Što su pješčane baterije? Sve što trebate znati

Vijest o pješčanoj bateriji iz Finske nedavno je postala glavna vijest, iako je taj sustav samo pohranjivao i otpuštao toplinu.

Toplinsko skladištenje topline nije nova tehnologija, ali ovaj pilot projekt naglašava neke od budućih mogućnosti tehnologija i sustava zelene energije.

Ovaj post razmatra tehnologiju koja okružuje pijesak za skladištenje energije, kao i slične tehnologije, te što one znače za svijet.

Energija iz pijeska?

Prirodni pijesak ima mnoge kvalitete koje ga čine idealnim medijem za skladištenje toplinske energije. Možete ga zagrijati na temperature iznad 1,000°C (1,832°F) bez problema i tu toplinu može držati danima, tjednima, pa čak i mjesecima uz minimalne gubitke.

Ako uzmete u obzir da je baterija sredstvo za pohranu energije koja je proizvedena u određeno vrijeme, kako bi se mogla koristiti u drugo vrijeme, onda je pijesak koji se zagrijava električnom energijom za pohranu i kasniju upotrebu, baterija.

Virusna pješčana baterija iz Finske

U zapadnom finskom okrugu Kankaanpää nalazi se patentirani sustav za pohranu topline koji su razvili Polarna noć. Koristi višak električne energije iz obnovljivih izvora za zagrijavanje pijeska u 7 metara visokom i 4 metra širokom silosu do 600°C (1,112°F) za skladištenje i kasnije korištenje u mreži daljinskog grijanja.

Ovdje je važno imati na umu nekoliko stvari. Prvo, energija koja se koristi je višak energije iz obnovljivih izvora kao što su vjetar i sunce. Ovo uklanja sve objektivne usporedbe s drugim sustavima za pohranu energije u komercijalne svrhe.

Drugo, sustav se koristi isključivo za toplinsko skladištenje i isporuku – to jest, električna energija se pretvara u toplinu i pohranjuje u pijesku. Zatim, kada je potrebno, toplina se izdvaja i distribuira u domove i tvornice gdje je potrebna.

Treće, prirodni pijesak može zadržati prilično impresivnu količinu energije. Na primjer, ova finska baterija Polar Night drži 100 tona pijeska na oko 600 Celzija, za ukupno 8 MWh pohranjene energije pri kapacitetu grijanja od 100 kW. To pijesak čini nevjerojatno jeftinim medijem za skladištenje energije bez otmjenih tehnologija, instalacija ili opasnih zahtjeva.

O sezonskom skladištenju toplinske energije

Sezonsko skladištenje toplinske energije ili skraćeno STES, postoji već jako dugo. U najjednostavnijem obliku, možete skupljati toplu vodu s krova tijekom ljeta i spremati je u podzemni spremnik, koji zatim možete koristiti za grijanje tijekom zime.

Međutim, većina STES sustava skladišti toplinu na nižoj od 100°C, što ih čini dobrima za grijanje domova i ureda, ali su manje idealni za druge industrijske namjene ili proizvodnju električne energije.

Metoda je jednostavna, izlažete bilo koji medij koji može uhvatiti i zadržati toplinu izvoru zračenja, kao što je sunce, industrijski otpad topline i tako dalje. Učinkovitost sustava ovisi o načinu izmjene topline i njegovoj učinkovitosti.

Zatim ćete morati pohraniti zagrijani medij u izolirano kućište kako biste smanjili gubitak energije. Neka kućišta mogu dobro držati toplinu više mjeseci.

Konačno, medij za pohranjivanje se ispumpava tijekom zime kako bi se osiguralo grijanje domova i ureda prolaskom kroz drugu izmjenu topline kao što je radijatorsko grijanje. Uobičajeni materijali koji se koriste kao STES mediji za pohranu uključuju vodu, ulje, tlo, hidrate soli i tako dalje.

Popularne upotrebe pohranjene toplinske energije

Pohranjena toplinska energija ima mnogo namjena, ovisno o namjeravanoj primjeni. Evo najpopularnijih:

1. Grijanje domova i ureda – Pohranjena toplina može lako osigurati grijanje stambenih i radnih prostora zimi.
   
2. Topla voda – Toplina se također može prenijeti kako bi se osigurala uvijek spremna topla voda za svakodnevnu upotrebu.
   
3. Industrijske primjene – Topla voda koristi se za širok raspon industrijskih primjena, od miješanja do čišćenja, obrade hrane, izrade otapala, sterilizacije i još mnogo toga.
   
4. Proizvodnja električne energije  – Također možete koristiti pohranjenu toplinsku energiju za zagrijavanje vode u paru i da ona pokreće turbine, koje zauzvrat pokreću alternatore koji proizvode električnu energiju.

Ekonomika pješčane baterije

Voda može pohraniti više energije u usporedbi s pijeskom, ali postaje nestabilna od 100°C (212°F) naviše, dok pijesak može lako zadržati temperaturu od 600°C (1112°F).

Voda će također zadržati toplinsku energiju duže od pijeska, što vodu čini boljim medijem za sezonsko skladištenje energije. Međutim, ako razmišljate o primjeni koja troši toplinu u roku od nekoliko sati ili samo nekoliko dana, pijesak ponovno postaje najbolja opcija. Savršen je za nadopunu povremenih izvora energije kao što su PV solarna energija i vjetar.

Vratimo se na finsku pješčanu bateriju, čelični spremnik visok 7 metara dizajniran je za 100 tona pijeska, koji sadrži do 8 MWh energije.

