샌드 배터리란 무엇인가? 알아야 할 모든 것

핀란드 서부의 Kankaanpää 지구에는 특허받은 열 저장 에너지 시스템이 있습니다. 폴라 나이트. 재생 가능 에너지원에서 얻은 잉여 전기 에너지를 사용하여 높이 7m, 너비 4m의 사일로에 있는 모래를 최대 600°C(1,112°F)까지 가열하여 저장한 후 나중에 지역 난방 네트워크에서 활용합니다.

여기서 염두에 두어야 할 몇 가지 중요한 사항이 있습니다. 첫째, 사용된 에너지는 풍력 및 태양광과 같은 재생 가능 에너지원에서 발생한 과잉 발전입니다. 이는 상업적 목적을 위한 다른 에너지 저장 시스템과의 객관적인 비교를 제거합니다.

둘째, 이 시스템은 열 저장 및 전달에만 사용됩니다. 즉, 전기 에너지는 열로 변환되어 모래에 저장됩니다. 그런 다음 필요할 때 열을 추출하여 필요한 가정과 공장에 분배합니다.

셋째, 천연 모래는 상당히 인상적인 양의 에너지를 저장할 수 있습니다. 예를 들어, 이 핀란드 폴라 나이트 배터리는 약 100도의 모래 600톤을 저장하여 8kW의 가열 용량에서 총 100MWh의 에너지를 저장합니다. 이는 모래를 멋진 기술, 설비 또는 위험한 요구 사항 없이도 엄청나게 저렴한 에너지 저장 매체로 만듭니다.

계절 열 에너지 저장에 대하여

계절 열 에너지 저장 또는 간단히 STES는 아주 오랫동안 존재해 왔습니다. 가장 간단한 형태로, 여름에 지붕에서 뜨거운 물을 모아 지하 탱크에 저장한 다음 겨울에 난방에 사용할 수 있습니다.

그러나 대부분의 STES 시스템은 100°C 미만의 열을 저장하므로 가정과 사무실 난방에는 적합하지만 다른 산업용 또는 발전용으로는 적합하지 않습니다.

이 방법은 간단합니다. 열을 가두고 유지할 수 있는 모든 매체를 태양, 산업 열 폐기물 등과 같은 복사원에 노출시킵니다. 시스템의 효율성은 열 교환 방법과 그 효율성에 따라 달라집니다.

다음으로, 에너지 손실을 최소화하기 위해 가열된 매체를 단열된 인클로저에 보관해야 합니다. 일부 인클로저는 수개월 동안 열을 잘 유지할 수 있습니다.

마지막으로, 저장 매체는 겨울에 펌핑되어 라디에이터 히터와 같은 다른 열 교환기를 통과하여 가정과 사무실에 난방을 제공합니다. STES 저장 매체로 사용되는 일반적인 재료에는 물, 오일, 토양, 염 수화물 등이 있습니다.

저장된 열 에너지의 대중적 사용

저장된 열 에너지는 의도된 용도에 따라 여러 가지 용도가 있습니다. 가장 인기 있는 용도는 다음과 같습니다.

주택 및 사무실 난방 – 저장된 열은 겨울철 생활 및 작업 공간을 쉽게 난방할 수 있습니다.
뜨거운 물 – 열은 또한 매일 사용할 수 있는 항상 준비된 뜨거운 물을 제공하는 데 전달될 수 있습니다.
산업 신청 – 뜨거운 물은 혼합, 세척, 식품 가공, 용매 제조, 살균 등 광범위한 산업 분야에 사용됩니다.
전력 생산 – 저장된 열 에너지를 사용하여 물을 가열하여 증기를 생성하고, 그것으로 터빈을 구동할 수 있으며, 터빈은 다시 전력을 생산하는 교류 발전기를 구동합니다.

모래 배터리의 경제학

물은 모래에 비해 더 많은 에너지를 저장할 수 있지만, 100°C(212°F) 이상에서는 불안정해지는 반면, 모래는 600°C(1112°F)의 온도를 쉽게 견딜 수 있습니다.

물은 모래보다 열 에너지를 더 오래 유지하므로 물은 계절적 에너지 저장에 더 나은 매개체가 됩니다. 그러나 몇 시간 또는 며칠 만에 열을 소모하는 응용 프로그램을 고려하고 있다면 모래가 다시 최고의 옵션이 됩니다. PV 태양광 및 풍력과 같은 간헐적 에너지원을 보완하는 데 완벽합니다.

핀란드 모래 배터리로 돌아가면, 7m 높이의 강철 컨테이너는 100톤의 모래를 담도록 설계되었으며, 이는 최대 8MWh의 에너지를 저장합니다.

관점을 바꿔 말하면, 평균적인 미국 가정은 연간 약 10MWh의 에너지를 사용하는 반면, 유럽의 경우 루마니아의 약 2MWh에서 스웨덴의 9MWh까지 다양합니다. 또한, 에너지의 30-50%는 겨울 동안 난방에 사용됩니다.

