砂電池とは？知っておくべきことすべて

フィンランド西部のカンカーンパー地区には、ポーラーナイト社が開発した特許取得済みの蓄熱エネルギーシステムが設置されている。このシステムは、再生可能エネルギー源からの余剰電力を利用して、高さ7メートル、幅4メートルのサイロ内の砂を最高600℃（1,112°F）まで加熱し、蓄熱して地域暖房ネットワークで利用する。

ここで留意すべき重要な点がいくつかあります。まず、使用されるエネルギーは、風力や太陽光などの再生可能エネルギー源からの余剰発電です。これにより、商用目的の他のエネルギー貯蔵システムとの客観的な比較が削除されます。

第二に、このシステムは熱の貯蔵と供給のみに使用されます。つまり、電気エネルギーが熱に変換され、砂に貯蔵されます。その後、必要に応じて、熱が抽出され、必要な家庭や工場に分配されます。

第三に、天然の砂はかなりの量のエネルギーを保持できます。たとえば、このフィンランドのポーラーナイトバッテリーは、摂氏約 100 度で 600 トンの砂を保持し、8 kW の暖房能力で合計 100MWh のエネルギーを蓄えます。これにより、砂は、高度な技術、設備、または危険な要件を必要としない、非常に安価なエネルギー貯蔵媒体になります。

季節蓄熱について

Seasonal Thermal Energy Storage (略して STES) は、非常に長い間使用されてきました。最も単純な形では、夏に屋根から熱湯を集めて地下タンクに貯め、冬に暖房に使用することができます。

ただし、ほとんどの STES システムは 100°C 未満で熱を蓄えるため、家庭やオフィスの暖房には問題ありませんが、他の産業用途や発電にはあまり適していません。

方法は簡単です。熱を閉じ込めて保持できる媒体を、太陽や産業廃熱などの放射源にさらします。システムの効率は、熱交換方法とその効率に依存します。

次に、エネルギー損失を最小限に抑えるために、加熱された媒体を断熱エンクロージャーに保管する必要があります。一部のエンクロージャーは、何ヶ月も熱を保持できます。

最後に、蓄熱媒体は冬の間ポンプで排出され、ラジエーターヒーターなどの別の熱交換器を通過することによって家庭やオフィスに暖房を提供します。 STES ストレージ媒体として使用される一般的な材料には、水、油、土壌、塩水和物などがあります。

蓄熱エネルギーの一般的な用途

蓄えられた熱エネルギーには、用途に応じて多くの用途があります。最も人気のあるものは次のとおりです。

住宅およびオフィスの暖房 – 蓄熱により、冬の生活空間と作業空間を簡単に暖房できます。
お湯 – 熱も伝達され、毎日の使用にいつでもすぐに使えるお湯を提供できます。
産業用アプリケーション – 熱水は、混合から洗浄、食品加工、溶剤の製造、殺菌など、幅広い産業用途に使用されています。
電力生産 – 蓄えられた熱エネルギーを使用して水を加熱して蒸気を発生させ、タービンを駆動させて、発電するオルタネーターを駆動することもできます。

砂電池の経済性

水は砂よりも多くのエネルギーを蓄えることができますが、100°C (212°F) 以上で不安定になりますが、砂は 600°C (1112°F) の温度を簡単に含むことができます。

また、水は砂よりも熱エネルギーを長く保持するため、水は季節的なエネルギー貯蔵に適した媒体になります。ただし、数時間またはわずか数日で熱を使い切るアプリケーションを検討している場合は、砂が再び最優先のオプションになります. PV 太陽光や風力などの断続的なエネルギー源を補完するのに最適です。

フィンランドの砂のバッテリーに話を戻すと、高さ 7 メートルのスチール製コンテナは、最大 100MWh のエネルギーを保持する 8 トンの砂用に設計されています。

概観すると、平均的な米国の家庭は年間約 10MWh のエネルギーを使用しますが、その数値はヨーロッパではルーマニアの約 2MWh からスウェーデンの 9MWh までさまざまです。また、冬の間はエネルギーの 30 ～ 50% が暖房に使用されます。

