Kas yra smėlio baterijos? Viskas, ką reikia žinoti

Naujienos apie smėlio bateriją iš Suomijos neseniai tapo antraštėmis, nors ta sistema tik kaupė ir išskirdavo šilumą.

Šiluminis šilumos kaupimas nėra nauja technologija, tačiau šis bandomasis projektas išryškina kai kurias žaliosios energijos technologijų ir sistemų ateities galimybes.

Šiame įraše apžvelgiamos technologijos, supančios smėlį energijos kaupimui, taip pat panašios technologijos ir ką jos reiškia pasauliui.

Energija iš smėlio?

Natūralus smėlis turi daug savybių, todėl jis yra ideali terpė šiluminės energijos kaupimui. Galite be problemų pašildyti iki aukštesnės nei 1,000 1,832 °C (XNUMX XNUMX °F) temperatūros ir jis gali išlaikyti šilumą dienas, savaites ir net mėnesius su minimaliais nuostoliais.

Jei manote, kad baterija yra tam tikru metu pagamintos energijos kaupimo priemonė, todėl ją būtų galima naudoti kitu metu, tai smėlis, kuris šildomas elektros energija saugojimui ir vėlesniam naudojimui, yra baterija.

Virusinė smėlio baterija iš Suomijos

Vakarų Suomijos Kankaanpää rajone yra patentuota šilumos kaupimo energijos sistema, kurią sukūrė Poliarinė naktis. Jis naudoja elektros energijos perteklių iš atsinaujinančių šaltinių smėliui šildyti 7 metrų aukščio ir 4 metrų pločio silose iki 600°C (1,112°F) saugoti ir vėliau panaudoti centralizuoto šilumos tiekimo tinkle.

Čia svarbu atsiminti keletą dalykų. Pirma, naudojama energija yra perteklinė gamyba iš atsinaujinančių šaltinių, tokių kaip vėjas ir saulė. Tai pašalina bet kokius objektyvius palyginimus su kitomis energijos kaupimo sistemomis komerciniais tikslais.

Antra, sistema naudojama tik šilumos kaupimui ir tiekimui – ty elektros energija paverčiama šiluma ir kaupiama smėlyje. Tada, kai reikia, šiluma išgaunama ir paskirstoma namams ir gamykloms, kur jos reikia.

Trečia, natūralus smėlis gali talpinti gana įspūdingą energijos kiekį. Pavyzdžiui, ši suomiška Polar Night baterija talpina 100 tonų smėlio esant maždaug 600 Celsijaus temperatūrai, o tai iš viso sukaupia 8 MWh sukauptos energijos esant 100 kW šildymo galiai. Dėl to smėlis yra beprotiškai pigi energijos kaupimo terpė be įmantrių technologijų, įrenginių ar pavojingų reikalavimų.

Apie sezoninį šiluminės energijos kaupimą

Seasonal Thermal Energy Storage arba trumpiau STES, egzistuoja labai ilgą laiką. Paprasčiausiu būdu vasarą galite surinkti karštą vandenį nuo stogo ir sukaupti požeminėje talpykloje, kurią vėliau galėsite panaudoti šildymui žiemą.

Tačiau dauguma STES sistemų sulaiko šilumą žemesnėje nei 100 °C temperatūroje, todėl jos tinkamos šildyti namus ir biurus, tačiau ne tokios idealios kitiems pramoniniams tikslams ar energijos gamybai.

Metodas yra paprastas, bet kokia terpė, galinti sulaikyti ir sulaikyti šilumą, patenka į spinduliuotės šaltinį, pvz., saulę, pramoninės šilumos atliekas ir pan. Sistemos efektyvumas priklauso nuo šilumos mainų metodo ir jo efektyvumo.

Tada šildomą terpę turėsite laikyti izoliuotame korpuse, kad sumažintumėte energijos nuostolius. Kai kurie korpusai gali gerai išlaikyti šilumą daugelį mėnesių.