즉, 7m 높이의 모래 저수지는 겨울 동안 몇 채의 집을 덥힐 만큼 충분한 전력을 생산할 수 있으며, 위치에 따라 다릅니다. 하지만 규모를 감안할 때 인구가 밀집된 도시 중심지에서는 비실용적일 것입니다.

반면, 100kW의 난방 용량을 30% 전기로 변환하면 낮에는 20가구 이상에 충분한 전력을 생산할 수 있고, 밤에는 훨씬 더 많은 가구에 전력을 공급할 수 있습니다.

따라서 적절하게 최적화하면 kWh당 약 5달러의 비용이 드는 모래 배터리는 현재 납산 및 리튬 이온 배터리 시스템의 kWh당 100달러 이상의 비용에 대한 훌륭한 대안이 될 수 있습니다. 그렇습니다. 더 부피가 크겠지만 훨씬 저렴합니다.

전기 생산을 위한 모래 배터리

나중에 전기 생산에 사용하기 위해 열 에너지를 저장하는 것은 검증되고 안정적인 기술로 구현되었습니다. 집광형 태양열 발전(CSP) 수십 년간 프로젝트를 진행했습니다.

현대 CSP 시스템의 에너지는 수백 또는 수천 개의 거울을 단일 용광로에 집중시켜 가두어집니다. 그런 다음 이 거울은 낮 동안 태양을 추적하여 용광로에서 최대 565°C(1,049°F)까지 일정한 열을 보장합니다.

CSP 설비는 대개 규모가 매우 커서 면적이 수백만 평방 피트(~1km2)에 달하고, 중앙에 태양광 수신기가 있으며 발전 용량은 100메가와트 이상입니다.

60% 질산나트륨과 40% 질산칼륨이 포함된 용융염 혼합물은 야간 발전을 위해 CSP 시스템에서 에너지를 저장하는 데 사용됩니다. 그러나 모래 배터리와 달리 이 소금 혼합물은 고온에서 녹아서 유체처럼 흐릅니다.

CSP와 모래 전지 시스템은 모두 태양열을 대략 15-20%의 거의 동일한 효율로 열 에너지로 변환합니다. 하지만 CSP 용융염 시스템은 저장된 열을 전기로 변환하는 데 약 50%의 효율을 보이는 반면, 핀란드 모래 전지는 이론적으로 20-25%의 효율을 보입니다.

CSP 시스템은 상업적으로 실행 가능하므로 이 핀란드 배터리를 조정하여 열-전기 변환 효율을 30% 이상으로 높일 수 있다면 저렴하게 재생 가능 전기를 저장하고 공급하는 실행 가능한 기술이 될 수 있습니다.

유사한 저장 기술

에너지 저장에는 여러 가지 다른 형태가 있으며 각각 장단점이 있습니다. 가장 인기 있는 유형은 다음과 같습니다.

전기 화학 에너지 저장 – 배터리에서 볼 수 있듯이, 이는 두 원소 간의 전위차를 활용하여 가역적인 전기화학 반응을 사용하여 에너지를 저장하고 방출합니다.
기계적 에너지 저장 – 여기에는 플라이휠과 스프링을 사용하는 것뿐만 아니라 물체를 윈치하여 위로 올리고 고도를 높여 에너지를 저장하는 중력 시스템을 포함한 다양한 방법이 포함됩니다.
용융염 에너지 저장(MSES) – 이곳의 저장은 60% 질산나트륨과 40% 질산칼륨을 조합하여 사용하는 등의 열을 이용한 것입니다.
열탕온수 – 이 방법은 최대 다음을 저장할 수 있습니다. 6kWh의 에너지 50갤런 용량의 온수탱크에 넣어두세요.
펌핑 하이드로 – 가장 저렴한 에너지 저장 형태입니다. 그러나 가장 큰 문제는 구현할 수 있는 위치가 제한되어 있다는 것입니다.
압축 공기 – 수력과 비슷하게, 이 방법은 단순히 공기를 압축하여 에너지를 저장합니다. 그런 다음 에너지가 필요할 때 압축 공기를 방출하여 터빈에 동력을 공급합니다.
플라이휠 – 균형 잡힌 바퀴를 돌리는 데 에너지를 사용하면 운동 에너지로 저장되고, 이 운동 에너지는 이동이나 전력 생산에 사용될 수 있습니다.
플로우 배터리 – 이것은 전해질이 다른 탱크에 있고 완전히 충전된 탱크에서 비어 있는 충전 탱크로 흘러야 하는 전기화학적 저장 시스템입니다. 그런 다음 전해질을 충전하려면 흐름을 역전시키기만 하면 됩니다. 이 방법은 두 전해질이 광범위하게 확장할 수 있는 막을 통해 상호 작용하기 때문에 매우 강력한 배터리를 생산할 수 있습니다.
상 변화 재료 – 이 재료들은 녹으면서 에너지를 흡수한 다음 응고되면서 에너지를 방출합니다. 정확한 온도에서 열 에너지를 저장하는 데 이상적입니다.