Hvad er sandbatterier? Alt hvad du behøver at vide

Nyheder om et sandbatteri fra Finland kom for nylig i overskrifterne, selvom det system kun lagrede og afgav varme.

Termisk varmelagring er ikke en ny teknologi, men dette pilotprojekt fremhæver nogle af de fremtidige muligheder for grønne energiteknologier og -systemer.

Dette indlæg ser på teknologien omkring sand til energilagring, såvel som lignende teknologier, og hvad de betyder for verden.

Energi fra sand?

Natursand besidder mange kvaliteter, der gør det til et ideelt medium til termisk energilagring. Du kan opvarme den til temperaturer over 1,000°C (1,832°F) uden problemer, og den kan holde på varmen i dage, uger og endda måneder med minimalt tab.

Hvis du tænker på, at et batteri er et middel til at lagre energi, der blev produceret på et bestemt tidspunkt, så det kunne bruges på et andet tidspunkt, så er sand, der opvarmes med elektrisk energi til opbevaring og senere brug, et batteri.

Det virale sandbatteri fra Finland

I det vestlige finske distrikt Kankaanpää ligger et patenteret varmelagringsenergisystem udviklet af Polarnatten. Den bruger overskydende elektrisk energi fra vedvarende kilder til at opvarme sand i en 7 meter høj og 4 meter bred silo op til 600°C (1,112°F) til opbevaring og senere udnyttelse i fjernvarmenettet.

Et par ting er vigtige at huske på her. For det første er den anvendte energi overskudsproduktion fra vedvarende kilder som vind og sol. Dette fjerner enhver objektiv sammenligning med andre energilagringssystemer til kommercielle formål.

For det andet bruges systemet udelukkende til termisk lagring og levering – det vil sige, at den elektriske energi omdannes til varme og lagres i sandet. Derefter udvindes varmen efter behov og distribueres til boliger og fabrikker, hvor der er brug for det.

For det tredje kan naturligt sand indeholde en ganske imponerende mængde energi. For eksempel rummer dette finske Polar Night-batteri 100 tons sand ved omkring 600 Celsius, til i alt 8MWh lagret energi ved en varmekapacitet på 100kW. Dette gør sand til et vanvittigt billigt energilagringsmedium uden smarte teknologier, installationer eller farlige krav.

Om sæsonbestemt termisk energilagring

Seasonal Thermal Energy Storage eller STES for kort, har eksisteret i meget lang tid. I sin enkleste form kan du samle varmt vand fra taget om sommeren og gemme det i en underjordisk tank, som du så kan bruge til opvarmning om vinteren.

De fleste STES-systemer lagrer dog varme ved mindre end 100°C, hvilket gør dem okay til opvarmning af boliger og kontorer, men mindre ideelle til anden industriel brug eller elproduktion.

Metoden er enkel, du udsætter ethvert medie, der kan fange og fastholde varme, for en strålingskilde, såsom solen, industrielt varmeaffald og så videre. Systemets effektivitet afhænger af varmevekslingsmetoden og dets effektivitet.

Dernæst skal du opbevare det opvarmede medium i et isoleret kabinet for at minimere energitab. Nogle indhegninger kan holde varmen godt i mange måneder.

Til sidst pumpes lagermediet ud om vinteren for at give varme til boliger og kontorer ved at lede det gennem en anden varmeveksler såsom en radiatorvarmer. Almindelige materialer, der bruges som STES-lagringsmedier, omfatter vand, olie, jord, salthydrater og så videre.

Populær anvendelse af lagret termisk energi

Lagret termisk energi har mange anvendelser, afhængigt af den påtænkte anvendelse. Her er de mest populære:

1. Opvarmning af boliger og kontorer – Opbevaret termisk kan nemt give opvarmning til opholds- og arbejdsrum om vinteren.
   
2. Hot Water – Varmen kan også overføres til at give altid klar varmt vand til hverdagsbrug.
   
3. Industrielle applikationer – Varmt vand bruges til en lang række industrielle anvendelser, fra blanding til rengøring, fødevareforarbejdning, fremstilling af opløsningsmidler, sterilisering og meget mere.
   
4. Elproduktion  – Du kan også bruge lagret termisk energi til at opvarme vand til damp og få det til at drive turbiner, som igen driver vekselstrømsgeneratorer, der producerer elektrisk strøm.

Økonomien ved et sandbatteri

Vand kan lagre mere energi sammenlignet med sand, men det bliver ustabilt fra 100°C (212°F) og opefter, mens sand nemt kan indeholde 600°C (1112°F) temperaturer.

Vand vil også beholde sin termiske energi længere end sand, hvilket gør vand til et bedre medium til sæsonbestemt energilagring. Men hvis du overvejer en applikation, der bruger varmen i løbet af timer eller blot et par dage, så bliver sand igen en topmulighed. Det er perfekt til at komplementere intermitterende energikilder såsom PV sol og vind.

Tilbage til det finske sandbatteri er den 7 meter høje stålcontainer designet til 100 tons sand, som rummer op til 8MWh energi.

