Τι είναι οι μπαταρίες άμμου; Όλα όσα πρέπει να γνωρίζετε

Οι ειδήσεις σχετικά με μια μπαταρία άμμου από τη Φινλανδία έγιναν πρόσφατα πρωτοσέλιδα ειδήσεων, αν και αυτό το σύστημα αποθήκευε και απελευθέρωσε μόνο θερμότητα.

Η αποθήκευση θερμικής θερμότητας δεν είναι νέα τεχνολογία, αλλά αυτό το πιλοτικό έργο υπογραμμίζει ορισμένες από τις μελλοντικές δυνατότητες των τεχνολογιών και συστημάτων πράσινης ενέργειας.

Αυτή η ανάρτηση εξετάζει την τεχνολογία που περιβάλλει την άμμο για αποθήκευση ενέργειας, καθώς και παρόμοιες τεχνολογίες, και τι σημαίνουν για τον κόσμο.

Ενέργεια από την άμμο;

Η φυσική άμμος έχει πολλές ιδιότητες που την καθιστούν ιδανικό μέσο αποθήκευσης θερμικής ενέργειας. Μπορείτε να το θερμάνετε σε θερμοκρασίες πέραν των 1,000°C (1,832°F) χωρίς προβλήματα και μπορεί να κρατήσει αυτή τη θερμότητα για μέρες, εβδομάδες, ακόμη και μήνες με ελάχιστη απώλεια.

Εάν θεωρείτε ότι μια μπαταρία είναι ένα μέσο αποθήκευσης ενέργειας που παρήχθη σε μια συγκεκριμένη στιγμή, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διαφορετική στιγμή, τότε η άμμος που θερμαίνεται με ηλεκτρική ενέργεια για αποθήκευση και αργότερα χρήση, είναι μπαταρία.

Η Viral Sand Battery από τη Φινλανδία

Στη δυτική φινλανδική συνοικία Kankaanpää βρίσκεται ένα πατενταρισμένο ενεργειακό σύστημα αποθήκευσης θερμότητας που αναπτύχθηκε από την Πολική νύχτα. Χρησιμοποιεί περίσσεια ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές για τη θέρμανση της άμμου σε σιλό ύψους 7 μέτρων και πλάτους 4 μέτρων μέχρι τους 600°C (1,112°F) για αποθήκευση και μετέπειτα χρήση στο δίκτυο τηλεθέρμανσης.

Μερικά πράγματα είναι σημαντικό να θυμάστε εδώ. Πρώτον, η ενέργεια που χρησιμοποιείται είναι η υπερβολική παραγωγή από ανανεώσιμες πηγές όπως ο άνεμος και η ηλιακή ενέργεια. Αυτό καταργεί κάθε αντικειμενική σύγκριση με άλλα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας για εμπορικούς σκοπούς.

Δεύτερον, το σύστημα χρησιμοποιείται αποκλειστικά για θερμική αποθήκευση και παράδοση – δηλαδή, η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα και αποθηκεύεται στην άμμο. Στη συνέχεια, όταν χρειάζεται, η θερμότητα εξάγεται και διανέμεται σε σπίτια και εργοστάσια όπου χρειάζεται.

Τρίτον, η φυσική άμμος μπορεί να κρατήσει αρκετά εντυπωσιακή ποσότητα ενέργειας. Για παράδειγμα, αυτή η φινλανδική μπαταρία Polar Night χωράει 100 τόνους άμμου στους 600 βαθμούς Κελσίου, για ένα σύνολο 8 MWh αποθηκευμένης ενέργειας με δυναμικότητα θέρμανσης 100 kW. Αυτό κάνει την άμμο ένα τρελά φθηνό μέσο αποθήκευσης ενέργειας χωρίς φανταχτερές τεχνολογίες, εγκαταστάσεις ή επικίνδυνες απαιτήσεις.

Σχετικά με την Εποχιακή Αποθήκευση Θερμικής Ενέργειας

Το Seasonal Thermal Energy Storage ή STES για συντομία, υπάρχει εδώ και πολύ καιρό. Στην απλούστερη μορφή του, θα μπορούσατε να συλλέξετε ζεστό νερό από την οροφή κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού και να το αποθηκεύσετε σε μια υπόγεια δεξαμενή, την οποία μπορείτε στη συνέχεια να χρησιμοποιήσετε για θέρμανση κατά τη διάρκεια του χειμώνα.