Galiausiai saugojimo terpė žiemą išpumpuojama, kad būtų galima šildyti namus ir biurus, perduodant ją per kitą šilumos mainą, pavyzdžiui, radiatorinį šildytuvą. Įprastos medžiagos, naudojamos kaip STES laikymo terpės, yra vanduo, aliejus, dirvožemis, druskos hidratai ir kt.

Populiariausi sukauptos šiluminės energijos naudojimo būdai

Sukaupta šiluminė energija gali būti naudojama įvairiai, atsižvelgiant į numatomą paskirtį. Štai patys populiariausi:

1. Namų ir biurų šildymas – Saugomas termosas gali lengvai šildyti gyvenamąsias ir darbo patalpas žiemą.
   
2. Karštas vanduo – Šiluma taip pat gali būti perduota, kad būtų tiekiamas visada paruoštas karštas vanduo kasdieniniam naudojimui.
   
3. Pramoninis taikymas – Karštas vanduo naudojamas įvairiems pramoniniams tikslams – nuo ​​maišymo iki valymo, maisto perdirbimo, tirpiklių gamybos, sterilizavimo ir daug daugiau.
   
4. Elektros gamyba  – Taip pat galite naudoti sukauptą šiluminę energiją, kad pašildytumėte vandenį iki garų ir kad ji varytų turbinas, kurios savo ruožtu varo generatorius, gaminančius elektros energiją.

Smėlio baterijos ekonomika

Vanduo gali sukaupti daugiau energijos nei smėlis, tačiau nuo 100 °C (212 °F) aukštyn jis tampa nestabilus, o smėlis gali lengvai išlaikyti 600 °C (1112 °F) temperatūrą.

Vanduo taip pat išlaikys savo šiluminę energiją ilgiau nei smėlis, todėl vanduo yra geresnė terpė sezoniniam energijos kaupimui. Tačiau jei svarstote apie programą, kuri šilumą išeikvoja per kelias valandas ar kelias dienas, smėlis vėl tampa geriausiu pasirinkimu. Jis puikiai tinka nuolatiniams energijos šaltiniams, tokiems kaip saulės ir vėjo energija, papildyti.

Grįžtant prie suomiškos smėlio baterijos, 7 metrų aukščio plieninis konteineris skirtas 100 tonų smėlio, kuriame telpa iki 8MWh energijos.

Žvelgiant į perspektyvą, vidutinis JAV namas sunaudoja apie 10 MWh energijos per metus, o Europoje šis skaičius svyruoja nuo maždaug 2 MWh Rumunijoje iki 9 MWh Švedijoje. Be to, šildymui per žiemą sunaudojama 30–50 % energijos.

Tai reiškia, kad 7 metrų aukščio smėlio rezervuaras gali pagaminti pakankamai energijos, kad žiemą būtų galima šildyti kelis namus, priklausomai nuo jūsų vietos. Tačiau, atsižvelgiant į jo dydį, tai būtų nepraktiškas pritaikymas miestų centruose, kuriuose gausu gyventojų.

Kita vertus, 100 kW šildymo galią pavertus elektra 30 % energijos, dienos metu galima pagaminti pakankamai energijos daugiau nei 20 namų, o naktį – daug daugiau.

Taigi, tinkamai optimizuotas, smėlio akumuliatorius, kainuojantis apie 5 USD už kWh talpą, gali būti puiki alternatyva dabartinėms švino rūgšties ir ličio jonų akumuliatorių sistemoms 100 USD už kWh. Taip, jis gali būti didesnis, bet daug pigesnis.

Smėlio baterijos elektrai gaminti

Šiluminės energijos kaupimas vėlesniam naudojimui elektros gamyboje yra patikrinta ir patikima technologija, kuri buvo įdiegta Koncentruota saulės energija (CSP) projektus dešimtmečius.

Energija šiuolaikinėje CSP sistemoje sulaikoma sutelkus šimtus ar tūkstančius veidrodžių vienoje krosnyje. Tada šie veidrodžiai seka saulę per dieną, kad užtikrintų nuolatinę krosnies šilumą iki 565 °C (1,049 °F).