これは、7 メートルの高さの砂の貯水池が、場所によっては、冬の間、いくつかの家を暖房するのに十分な電力を生成できることを意味します。しかし、その規模を考えると、人口が密集している都市中心部では実用的ではありません。

一方、100kW の暖房能力を 30% で電気に変換すると、日中は 20 世帯以上、夜間はさらに多くの世帯に十分な電力を供給することができます。

したがって、適切に最適化された場合、5 kWh 容量あたり約 100 ドルのサンドバッテリは、現在の XNUMX kWh あたり XNUMX ドル以上の鉛酸およびリチウムイオンバッテリシステムの優れた代替品となる可能性があります。はい、それはよりかさばるかもしれませんが、はるかに安いです。

発電用砂電池

熱エネルギーを蓄えて後で発電に利用する技術は、集光型太陽熱発電（CSP）プロジェクトにおいて数十年にわたり導入されてきた、実績のある信頼性の高い技術である。

最新の CSP システムのエネルギーは、565 つの炉に数百または数千のミラーを集中させることによって閉じ込められます。これらのミラーは 1,049 日を通して太陽を追跡し、最高 XNUMX°C (XNUMX°F) までの炉で一定の熱を保証します。

CSP の設置は、多くの場合、面積が数百万平方フィート (~1+km2) に及ぶ非常に大規模なものであり、中央にソーラーレシーバーがあり、発電容量は 100 メガワット以上です。

60% の硝酸ナトリウムと 40% の硝酸カリウムを含む溶融塩混合物は、夜間発電用の CSP システムにエネルギーを貯蔵するために使用されます。ただし、砂電池とは異なり、この塩の混合物は高温で溶けて流体のように流れます。

CSP と砂電池システムはどちらも、太陽エネルギーを 15 ～ 20% というほぼ同じ効率で熱エネルギーに変換します。しかし、CSP 溶融塩システムは、蓄えられた熱を電気に変換する効率が約 50% であるのに対し、フィンランドの砂電池の効率は理論上 20 ～ 25% です。

CSP システムは商業的に実行可能であるため、このフィンランドのバッテリーを微調整して熱から電気への変換効率を 30% 以上にすることができれば、再生可能電力を安価に貯蔵して供給するための実行可能な技術になる可能性があります。

類似のストレージ技術

エネルギー貯蔵には他にも多くの形態があり、それぞれに長所と短所があります。最も一般的なタイプは次のとおりです。

電気化学エネルギー貯蔵 – バッテリーに見られるように、これは XNUMX つの要素間の電位差を利用して、可逆的な電気化学反応を使用してエネルギーを蓄えたり放出したりします。
機械的エネルギー貯蔵 –これには、フライホイールやスプリングの使用、およびオブジェクトを巻き上げて高度を上げることでオブジェクトにエネルギーを蓄える重力システムなど、さまざまな方法が含まれます。
溶融塩エネルギー貯蔵 (MSES) – ここでの貯蔵は、60% の硝酸ナトリウムと 40% の硝酸カリウムの組み合わせを使用するなど、熱的です。
熱湯 – このメソッドは最大で保存できます 6kWhのエネルギー 50ガロンの温水タンクで。
揚水式水力 – エネルギー貯蔵の最も安価な形態。しかし、その大きな問題は、実装できる場所が限られていることです。
圧縮空気 – 水力発電と同様に、この方法は単純に空気を圧縮してエネルギーを蓄えます。そして、エネルギーが必要になったら、圧縮空気を放出してタービンを動かします。
フライホイール – エネルギーを使ってバランスのとれた車輪を回転させ、移動や発電に使用できる運動エネルギーとして蓄えます。
フロー電池 – これは、電解液が異なるタンクにあり、完全に充電されたタンクから空の充電タンクに流れなければならない電気化学貯蔵システムです。次に、電解質を充電するには、流れを逆にするだけです。この方法では、XNUMX つの電解質が広範囲に拡張可能な膜を介して相互作用するため、非常に強力なバッテリーを生成できます。
相変化材料 – これらの材料は、溶ける際にエネルギーを吸収し、凝固する際に放出します。それらは正確な温度で熱エネルギーを貯蔵するのに理想的です。