Τα περισσότερα συστήματα STES, ωστόσο, αποθηκεύουν θερμότητα σε λιγότερο από 100°C, γεγονός που τα καθιστά εντάξει για τη θέρμανση σπιτιών και γραφείων, αλλά λιγότερο ιδανικά για άλλες βιομηχανικές χρήσεις ή για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Η μέθοδος είναι απλή, εκθέτεις οποιοδήποτε μέσο που μπορεί να παγιδεύσει και να συγκρατήσει τη θερμότητα σε μια πηγή ακτινοβολίας, όπως ο ήλιος, τα βιομηχανικά απόβλητα θερμότητας κ.λπ. Η απόδοση του συστήματος εξαρτάται από τη μέθοδο ανταλλαγής θερμότητας και την απόδοσή της.

Στη συνέχεια, θα πρέπει να αποθηκεύσετε το θερμαινόμενο μέσο σε ένα μονωμένο περίβλημα, έτσι ώστε να ελαχιστοποιήσετε την απώλεια ενέργειας. Ορισμένα περιβλήματα μπορούν να κρατήσουν καλά τη θερμότητα για πολλούς μήνες.

Τέλος, το αποθηκευτικό μέσο αντλείται κατά τη διάρκεια του χειμώνα για να παρέχει θέρμανση σε σπίτια και γραφεία περνώντας το από άλλο εναλλάκτη θερμότητας, όπως θερμάστρα καλοριφέρ. Τα κοινά υλικά που χρησιμοποιούνται ως μέσα αποθήκευσης STES περιλαμβάνουν νερό, λάδι, χώμα, ένυδρα αλάτι και ούτω καθεξής.

Δημοφιλείς χρήσεις της αποθηκευμένης θερμικής ενέργειας

Η αποθηκευμένη θερμική ενέργεια έχει πολλές χρήσεις, ανάλογα με την προβλεπόμενη εφαρμογή. Εδώ είναι τα πιο δημοφιλή:

1. Θέρμανση Κατοικιών & Γραφείων – Το αποθηκευμένο θερμικό μπορεί να παρέχει εύκολα θέρμανση σε χώρους διαβίωσης και εργασίας το χειμώνα.
   
2. Ζεστό νερό – Η θερμότητα μπορεί επίσης να μεταφερθεί για να παρέχει πάντα έτοιμο ζεστό νερό για καθημερινές χρήσεις.
   
3. Βιομηχανικές εφαρμογές – Το ζεστό νερό χρησιμοποιείται για ένα ευρύ φάσμα βιομηχανικών εφαρμογών, από την ανάμειξη μέχρι τον καθαρισμό, την επεξεργασία τροφίμων, την παρασκευή διαλυτών, την αποστείρωση και πολλά άλλα.
   
4. Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας  – Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε την αποθηκευμένη θερμική ενέργεια για να θερμάνετε το νερό σε ατμό και να το βάλετε να κινεί τουρμπίνες, οι οποίες με τη σειρά τους κινούν εναλλάκτες που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.

Τα οικονομικά μιας μπαταρίας άμμου

Το νερό μπορεί να αποθηκεύσει περισσότερη ενέργεια σε σύγκριση με την άμμο, αλλά γίνεται ασταθές από τους 100°C (212°F) και πάνω, ενώ η άμμος μπορεί εύκολα να περιέχει θερμοκρασίες 600°C (1112°F).

Το νερό θα διατηρήσει επίσης τη θερμική του ενέργεια περισσότερο από την άμμο, γεγονός που καθιστά το νερό καλύτερο μέσο για την εποχιακή αποθήκευση ενέργειας. Ωστόσο, εάν σκέφτεστε μια εφαρμογή που καταναλώνει τη θερμότητα μέσα σε λίγες ώρες ή μόλις λίγες ημέρες, τότε η άμμος γίνεται ξανά κορυφαία επιλογή. Είναι ιδανικό για τη συμπλήρωση διακοπτόμενων πηγών ενέργειας όπως η ηλιακή φωτοβολταϊκή και η αιολική.