CSP įrenginiai dažnai yra labai dideli, apimantys milijonus kvadratinių pėdų (~1+km2), kurių centre yra saulės energijos imtuvai, o elektros gamybos pajėgumai siekia 100+ megavatų.

Išlydytosios druskos mišinys su 60 % natrio nitrato ir 40 % kalio nitrato naudojamas energijai kaupti CSP sistemose, kad būtų galima generuoti naktį. Tačiau skirtingai nuo smėlio akumuliatoriaus, šis druskos mišinys lydosi aukštoje temperatūroje, kad tekėtų kaip skystis.

Tiek CSP, tiek smėlio baterijų sistemos paverčia saulės energiją į šilumos energiją maždaug vienodu 15–20 % efektyvumu. Tačiau nors CSP išlydytos druskos sistemos efektyviai paverčia sukauptą šilumą į elektros energiją apie 50 %, Suomijos smėlio akumuliatoriaus teorinis efektyvumas yra 20–25 %.

CSP sistemos yra komerciškai perspektyvios, taigi, jei galite patobulinti šią suomišką bateriją, kad šilumos konversijos į elektrą efektyvumas viršytų 30 %, tai gali tapti perspektyvia technologija, leidžiančia pigiai saugoti ir tiekti atsinaujinančią elektros energiją.

Panašios saugojimo technologijos

Yra daug kitų energijos kaupimo formų, kurių kiekviena turi savo privalumų ir trūkumų. Tarp populiariausių tipų yra:

1. Elektrocheminė energijos saugykla – Kaip matote baterijose, tai padidina potencialų skirtumą tarp dviejų elementų energijos kaupimui ir išleidimui naudojant grįžtamas elektrochemines reakcijas.
   
2. Mechaninė energijos saugykla – Tai apima įvairius metodus, įskaitant smagračių ir spyruoklių naudojimą, taip pat gravitacines sistemas, kurios kaupia energiją objekte, sukeldamos jį aukštyn ir padidindamos jo aukštį.
   
3. Išlydytos druskos energijos saugykla (MSES) – Saugykla čia yra terminė, pavyzdžiui, naudojant 60 % natrio nitrato ir 40 % kalio nitrato derinį.
   
4. Terminis karštas vanduo – Šiuo būdu galima saugoti iki 6 kWh energijos 50 galonų karšto vandens bakelyje.
   
5. Siurbiamas Hidro – Pigiausia energijos kaupimo forma. Tačiau pagrindinė problema yra ribotos vietos, kuriose jis gali būti įgyvendintas.
   
6. Suspaustas oras – Panašiai kaip ir vandens, šis metodas tiesiog suspaudžia orą, kad kauptų energiją. Tada, kai jums reikia energijos, išleidžiate suslėgtą orą, kad įjungtumėte turbiną.
   
7. smagratis – Jūs tiesiog naudojate energiją gerai subalansuotam ratui pasukti, taip išsaugodami ją kaip kinetinę energiją, kurią galima panaudoti judėjimui arba elektros energijos gamybai.
   
8. Srauto baterija – Tai elektrocheminė kaupimo sistema, kai elektrolitai yra skirtingose ​​talpyklose ir turi tekėti iš pilnai įkrauto bako į tuščią įkrovimo baką. Tada norėdami įkrauti elektrolitus, tiesiog apverskite srautą. Taikant šį metodą galima pagaminti labai galingas baterijas, nes du elektrolitai sąveikauja per membraną, kurios mastelį galite plačiai keisti.
   
9. Fazės keitimo medžiagos – Šios medžiagos tirpdamos sugeria energiją, o kietėjant ją atiduoda. Jie idealiai tinka šilumos energijos kaupimui esant tikslioms temperatūroms.

Dažnai užduodami klausimai (DUK)

Išvada

Pasiekėme šio smėlio baterijų ir jų ekonominio potencialo tyrinėjimo pabaigą. Ir, kaip turbūt supratote, jie siūlo daugybę galimybių.

Nuo šilumos tiekimo bendruomenėms iki elektros energijos gamybos, kvarco smėlio pigumas daro jį perspektyvia terpe būsimiems energetikos projektams.