Cosa sono le batterie a sabbia? Tutto quello che devi sapere

Le notizie su una batteria a sabbia dalla Finlandia hanno recentemente fatto notizia, sebbene quel sistema immagazzinasse e rilasciasse solo calore.

L’accumulo di calore termico non è una nuova tecnologia, ma questo progetto pilota progetto evidenzia alcune delle possibilità future delle tecnologie e dei sistemi di energia verde.

Questo post esamina la tecnologia che circonda la sabbia per l'accumulo di energia, nonché tecnologie simili e cosa significano per il mondo.

Energia dalla sabbia?

La sabbia naturale possiede molte qualità che la rendono un mezzo ideale per l'accumulo di energia termica. Puoi riscaldarlo a temperature superiori a 1,000 ° C (1,832 ° F) senza problemi e può trattenere quel calore per giorni, settimane e persino mesi con perdite minime.

Se si considera che una batteria è un mezzo per immagazzinare l'energia prodotta in un determinato momento, quindi potrebbe essere utilizzata in un momento diverso, allora la sabbia riscaldata con energia elettrica per l'accumulo e l'utilizzo successivo è una batteria.

La batteria virale di sabbia dalla Finlandia

Nel distretto finlandese occidentale di Kankaanpää si trova un sistema di accumulo di calore brevettato sviluppato da Notte polare. Utilizza l'energia elettrica in eccesso da fonti rinnovabili per riscaldare la sabbia in un silo di 7 metri di altezza e 4 metri di larghezza fino a 600°C (1,112°F) per l'accumulo e il successivo utilizzo nella rete di teleriscaldamento.

Alcune cose sono importanti da tenere a mente qui. In primo luogo, l'energia utilizzata è la produzione in eccesso da fonti rinnovabili come l'eolico e il solare. Ciò elimina qualsiasi confronto oggettivo con altri sistemi di accumulo di energia per scopi commerciali.

In secondo luogo, il sistema viene utilizzato esclusivamente per l'accumulo e la consegna termica, ovvero l'energia elettrica viene convertita in calore e immagazzinata nella sabbia. Poi, quando serve, il calore viene estratto e distribuito alle case e alle fabbriche dove serve.

In terzo luogo, la sabbia naturale può contenere una quantità impressionante di energia. Ad esempio, questa batteria finlandese Polar Night contiene 100 tonnellate di sabbia a circa 600 gradi Celsius, per un totale di 8 MWh di energia immagazzinata con una capacità di riscaldamento di 100 kW. Questo rende la sabbia un mezzo di accumulo di energia follemente economico senza tecnologie fantasiose, installazioni o requisiti pericolosi.

Informazioni sull'accumulo stagionale di energia termica

L'accumulo stagionale di energia termica o STES in breve, esiste da molto tempo. Nella sua forma più semplice, puoi raccogliere l'acqua calda dal tetto durante l'estate e conservarla in un serbatoio interrato, che puoi poi utilizzare per il riscaldamento durante l'inverno.

La maggior parte dei sistemi STES, tuttavia, immagazzina calore a meno di 100°C, il che li rende adatti per il riscaldamento di case e uffici, ma meno ideali per altri usi industriali o per la produzione di energia.

Il metodo è semplice, esponi qualsiasi mezzo in grado di intrappolare e trattenere il calore a una fonte di radiazione, come il sole, lo spreco di calore industriale e così via. L'efficienza del sistema dipende dal metodo di scambio termico e dalla sua efficienza.

Successivamente, dovrai conservare il mezzo riscaldato in un involucro isolato, in modo da ridurre al minimo la perdita di energia. Alcuni involucri possono trattenere bene il calore per molti mesi.

Infine, il mezzo di accumulo viene pompato fuori durante l'inverno per fornire riscaldamento alle case e agli uffici facendolo passare attraverso un altro scambiatore di calore come un termosifone. I materiali comuni utilizzati come supporti di conservazione STES includono acqua, olio, terreno, idrati di sale e così via.

Usi popolari dell'energia termica immagazzinata

L'energia termica immagazzinata ha molti usi, a seconda dell'applicazione prevista. Ecco i più popolari:

1. Riscaldamento di case e uffici – Il calore accumulato può facilmente fornire riscaldamento per gli spazi abitativi e di lavoro in inverno.
   
2. Acqua calda – Il calore può anche essere trasferito per fornire acqua calda sempre pronta per gli usi quotidiani.
   
3. Applicazioni Industriali – L'acqua calda viene utilizzata per un'ampia gamma di applicazioni industriali, dalla miscelazione alla pulizia, dalla lavorazione degli alimenti, alla produzione di solventi, alla sterilizzazione e molto altro.
   
4. Produzione di elettricità  – È inoltre possibile utilizzare l'energia termica immagazzinata per riscaldare l'acqua e trasformarla in vapore e far sì che aziona le turbine, che a loro volta azionano gli alternatori che producono energia elettrica.

L'economia di una batteria di sabbia

L'acqua può immagazzinare più energia rispetto alla sabbia, ma diventa instabile da 100°C (212°F) in su, mentre la sabbia può facilmente contenere temperature di 600°C (1112°F).

L'acqua manterrà anche la sua energia termica più a lungo della sabbia, il che rende l'acqua un mezzo migliore per l'accumulo di energia stagionale. Tuttavia, se stai considerando un'applicazione che consuma il calore in poche ore o solo pochi giorni, la sabbia diventa di nuovo un'opzione top. È perfetto per integrare fonti di energia intermittenti come il solare fotovoltaico e l'eolico.