Πίσω στη φινλανδική μπαταρία άμμου, το δοχείο από χάλυβα ύψους 7 μέτρων είναι σχεδιασμένο για 100 τόνους άμμου, που χωρούν έως και 8 MWh ενέργειας.

Για να το θέσουμε σε μια προοπτική, το μέσο σπίτι των ΗΠΑ χρησιμοποιεί περίπου 10 MWh ενέργειας ετησίως, ενώ ο αριθμός αυτός ποικίλλει στην Ευρώπη από περίπου 2 MWh στη Ρουμανία έως 9 MWh στη Σουηδία. Επιπλέον, το 30-50% της ενέργειας χρησιμοποιείται για θέρμανση κατά τη διάρκεια του χειμώνα.

Αυτό σημαίνει ότι μια δεξαμενή άμμου ύψους 7 μέτρων μπορεί να παράγει αρκετή ενέργεια για να θερμάνει μερικά σπίτια κατά τη διάρκεια του χειμώνα και ανάλογα με την τοποθεσία σας. Αλλά θα ήταν μια μη πρακτική εφαρμογή σε αστικά κέντρα με πυκνό πληθυσμό, δεδομένου του μεγέθους του.

Η μετατροπή της δυναμικότητας θέρμανσης των 100 kW σε ηλεκτρική ενέργεια κατά 30%, από την άλλη πλευρά, μπορεί να παράγει αρκετή ισχύ για περισσότερα από 20 σπίτια κατά τη διάρκεια της ημέρας και πολλά περισσότερα σπίτια τη νύχτα.

Έτσι, σωστά βελτιστοποιημένη, μια μπαταρία άμμου που κοστίζει περίπου 5 $ ανά kWh χωρητικότητα μπορεί να είναι μια εξαιρετική εναλλακτική λύση στο τρέχον κόστος $100+ ανά kWh για συστήματα μπαταριών μολύβδου-οξέος και ιόντων λιθίου. Ναι, μπορεί να είναι πιο ογκώδες, αλλά είναι πολύ φθηνότερο.

Μπαταρίες άμμου για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας

Η αποθήκευση θερμικής ενέργειας για μελλοντική χρήση στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι μια δοκιμασμένη και αξιόπιστη τεχνολογία που έχει εφαρμοστεί Συγκεντρωμένη ηλιακή ενέργεια (CSP) έργα για δεκαετίες.

Η ενέργεια σε ένα σύγχρονο σύστημα CSP παγιδεύεται με τη συγκέντρωση εκατοντάδων ή χιλιάδων κατόπτρων σε έναν μόνο κλίβανο. Στη συνέχεια, αυτοί οι καθρέφτες παρακολουθούν τον ήλιο κατά τη διάρκεια της ημέρας για να εγγυηθούν σταθερή θερμότητα στον κλίβανο μέχρι τους 565°C (1,049°F).

Οι εγκαταστάσεις CSP είναι συχνά πολύ μεγάλες, εκτείνονται σε έκταση εκατομμυρίων τετραγωνικών ποδιών (~1+km2), με τους ηλιακούς δέκτες τους στο κέντρο και τις ηλεκτροπαραγωγικές ικανότητες στην περιοχή των 100+ Megawatt.

Ένα μείγμα τετηγμένου αλατιού με 60% νιτρικό νάτριο και 40% νιτρικό κάλιο χρησιμοποιείται για την αποθήκευση ενέργειας σε συστήματα CSP για παραγωγή τη νύχτα. Σε αντίθεση με την μπαταρία άμμου, ωστόσο, αυτό το μείγμα αλατιού λιώνει σε υψηλές θερμοκρασίες για να ρέει σαν ρευστό.

Τόσο τα συστήματα CSP όσο και τα συστήματα μπαταριών άμμου μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε θερμική ενέργεια με περίπου ίσες αποδόσεις 15-20%. Όμως, ενώ τα συστήματα λιωμένου αλατιού CSP έχουν περίπου 50% απόδοση στη μετατροπή της αποθηκευμένης θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια, η φινλανδική μπαταρία άμμου έχει θεωρητική απόδοση 20-25%.

