Qu'est-ce qu'une batterie de sable ? Tout ce que tu as besoin de savoir

La nouvelle d'une batterie de sable en provenance de Finlande a récemment fait la une des journaux, bien que ce système ne stocke et ne libère que de la chaleur.

Le stockage de chaleur thermique n'est pas une nouvelle technologie, mais ce projet pilote Projet met en évidence certaines des possibilités futures des technologies et des systèmes d’énergie verte.

Cet article examine la technologie entourant le sable pour le stockage de l'énergie, ainsi que des technologies similaires, et ce qu'elles signifient pour le monde.

L'énergie du sable ?

Le sable naturel possède de nombreuses qualités qui en font un support idéal pour le stockage de l'énergie thermique. Vous pouvez le chauffer à des températures supérieures à 1,000 1,832 °C (XNUMX XNUMX °F) sans problème et il peut conserver cette chaleur pendant des jours, des semaines et même des mois avec une perte minimale.

Si vous considérez qu'une batterie est un moyen de stocker de l'énergie qui a été produite à un moment donné, afin qu'elle puisse être utilisée à un moment différent, alors le sable qui est chauffé avec de l'énergie électrique pour le stockage et l'utilisation ultérieure est une batterie.

La batterie de sable virale de Finlande

Dans le district de Kankaanpää, dans l'ouest de la Finlande, se trouve un système breveté de stockage d'énergie thermique développé par Nuit polaire. Il utilise l'énergie électrique excédentaire provenant de sources renouvelables pour chauffer le sable dans un silo de 7 mètres de haut et 4 mètres de large jusqu'à 600 ° C (1,112 XNUMX ° F) pour le stockage et l'utilisation ultérieure dans le réseau de chauffage urbain.

Quelques éléments sont importants à garder à l'esprit ici. Premièrement, l'énergie utilisée est une production excédentaire à partir de sources renouvelables telles que l'éolien et le solaire. Cela supprime toute comparaison objective avec d'autres systèmes de stockage d'énergie à des fins commerciales.

Deuxièmement, le système est utilisé uniquement pour le stockage et la distribution de chaleur, c'est-à-dire que l'énergie électrique est convertie en chaleur et stockée dans le sable. Ensuite, en cas de besoin, la chaleur est extraite et distribuée aux maisons et aux usines où elle est nécessaire.

Troisièmement, le sable naturel peut contenir une quantité d'énergie assez impressionnante. Par exemple, cette batterie finlandaise Polar Night contient 100 tonnes de sable à environ 600 degrés Celsius, pour un total de 8 MWh d'énergie stockée à une capacité de chauffage de 100 kW. Cela fait du sable un moyen de stockage d'énergie incroyablement bon marché, sans technologies, installations ou exigences dangereuses.

À propos du stockage saisonnier de l'énergie thermique

Le Stockage d'Energie Thermique Saisonnier ou STES en abrégé, existe depuis très longtemps. Dans sa forme la plus simple, vous pouvez collecter l'eau chaude du toit pendant l'été et la stocker dans un réservoir souterrain, que vous pouvez ensuite utiliser pour le chauffage pendant l'hiver.

Cependant, la plupart des systèmes STES stockent la chaleur à moins de 100°C, ce qui les rend acceptables pour le chauffage des maisons et des bureaux, mais moins idéaux pour d'autres utilisations industrielles ou la production d'électricité.

La méthode est simple, vous exposez tout milieu capable de piéger et de retenir la chaleur à une source de rayonnement, telle que le soleil, les déchets de chaleur industriels, etc. L'efficacité du système dépend de la méthode d'échange de chaleur et de son efficacité.

Ensuite, vous devrez stocker le milieu chauffé dans une enceinte isolée, afin de minimiser les pertes d'énergie. Certaines enceintes peuvent bien retenir la chaleur pendant plusieurs mois.

Enfin, le support de stockage est pompé pendant l'hiver pour chauffer les maisons et les bureaux en le faisant passer par un autre échangeur de chaleur tel qu'un radiateur de chauffage. Les matériaux couramment utilisés comme supports de stockage STES comprennent l'eau, l'huile, le sol, les hydrates de sel, etc.

Utilisations courantes de l'énergie thermique stockée

L'énergie thermique stockée a de nombreuses utilisations, selon l'application envisagée. Voici les plus populaires :

1. Chauffage Maisons & Bureaux – Le stockage thermique peut facilement fournir du chauffage pour les espaces de vie et de travail en hiver.
   
2. L'eau chaude – La chaleur peut également être transférée pour fournir de l'eau chaude toujours prête pour les usages quotidiens.
   
3. Applications industrielles – L'eau chaude est utilisée pour une large gamme d'applications industrielles, du mélange au nettoyage, en passant par la transformation des aliments, la fabrication de solvants, la stérilisation et bien plus encore.
   
4. Production d'électricité  – Vous pouvez également utiliser l'énergie thermique stockée pour chauffer l'eau en vapeur et la faire entraîner par des turbines qui, à leur tour, entraînent des alternateurs qui produisent de l'électricité.

L'économie d'une batterie de sable

L'eau peut stocker plus d'énergie que le sable, mais elle devient instable à partir de 100°C (212°F) et plus, tandis que le sable peut facilement contenir des températures de 600°C (1112°F).

L'eau conservera également son énergie thermique plus longtemps que le sable, ce qui fait de l'eau un meilleur moyen de stockage saisonnier de l'énergie. Cependant, si vous envisagez une application qui utilise la chaleur en quelques heures ou quelques jours seulement, le sable redevient une option de choix. Il est parfait pour compléter les sources d'énergie intermittentes telles que le solaire photovoltaïque et l'éolien.