Tornando alla batteria di sabbia finlandese, il container in acciaio alto 7 metri è progettato per 100 tonnellate di sabbia, che contengono fino a 8 MWh di energia.

Per dirla in prospettiva, la casa media degli Stati Uniti utilizza circa 10 MWh di energia all'anno, mentre quel numero varia in Europa da circa 2 MWh in Romania a 9 MWh in Svezia. Inoltre, il 30-50% dell'energia viene utilizzata per il riscaldamento durante l'inverno.

Ciò significa che un serbatoio di sabbia alto 7 metri può produrre energia sufficiente per riscaldare alcune case durante l'inverno e a seconda della posizione. Ma sarebbe un'applicazione poco pratica nei centri urbani ad alta densità di popolazione, date le sue dimensioni.

Convertire la sua capacità di riscaldamento di 100 kW in elettricità al 30%, d'altra parte, può produrre energia sufficiente per oltre 20 case durante il giorno e molte altre case di notte.

Quindi, opportunamente ottimizzata, una batteria a sabbia che costa circa $ 5 per kWh di capacità può essere un'ottima alternativa all'attuale costo di $ 100 e oltre per kWh per i sistemi di batterie al piombo e agli ioni di litio. Sì, potrebbe essere più ingombrante, ma è molto più economico.

Batterie a sabbia per la generazione di elettricità

L'accumulo di energia termica per un uso successivo nella generazione di elettricità è una tecnologia collaudata e affidabile che è stata implementata Energia solare concentrata (CSP) progetti da decenni.

L'energia in un moderno sistema CSP viene intrappolata concentrando centinaia o migliaia di specchi in un unico forno. Questi specchi seguono quindi il sole durante il giorno per garantire un calore costante al forno fino a 565°C (1,049°F).

Le installazioni CSP sono spesso molto grandi, con un'area di milioni di piedi quadrati (~1+km2), con i loro ricevitori solari al centro e capacità di generazione elettrica nella gamma di oltre 100 Megawatt.

Una miscela di sale fuso con il 60% di nitrato di sodio e il 40% di nitrato di potassio viene utilizzata per immagazzinare energia nei sistemi CSP per la generazione notturna. A differenza della batteria a sabbia, tuttavia, questa miscela di sale si scioglie ad alte temperature per farla scorrere come un fluido.

Entrambi i sistemi CSP e batterie a sabbia convertono l'energia solare in energia termica con efficienze approssimativamente uguali del 15-20%. Ma mentre i sistemi a sale fuso CSP hanno un'efficienza di circa il 50% nel convertire il calore immagazzinato in elettricità, la batteria finlandese a sabbia ha un'efficienza teorica del 20-25%.

I sistemi CSP sono commercialmente validi, quindi se puoi modificare questa batteria finlandese per ottenere un'efficienza di conversione da calore a elettricità superiore al 30%, allora può diventare una tecnologia praticabile per immagazzinare e fornire a buon mercato elettricità rinnovabile.

Tecnologie di archiviazione simili

Esistono molte altre forme di accumulo di energia, ognuna con i suoi pro e contro. I tipi più popolari includono:

1. Accumulo di energia elettrochimica – Come si trova nelle batterie, questo sfrutta la differenza di potenziale tra due elementi per immagazzinare e rilasciare energia utilizzando reazioni elettrochimiche reversibili.
   
2. Accumulo di energia meccanica – Ciò comporta diversi metodi tra cui l'uso di volani e molle, nonché sistemi gravitazionali che immagazzinano energia in un oggetto sollevandolo con un verricello e aumentandone l'altitudine.
   
3. Accumulo di energia a sale fuso (MSES) – L'accumulo qui è termico, ad esempio utilizzando una combinazione del 60% di nitrato di sodio e del 40% di nitrato di potassio.
   
4. Acqua calda termale – Questo metodo può memorizzare fino a 6kWh di energia in un serbatoio dell'acqua calda da 50 galloni.
   
5. Idro pompato – La forma più economica di accumulo di energia. Il suo problema principale, tuttavia, sono le posizioni limitate in cui può essere implementato.
   
6. Aria compressa – Simile all'idro, questo metodo comprime semplicemente l'aria per immagazzinare energia. Quindi, quando hai bisogno di energia, rilasci l'aria compressa per alimentare una turbina.
   
7. Volano – Utilizzi semplicemente l'energia per ruotare una ruota ben bilanciata, immagazzinandola in tal modo come energia cinetica che può essere utilizzata per la locomozione o per la generazione di energia elettrica.
   
8. Batteria a flusso – Questo è un sistema di stoccaggio elettrochimico in cui gli elettroliti si trovano in serbatoi diversi e devono fluire da un serbatoio completamente carico a un serbatoio di carica vuoto. Quindi, per caricare gli elettroliti, devi semplicemente invertire il flusso. Questo metodo può produrre batterie molto potenti poiché i due elettroliti interagiscono attraverso una membrana che è possibile ridimensionare ampiamente.
   
9. Materiali a cambiamento di fase – Questi materiali assorbono energia mentre si sciolgono, quindi la danno via mentre si solidificano. Sono ideali per immagazzinare energia termica a temperature precise.

Domande frequenti (FAQ)

Conclusione

Siamo giunti alla fine di questa esplorazione delle batterie a sabbia e del loro potenziale economico. E come avrai capito, offrono molte possibilità.

Dalla fornitura di calore alle comunità alla generazione di energia elettrica, l'economicità della sabbia silicea la rende un mezzo promettente per futuri progetti energetici.