Kas ir smilšu baterijas? Viss, kas jums jāzina

Ziņas par smilšu akumulatoru no Somijas nesen kļuva par ziņu virsrakstiem, lai gan šī sistēma tikai uzglabāja un izlaida siltumu.

Siltuma uzglabāšana nav jauna tehnoloģija, taču šis izmēģinājuma projekts izceļ dažas no zaļās enerģijas tehnoloģiju un sistēmu nākotnes iespējām.

Šajā ziņojumā ir aplūkota tehnoloģija, kas aptver smiltis enerģijas uzglabāšanai, kā arī līdzīgas tehnoloģijas un to nozīmi pasaulei.

Enerģija no smiltīm?

Dabiskajām smiltīm piemīt daudzas īpašības, kas padara tās par ideālu vidi siltumenerģijas uzkrāšanai. Varat to bez problēmām uzsildīt līdz temperatūrai, kas pārsniedz 1,000 °C (1,832 °F), un tas var izturēt šo siltumu dienas, nedēļas un pat mēnešus ar minimāliem zaudējumiem.

Ja uzskatāt, ka akumulators ir enerģijas uzkrāšanas līdzeklis, kas saražots noteiktā laikā, tāpēc to varētu izmantot citā laikā, tad smiltis, kas tiek uzkarsētas ar elektrisko enerģiju uzglabāšanai un vēlākai lietošanai, ir akumulators.

Vīrusu smilšu baterija no Somijas

Somijas rietumu rajonā Kankaanpää atrodas patentēta siltuma uzglabāšanas enerģijas sistēma, ko izstrādājusi Polārā nakts. Tas izmanto lieko elektroenerģiju no atjaunojamiem avotiem, lai uzsildītu smiltis 7 metrus augstā un 4 metrus platā tvertnē līdz 600°C (1,112°F) uzglabāšanai un vēlākai izmantošanai centralizētās siltumapgādes tīklā.

Šeit ir svarīgi paturēt prātā dažas lietas. Pirmkārt, izmantotā enerģija ir pārmērīga ražošana no atjaunojamiem avotiem, piemēram, vēja un saules. Tas novērš jebkādus objektīvus salīdzinājumus ar citām enerģijas uzglabāšanas sistēmām komerciālos nolūkos.

Otrkārt, sistēma tiek izmantota tikai siltuma uzglabāšanai un piegādei – tas ir, elektroenerģija tiek pārvērsta siltumā un uzkrāta smiltīs. Pēc tam, kad nepieciešams, siltums tiek iegūts un sadalīts uz mājām un rūpnīcām, kur tas ir nepieciešams.

Treškārt, dabiskās smiltis var saturēt diezgan iespaidīgu enerģijas daudzumu. Piemēram, šajā Somijas Polar Night akumulatorā ir 100 tonnas smilšu aptuveni 600 Celsija temperatūrā, kas kopā veido 8MWh uzkrātās enerģijas ar 100 kW apkures jaudu. Tas padara smiltis par neprātīgi lētu enerģijas uzglabāšanas līdzekli bez izdomātām tehnoloģijām, instalācijām vai bīstamām prasībām.

Par sezonas siltumenerģijas uzglabāšanu

Seasonal Thermal Energy Storage jeb īsumā STES pastāv jau ļoti ilgu laiku. Vienkāršākajā veidā jūs varat savākt karsto ūdeni no jumta vasarā un saglabāt to pazemes tvertnē, ko pēc tam varat izmantot apkurei ziemā.

Tomēr lielākā daļa STES sistēmu uzglabā siltumu, kas ir zemāka par 100 ° C, tāpēc tās ir piemērotas māju un biroju apkurei, bet mazāk piemērotas citiem rūpnieciskiem lietojumiem vai elektroenerģijas ražošanai.

Metode ir vienkārša, jūs pakļaujat jebkuru vidi, kas var notvert un noturēt siltumu starojuma avotam, piemēram, saulei, rūpnieciskajiem siltuma atkritumiem utt. Sistēmas efektivitāte ir atkarīga no siltuma apmaiņas metodes un tās efektivitātes.

Tālāk jums būs jāuzglabā apsildāmā vide izolētā korpusā, lai samazinātu enerģijas zudumus. Daži korpusi var labi noturēt siltumu daudzus mēnešus.