Pour en revenir à la batterie de sable finlandaise, le conteneur en acier de 7 mètres de haut est conçu pour 100 tonnes de sable, qui contiennent jusqu'à 8 MWh d'énergie.

Pour mettre les choses en perspective, un foyer américain moyen utilise environ 10 MWh d'énergie par an, alors que ce nombre varie en Europe d'environ 2 MWh en Roumanie à 9 MWh en Suède. De plus, 30 à 50 % de l'énergie est utilisée pour le chauffage pendant l'hiver.

Cela signifie qu'un réservoir de sable de 7 mètres de haut peut produire suffisamment d'énergie pour chauffer quelques maisons pendant l'hiver, et selon votre emplacement. Mais ce serait une application peu pratique dans les centres urbains à forte densité de population, compte tenu de sa taille.

En revanche, la conversion de sa capacité de chauffage de 100 kW en électricité à 30 % peut produire suffisamment d'électricité pour plus de 20 foyers pendant la journée et bien plus encore la nuit.

Ainsi, correctement optimisée, une batterie au sable qui coûte environ 5 $ par kWh de capacité peut être une excellente alternative au coût actuel de 100 $ et plus par kWh pour les systèmes de batteries plomb-acide et lithium-ion. Oui, c'est peut-être plus volumineux, mais c'est beaucoup moins cher.

Batteries de sable pour la production d'électricité

Le stockage de l'énergie thermique pour une utilisation ultérieure dans la production d'électricité est une technologie éprouvée et fiable qui a été mise en œuvre dans Énergie solaire concentrée (CSP) projets depuis des décennies.

L'énergie dans un système CSP moderne est piégée en concentrant des centaines ou des milliers de miroirs dans un seul four. Ces miroirs suivent ensuite le soleil tout au long de la journée pour garantir une chaleur constante au four jusqu'à 565°C (1,049 XNUMX°F).

Les installations CSP sont souvent très grandes, s'étendant sur des millions de pieds carrés (~ 1 + km2) de superficie, avec leurs récepteurs solaires au centre et des capacités de production d'électricité dans la gamme de plus de 100 mégawatts.

Un mélange de sel fondu avec 60 % de nitrate de sodium et 40 % de nitrate de potassium est utilisé pour stocker l'énergie dans les systèmes CSP pour la production nocturne. Contrairement à la batterie de sable, cependant, ce mélange de sel fond à des températures élevées pour le faire couler comme un fluide.

Les systèmes de batterie CSP et de sable convertissent l'énergie solaire en énergie thermique à des rendements à peu près égaux de 15 à 20 %. Mais alors que les systèmes à sels fondus CSP ont une efficacité d'environ 50 % pour convertir la chaleur stockée en électricité, la batterie à sable finlandaise a une efficacité théorique de 20 à 25 %.

Les systèmes CSP sont commercialement viables, donc si vous pouvez modifier cette batterie finlandaise pour obtenir une efficacité de conversion de chaleur en électricité supérieure à 30 %, elle peut devenir une technologie viable pour stocker et fournir de l'électricité renouvelable à moindre coût.

Technologies de stockage similaires

Il existe de nombreuses autres formes de stockage d'énergie, chacune avec ses avantages et ses inconvénients. Les types les plus populaires incluent :

1. Stockage électrochimique d'énergie – Comme vous le trouverez dans les batteries, cela exploite la différence de potentiel entre deux éléments pour stocker et libérer de l'énergie à l'aide de réactions électrochimiques réversibles.
   
2. Stockage d'énergie mécanique – Cela implique différentes méthodes, notamment l'utilisation de volants d'inertie et de ressorts, ainsi que des systèmes gravitationnels qui stockent de l'énergie dans un objet en le treuillant et en augmentant son altitude.
   
3. Stockage d'énergie au sel fondu (MSES) – Le stockage est ici thermique, par exemple en utilisant une combinaison de 60 % de nitrate de sodium et de 40 % de nitrate de potassium.
   
4. Eau Chaude Thermale – Cette méthode peut stocker jusqu'à 6kWh d'énergie dans un réservoir d'eau chaude de 50 gallons.
   
5. Hydraulique pompée – La forme de stockage d'énergie la moins chère. Son problème majeur, cependant, est le nombre limité d'endroits où il peut être mis en œuvre.
   
6. Air comprimé – Semblable à l'hydroélectricité, cette méthode comprime simplement l'air pour stocker de l'énergie. Ensuite, lorsque vous avez besoin d'énergie, vous libérez de l'air comprimé pour alimenter une turbine.
   
7. Flywheel - Vous utilisez simplement de l'énergie pour faire tourner une roue bien équilibrée, la stockant ainsi sous forme d'énergie cinétique qui peut être utilisée pour la locomotion ou la production d'énergie électrique.
   
8. Batterie de débit – Il s'agit d'un système de stockage électrochimique dans lequel les électrolytes se trouvent dans des réservoirs différents et doivent s'écouler d'un réservoir entièrement chargé vers un réservoir de charge vide. Ensuite, pour charger les électrolytes, il vous suffit d'inverser le flux. Cette méthode peut produire des batteries très puissantes car les deux électrolytes interagissent à travers une membrane que vous pouvez mettre à l'échelle de manière extensive.
   
9. Matériaux à changement de phase – Ces matériaux absorbent de l'énergie en fondant, puis la restituent en se solidifiant. Ils sont idéaux pour stocker l'énergie thermique à des températures précises.

Foire aux questions (FAQ)

Conclusion

Nous sommes arrivés au terme de cette exploration des batteries de sable et de leur potentiel économique. Et comme vous avez dû vous en rendre compte, ils offrent de nombreuses possibilités.

De la fourniture de chaleur aux communautés à la production d'électricité, le faible coût du sable de silice en fait un support prometteur pour les futurs projets énergétiques.