For at sætte det i perspektiv, bruger det gennemsnitlige amerikanske hjem omkring 10 MWh energi om året, mens det tal varierer i Europa fra omkring 2 MWh i Rumænien til 9 MWh i Sverige. Derudover bruges 30-50 % af energien til opvarmning gennem vinteren.

Det betyder, at et 7 meter højt sandreservoir kan producere nok strøm til at opvarme et par boliger gennem vinteren og afhængigt af din placering. Men det ville være en upraktisk anvendelse i bycentre med en tæt befolkning i betragtning af dens størrelse.

Konvertering af dens 100 kW varmekapacitet til elektricitet på 30 % kan på den anden side producere nok strøm til over 20 hjem i løbet af dagen og mange flere hjem om natten.

Så korrekt optimeret kan et sandbatteri, der koster omkring $5 pr. kWh kapacitet, være et godt alternativ til de nuværende $100+ pr. kWh-omkostninger for bly-syre- og lithium-ion-batterisystemer. Ja, det er måske mere omfangsrigt, men det er langt billigere.

Sandbatterier til elproduktion

Opbevaring af termisk energi til senere brug i elproduktion er en gennemprøvet og pålidelig teknologi, der er implementeret i Koncentreret solenergi (CSP) projekter i årtier.

Energi i et moderne CSP-system fanges ved at koncentrere hundreder eller tusinder af spejle i en enkelt ovn. Disse spejle sporer derefter solen gennem dagen for at garantere konstant varme ved ovnen op til 565°C (1,049°F).

CSP-installationer er ofte meget store og spænder over millioner af kvadratfod (~1+km2) i areal, med deres solcellemodtagere i midten og elektriske genereringskapaciteter i 100+ Megawatt-området.

En smeltet saltblanding med 60 % natriumnitrat og 40 % kaliumnitrat bruges til at lagre energi i CSP-systemer til generering om natten. I modsætning til sandbatteriet smelter denne saltblanding dog ved høje temperaturer for at få den til at flyde som en væske.

Både CSP- og sandbatterisystemer konverterer solenergi til varmeenergi med nogenlunde lige store virkningsgrader på 15-20%. Men mens CSP smeltede saltsystemer har omkring 50 % effektivitet til at omdanne den lagrede varme til elektricitet, har det finske sandbatteri en teoretisk effektivitet på 20-25 %.

CSP-systemer er kommercielt levedygtige, så hvis du kan tilpasse dette finske batteri til at komme over en 30 % varme-til-el konvertering effektivitet, så kan det blive en levedygtig teknologi til billigt at opbevare og levere vedvarende elektricitet.

Lignende lagringsteknologier

Der er mange andre former for energilagring, hver med sine fordele og ulemper. De mest populære typer omfatter:

1. Elektrokemisk energilagring – Som du ville finde i batterier, udnytter dette potentialeforskellen mellem to elementer til at lagre og frigive energi ved hjælp af reversible elektrokemiske reaktioner.
   
2. Mekanisk energilagring – Dette involverer forskellige metoder, herunder brugen af ​​svinghjul og fjedre, samt gravitationssystemer, der lagrer energi i et objekt ved at vinde det op og øge dets højde.
   
3. Molten Salt Energy Storage (MSES) – Opbevaringen her er termisk, fx ved at bruge en kombination af 60 % natriumnitrat og 40 % kaliumnitrat.
   
4. Termisk varmt vand – Denne metode kan gemme op til 6kWh energi i en 50 gallon varmtvandsbeholder.
   
5. Pumpet Hydro – Den billigste form for energilagring. Dets største problem er imidlertid de begrænsede steder, hvor det kan implementeres.
   
6. Trykluft – I lighed med hydro komprimerer denne metode simpelthen luft for at lagre energi. Når du så har brug for energien, frigiver du den komprimerede luft til at drive en turbine.
   
7. Svinghjul – Du bruger simpelthen energi til at rotere et velafbalanceret hjul og lagre det derved som kinetisk energi, der enten kan bruges til bevægelse eller elproduktion.
   
8. Flow batteri – Dette er et elektrokemisk lagersystem, hvor elektrolytterne er i forskellige tanke og skal strømme fra en fuldt opladet tank til en tom ladetank. For derefter at oplade elektrolytterne, vender du blot flowet. Denne metode kan producere meget kraftige batterier, da de to elektrolytter interagerer gennem en membran, som du kan skalere meget.
   
9. Faseændringsmaterialer – Disse materialer absorberer energi, når de smelter, og giver den derefter væk, når de størkner. De er ideelle til at opbevare termisk energi ved præcise temperaturer.

Ofte stillede spørgsmål (FAQ)

Konklusion

Vi er nået til slutningen af ​​denne udforskning af sandbatterier og deres økonomiske potentiale. Og som du sikkert har indset, giver de mange muligheder.

Fra at levere varme til lokalsamfund til elproduktion gør silicasands billige snavs det til et lovende medium for fremtidige energiprojekter.