Visbeidzot, ziemas laikā uzglabāšanas līdzeklis tiek izsūknēts, lai nodrošinātu māju un biroju apkuri, izlaižot to caur citu siltuma apmaiņu, piemēram, radiatora sildītāju. Parastie materiāli, kas tiek izmantoti kā STES uzglabāšanas līdzekļi, ir ūdens, eļļa, augsne, sāls hidrāti un tā tālāk.

Populāri uzkrātās siltumenerģijas izmantošanas veidi

Uzkrātajai siltumenerģijai ir daudz pielietojumu atkarībā no paredzētā pielietojuma. Šeit ir populārākie:

1. Māju un biroju apkure – Uzglabātais siltums var viegli nodrošināt dzīvojamo un darba telpu apkuri ziemā.
   
2. Karsts ūdens – Siltumu var arī pārnest, lai nodrošinātu vienmēr gatavu karsto ūdeni ikdienas lietošanai.
   
3. rūpnieciskām vajadzībām – Karstais ūdens tiek izmantots daudzām rūpnieciskām vajadzībām, sākot no sajaukšanas līdz tīrīšanai, pārtikas pārstrādei, šķīdinātāju izgatavošanai, sterilizācijai un daudz kam citam.
   
4. Elektroenerģijas ražošana  – Varat arī izmantot uzkrāto siltumenerģiju, lai uzsildītu ūdeni līdz tvaikam un liktu tai darbināt turbīnas, kas savukārt darbina ģeneratorus, kas ražo elektroenerģiju.

Smilšu akumulatora ekonomika

Ūdens var uzkrāt vairāk enerģijas nekā smiltis, taču tas kļūst nestabils no 100°C (212°F) uz augšu, savukārt smiltis var viegli saturēt 600°C (1112°F) temperatūru.

Ūdens arī saglabās savu siltumenerģiju ilgāk nekā smiltis, kas padara ūdeni par labāku līdzekli sezonas enerģijas uzkrāšanai. Tomēr, ja apsverat lietojumprogrammu, kas iztērē siltumu dažu stundu vai dažu dienu laikā, smiltis atkal kļūst par labāko iespēju. Tas ir lieliski piemērots neregulāru enerģijas avotu, piemēram, PV saules un vēja, papildināšanai.

Atgriežoties pie Somijas smilšu akumulatora, 7 metrus augstais tērauda konteiners ir paredzēts 100 tonnām smilšu, kas satur līdz 8MWh enerģijas.

Raugoties perspektīvā, vidējais ASV mājoklis patērē aptuveni 10 MWh enerģijas gadā, savukārt Eiropā šis skaitlis svārstās no aptuveni 2 MWh Rumānijā līdz 9 MWh Zviedrijā. Turklāt 30-50% enerģijas tiek patērēti apkurei ziemas laikā.

Tas nozīmē, ka 7 metrus augsts smilšu rezervuārs var saražot pietiekami daudz enerģijas, lai ziemā apsildītu dažas mājas atkarībā no jūsu atrašanās vietas. Bet tas būtu nepraktisks pielietojums pilsētu centros ar blīvu iedzīvotāju skaitu, ņemot vērā tā lielumu.

No otras puses, pārveidojot tās 100 kW apkures jaudu elektrībā ar 30 %, var saražot pietiekami daudz enerģijas vairāk nekā 20 mājām dienas laikā un daudzām mājām naktī.

Tātad, pareizi optimizēts, smilšu akumulators, kas maksā apmēram 5 USD par kWh jaudu, var būt lieliska alternatīva pašreizējai svina skābes un litija jonu akumulatoru sistēmu izmaksām par 100 USD par kWh. Jā, tas varētu būt apjomīgāks, bet tas ir daudz lētāks.

Smilšu baterijas elektroenerģijas ražošanai

Siltumenerģijas uzglabāšana vēlākai izmantošanai elektroenerģijas ražošanā ir pārbaudīta un uzticama tehnoloģija, kas ir ieviesta Koncentrēta saules enerģija (CSP) projekti gadu desmitiem.

Enerģija modernā CSP sistēmā tiek ieslodzīta, koncentrējot simtiem vai tūkstošiem spoguļu vienā krāsnī. Pēc tam šie spoguļi izseko sauli visas dienas garumā, lai garantētu pastāvīgu karstumu krāsnī līdz 565°C (1,049°F).

CSP iekārtas bieži ir ļoti lielas, aptverot miljoniem kvadrātpēdu (~1+km2) platībā, ar saules enerģijas uztvērējiem centrā un elektroenerģijas ražošanas jaudu 100+ megavatu diapazonā.

