C (1112 °F).

Voda si také udrží svou tepelnou energii déle než písek, což z vody dělá lepší médium pro sezónní skladování energie. Pokud však uvažujete o aplikaci, která spotřebuje teplo během hodin nebo jen pár dní, pak se písek opět stává top volbou. Je ideální pro doplnění přerušovaných zdrojů energie, jako je FV solární a větrná energie.

Zpět k finské pískové baterii, 7 metrů vysoký ocelový kontejner je určen pro 100 tun písku, které pojmou až 8 MWh energie.

Pro představu, průměrná americká domácnost spotřebuje asi 10 MWh energie ročně, zatímco toto číslo se v Evropě liší od přibližně 2 MWh v Rumunsku po 9 MWh ve Švédsku. Navíc se 30–50 % energie spotřebuje na vytápění přes zimu.

To znamená, že 7 metrů vysoká nádrž písku může produkovat dostatek energie na vytápění několika domů přes zimu a v závislosti na vaší poloze. V městských centrech s hustým osídlením by to ale bylo vzhledem k jeho velikosti nepraktické použití.

Přeměna jeho 100kW topného výkonu na elektřinu při 30% na druhé straně může produkovat dostatek energie pro více než 20 domácností během dne a mnohem více domácností v noci.

Správně optimalizovaná písková baterie, která stojí asi 5 USD za kWh kapacitu, může být tedy skvělou alternativou k současným nákladům 100+ USD za kWh pro systémy olověných a lithium-iontových baterií. Ano, může být objemnější, ale je mnohem levnější.

Pískové baterie pro výrobu elektřiny

Akumulace tepelné energie pro pozdější využití při výrobě elektřiny je osvědčená a spolehlivá technologie, která byla implementována v r Koncentrovaná solární energie (CSP) projekty na desítky let.

Energie v moderním systému CSP je zachycena koncentrací stovek nebo tisíců zrcadel v jediné peci. Tato zrcadla pak sledují slunce během dne, aby zaručili konstantní teplo v peci až do 565 °C (1,049 XNUMX °F).

Instalace CSP jsou často velmi velké, zabírají plochu milionů čtverečních stop (~1+km2), se solárními přijímači ve středu a kapacitou výroby elektřiny v rozsahu 100+ megawattů.

Směs roztavené soli s 60 % dusičnanu sodného a 40 % dusičnanu draselného se používá k ukládání energie v systémech CSP pro noční výrobu. Na rozdíl od pískové baterie však tato solná směs taje při vysokých teplotách, aby proudila jako tekutina.

Jak CSP, tak pískové bateriové systémy přeměňují solární energii na tepelnou energii se zhruba stejnou účinností 15-20 %. Ale zatímco systémy tavené soli CSP mají asi 50% účinnost při přeměně akumulovaného tepla na elektřinu, finská písková baterie má teoretickou účinnost 20-25%.

Systémy CSP jsou komerčně životaschopné, takže pokud dokážete tuto finskou baterii vyladit tak, aby přesáhla 30% účinnost přeměny tepla na elektřinu, pak se může stát životaschopnou technologií pro levné skladování a dodávky elektřiny z obnovitelných zdrojů.

Podobné technologie úložiště

Existuje mnoho dalších forem skladování energie, z nichž každá má své klady a zápory. Mezi nejoblíbenější typy patří:

1. Elektrochemické skladování energie – Jak byste našli v bateriích, využívá to potenciální rozdíl mezi dvěma prvky k ukládání a uvolňování energie pomocí vratných elektrochemických reakcí.
   
2. Skladování mechanické energie – To zahrnuje různé metody včetně použití setrvačníků a pružin, stejně jako gravitačních systémů, které ukládají energii v objektu jeho zvednutím a zvýšením jeho výšky.
   
3. Skladování energie roztavené soli (MSES) – Skladování je zde tepelné, například při použití kombinace 60 % dusičnanu sodného a 40 % dusičnanu draselného.
   
4. Termální teplá voda – Tato metoda může uložit až 6 kWh energie v 50galonové nádrži na horkou vodu.
   
5. Čerpaná hydro – Nejlevnější forma skladování energie. Jeho hlavním problémem jsou však omezené lokality, kde může být implementován.
   
6. Stlačený vzduch – Podobně jako u hydro, tato metoda jednoduše stlačuje vzduch, aby se uložila energie. Když pak potřebujete energii, uvolníte stlačený vzduch pro pohon turbíny.
   
7. setrvačník – Energii jednoduše využijete k otáčení dobře vyváženého kola a tím ji ukládáte jako kinetickou energii, kterou lze využít buď k pohybu, nebo k výrobě elektrické energie.
   
8. Průtoková baterie – Jedná se o elektrochemický skladovací systém, kde jsou elektrolyty v různých nádržích a musí proudit z plně nabité nádrže do prázdné nabíjecí nádrže. Poté pro nabití elektrolytů jednoduše obrátíte tok. Tato metoda může produkovat velmi výkonné baterie, protože dva elektrolyty interagují přes membránu, kterou lze značně škálovat.
   
9. Materiály s fázovou změnou – Tyto materiály při tavení absorbují energii a při tuhnutí ji odevzdávají. Jsou ideální pro skladování tepelné energie při přesných teplotách.

Často kladené otázky (FAQ)

Závěr

Dosáhli jsme konce tohoto průzkumu pískových baterií a jejich ekonomického potenciálu. A jak jste si jistě uvědomili, nabízejí mnoho možností.

Od poskytování tepla komunitám po výrobu elektrické energie, nízká cena křemičitého písku z něj činí slibné médium pro budoucí energetické projekty.