U perspektivi, prosječni dom u SAD-u koristi oko 10 MWh energije godišnje, dok taj broj varira u Europi od oko 2 MWh u Rumunjskoj do 9 MWh u Švedskoj. Osim toga, 30-50% energije koristi se za grijanje tijekom zime.

To znači da spremnik pijeska visok 7 metara može proizvesti dovoljno energije za grijanje nekoliko domova tijekom zime, ovisno o vašoj lokaciji. Ali to bi bila nepraktična primjena u urbanim središtima s gustom naseljenošću, s obzirom na njegovu veličinu.

S druge strane, pretvaranje njegovog kapaciteta grijanja od 100 kW u električnu energiju od 30% može proizvesti dovoljno energije za više od 20 domova tijekom dana, i mnogo više domova noću.

Dakle, pravilno optimizirana, pješčana baterija koja košta oko 5 USD po kWh kapaciteta može biti izvrsna alternativa trenutnoj cijeni od 100 USD+ po kWh za sustave olovnih i litij-ionskih baterija. Da, možda je glomazniji, ali je mnogo jeftiniji.

Pješčane baterije za proizvodnju električne energije

Pohranjivanje toplinske energije za kasniju upotrebu u proizvodnji električne energije provjerena je i pouzdana tehnologija koja je implementirana u Koncentrirana solarna energija (CSP) projekte desetljećima.

Energija u modernom CSP sustavu zarobljena je koncentriranjem stotina ili tisuća zrcala u jednoj peći. Ta zrcala zatim prate sunce tijekom dana kako bi se zajamčila konstantna toplina u peći do 565°C (1,049°F).

CSP instalacije su često vrlo velike, obuhvaćaju milijune četvornih stopa (~1+km2) površine, sa svojim solarnim prijamnicima u središtu i kapacitetima za proizvodnju električne energije u rasponu od 100+ megavata.

Mješavina rastaljene soli sa 60% natrijevog nitrata i 40% kalijevog nitrata koristi se za skladištenje energije u CSP sustavima za noćnu proizvodnju. Međutim, za razliku od pješčane baterije, ova se mješavina soli topi na visokim temperaturama te teče poput tekućine.

I CSP i sustavi s pješčanim baterijama pretvaraju solarnu energiju u toplinsku uz približno jednaku učinkovitost od 15-20%. Ali dok CSP sustavi s rastopljenom soli imaju oko 50% učinkovitosti u pretvaranju pohranjene topline u električnu energiju, finska pješčana baterija ima teoretsku učinkovitost od 20-25%.

CSP sustavi su komercijalno održivi, ​​pa ako možete podesiti ovu finsku bateriju da postigne učinkovitost pretvorbe topline u električnu energiju iznad 30%, onda to može postati održiva tehnologija za jeftino skladištenje i opskrbu obnovljivom električnom energijom.

Slične tehnologije pohrane

Postoje mnogi drugi oblici skladištenja energije, svaki sa svojim prednostima i manama. Najpopularnije vrste uključuju:

1. Skladištenje elektrokemijske energije – Kao što biste vidjeli u baterijama, ovo iskorištava razliku potencijala između dva elementa za pohranu i oslobađanje energije pomoću reverzibilnih elektrokemijskih reakcija.
   
2. Mehanička pohrana energije – To uključuje različite metode uključujući korištenje zamašnjaka i opruga, kao i gravitacijskih sustava koji pohranjuju energiju u objektu tako što ga podižu vitlom i povećavaju njegovu visinu.
   
3. Skladištenje energije rastaljene soli (MSES) – Ovdje je skladište toplinsko, primjerice kombinacijom 60% natrijevog nitrata i 40% kalijevog nitrata.
   
4. Termalna topla voda – Ova metoda može pohraniti do 6kWh energije u spremniku tople vode od 50 galona.
   
5. Pumpana hidroelektrana – Najjeftiniji oblik skladištenja energije. Njegov glavni problem su, međutim, ograničena mjesta na kojima se može implementirati.
   
6. Potisnut zrak – Slično hidroelektrani, ova metoda jednostavno komprimira zrak za pohranu energije. Onda kada trebate energiju, ispuštate komprimirani zrak za pokretanje turbine.
   
7. zamašnjak – Vi jednostavno koristite energiju za okretanje dobro uravnoteženog kotača, pohranjujući je pritom kao kinetičku energiju koja se može koristiti ili za kretanje ili proizvodnju električne energije.
   
8. Protočna baterija – Ovo je elektrokemijski sustav za pohranu u kojem se elektroliti nalaze u različitim spremnicima i moraju teći iz potpuno napunjenog spremnika u prazan spremnik za punjenje. Zatim da biste napunili elektrolite, jednostavno obrnete tok. Ovom se metodom mogu proizvesti vrlo snažne baterije jer dva elektrolita međusobno djeluju kroz membranu koju možete opsežno skalirati.
   
9. Materijali za faznu promjenu – Ovi materijali apsorbiraju energiju dok se tope, a zatim je odaju dok se skrućuju. Idealni su za pohranjivanje toplinske energije na točno određenim temperaturama.

Često postavljana pitanja (FAQ)

Zaključak

Došli smo do kraja ovog istraživanja pješčanih baterija i njihovog ekonomskog potencijala. I kao što ste sigurno shvatili, oni nude mnogo mogućnosti.

Od opskrbe zajednicama toplinom do proizvodnje električne energije, jeftinost kremenog pijeska čini ga obećavajućim medijem za buduće energetske projekte.