Izkausētu sāls maisījumu ar 60% nātrija nitrāta un 40% kālija nitrāta izmanto enerģijas uzkrāšanai CSP sistēmās nakts ģenerēšanai. Tomēr atšķirībā no smilšu akumulatora šis sāls maisījums kūst augstā temperatūrā, lai tas plūst kā šķidrums.

Gan CSP, gan smilšu akumulatoru sistēmas pārveido saules enerģiju siltumenerģijā ar aptuveni vienādu efektivitāti 15-20%. Bet, kamēr CSP kausētā sāls sistēmām ir aptuveni 50% efektivitāte, pārvēršot uzkrāto siltumu elektrībā, Somijas smilšu akumulatora teorētiskā efektivitāte ir 20-25%.

CSP sistēmas ir komerciāli dzīvotspējīgas, tādēļ, ja jūs varat pielāgot šo Somijas akumulatoru, lai sasniegtu virs 30% siltuma pārveidošanas par elektroenerģiju efektivitāti, tas var kļūt par dzīvotspējīgu tehnoloģiju, lai lēti uzglabātu un piegādātu atjaunojamo elektroenerģiju.

Līdzīgas uzglabāšanas tehnoloģijas

Ir daudz citu enerģijas uzkrāšanas veidu, katram ir savi plusi un mīnusi. Populārākie veidi ir:

1. Elektroķīmiskā enerģijas uzkrāšana - Kā jūs varētu atrast baterijās, tas izmanto potenciālo atšķirību starp diviem elementiem, lai uzglabātu un atbrīvotu enerģiju, izmantojot atgriezeniskas elektroķīmiskās reakcijas.
   
2. Mehāniskās enerģijas uzglabāšana – Tas ietver dažādas metodes, tostarp spararatu un atsperu izmantošanu, kā arī gravitācijas sistēmas, kas uzglabā enerģiju objektā, paceļot to uz augšu un palielinot tā augstumu.
   
3. Izkausētā sāls enerģijas uzglabāšana (MSES) – Uzglabāšana šeit ir termiska, piemēram, izmantojot 60% nātrija nitrāta un 40% kālija nitrāta kombināciju.
   
4. Termiskais karstais ūdens – Šī metode var uzglabāt līdz 6 kWh enerģijas 50 galonu karstā ūdens tvertnē.
   
5. Sūknēts hidro – Lētākais enerģijas uzglabāšanas veids. Tomēr tā galvenā problēma ir ierobežotās vietas, kur to var ieviest.
   
6. Kompresēts gaiss – Līdzīgi kā ūdens, šī metode vienkārši saspiež gaisu, lai uzglabātu enerģiju. Tad, kad jums ir nepieciešama enerģija, jūs izlaižat saspiesto gaisu, lai darbinātu turbīnu.
   
7. spara rats – Jūs vienkārši izmantojat enerģiju, lai pagrieztu labi līdzsvarotu riteni, tādējādi uzglabājot to kā kinētisko enerģiju, ko var izmantot vai nu pārvietošanai, vai elektroenerģijas ražošanai.
   
8. Plūsmas akumulators – Šī ir elektroķīmiskā uzglabāšanas sistēma, kurā elektrolīti atrodas dažādās tvertnēs un tiem jāplūst no pilnībā uzlādētas tvertnes uz tukšu uzlādes tvertni. Pēc tam, lai uzlādētu elektrolītus, jums vienkārši jāmaina plūsma. Šī metode var radīt ļoti jaudīgus akumulatorus, jo abi elektrolīti mijiedarbojas caur membrānu, kuru var plaši mērogot.
   
9. Materiāli fāzes maiņai - Šie materiāli absorbē enerģiju, kad tie kūst, un pēc tam atdala to, kad tie sacietē. Tie ir ideāli piemēroti siltumenerģijas uzglabāšanai precīzā temperatūrā.

Bieži uzdotie jautājumi (FAQ)

Secinājumi

Mēs esam sasnieguši šīs smilšu bateriju un to ekonomiskā potenciāla izpētes beigas. Un, kā jūs noteikti sapratāt, tie piedāvā daudzas iespējas.

No siltuma nodrošināšanas kopienām līdz elektroenerģijas ražošanai, silīcija smilšu netīrības lētums padara to par daudzsološu līdzekli nākotnes enerģētikas projektiem.