Τα συστήματα CSP είναι εμπορικά βιώσιμα, επομένως εάν μπορείτε να τροποποιήσετε αυτήν τη φινλανδική μπαταρία για να έχετε απόδοση μετατροπής θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια πάνω από 30%, τότε μπορεί να γίνει μια βιώσιμη τεχνολογία για φθηνή αποθήκευση και παροχή ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας.

Παρόμοιες τεχνολογίες αποθήκευσης

Υπάρχουν πολλές άλλες μορφές αποθήκευσης ενέργειας, η καθεμία με τα υπέρ και τα κατά της. Οι πιο δημοφιλείς τύποι περιλαμβάνουν:

1. Ηλεκτροχημική αποθήκευση ενέργειας – Όπως θα βρείτε στις μπαταρίες, αυτό αξιοποιεί τη διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο στοιχείων για αποθήκευση και απελευθέρωση ενέργειας χρησιμοποιώντας αναστρέψιμες ηλεκτροχημικές αντιδράσεις.
   
2. Μηχανική Αποθήκευση Ενέργειας – Αυτό περιλαμβάνει διάφορες μεθόδους, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης σφονδύλους και ελατηρίων, καθώς και βαρυτικά συστήματα που αποθηκεύουν ενέργεια σε ένα αντικείμενο με το βαρούλκο και την αύξηση του υψόμετρου.
   
3. Αποθήκευση ενέργειας λιωμένου αλατιού (MSES) – Η αποθήκευση εδώ είναι θερμική, όπως με τη χρήση συνδυασμού 60% νιτρικού νατρίου και 40% νιτρικού καλίου.
   
4. Ιαματικό Ζεστό Νερό – Αυτή η μέθοδος μπορεί να αποθηκεύσει έως και 6 kWh ενέργειας σε δεξαμενή ζεστού νερού 50 γαλονιών.
   
5. Αντλούμενο Υδρ – Η φθηνότερη μορφή αποθήκευσης ενέργειας. Το μείζον θέμα του, ωστόσο, είναι οι περιορισμένες τοποθεσίες όπου μπορεί να εφαρμοστεί.
   
6. Πεπιεσμένου αέρα – Παρόμοια με την υδροηλεκτρική, αυτή η μέθοδος απλώς συμπιέζει τον αέρα για να αποθηκεύσει ενέργεια. Στη συνέχεια, όταν χρειάζεστε την ενέργεια, απελευθερώνετε τον πεπιεσμένο αέρα για να τροφοδοτήσει μια τουρμπίνα.
   
7. βολάν – Χρησιμοποιείτε απλώς ενέργεια για να περιστρέψετε έναν καλά ισορροπημένο τροχό, αποθηκεύοντάς τον ως κινητική ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για κίνηση είτε για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
   
8. Μπαταρία ροής – Πρόκειται για ένα ηλεκτροχημικό σύστημα αποθήκευσης όπου οι ηλεκτρολύτες βρίσκονται σε διαφορετικές δεξαμενές και πρέπει να ρέουν από μια πλήρως φορτισμένη δεξαμενή σε μια άδεια δεξαμενή φόρτισης. Στη συνέχεια, για να φορτίσετε τους ηλεκτρολύτες, απλώς αντιστρέφετε τη ροή. Αυτή η μέθοδος μπορεί να παράγει πολύ ισχυρές μπαταρίες καθώς οι δύο ηλεκτρολύτες αλληλεπιδρούν μέσω μιας μεμβράνης που μπορείτε να κλιμακώσετε εκτενώς.
   
9. Υλικά αλλαγής φάσης – Αυτά τα υλικά απορροφούν ενέργεια καθώς λιώνουν και στη συνέχεια τη δίνουν καθώς στερεοποιούνται. Είναι ιδανικά για αποθήκευση θερμικής ενέργειας σε ακριβείς θερμοκρασίες.

Συχνές Ερωτήσεις (FAQs)

Συμπέρασμα

Φτάσαμε στο τέλος αυτής της εξερεύνησης των μπαταριών άμμου και των οικονομικών τους δυνατοτήτων. Και όπως πρέπει να έχετε αντιληφθεί, προσφέρουν πολλές δυνατότητες.

Από την παροχή θερμότητας στις κοινότητες έως την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η φθηνή βρωμιά της πυριτικής άμμου την καθιστά ένα πολλά υποσχόμενο μέσο για μελλοντικά ενεργειακά έργα.