Wat zijn zandbatterijen? Alles wat u moet weten

Nieuws over een zandbatterij uit Finland haalde onlangs het nieuws, hoewel dat systeem alleen warmte opsloeg en weer vrijgaf.

Thermische warmteopslag is geen nieuwe technologie, maar deze pilot project benadrukt enkele van de toekomstige mogelijkheden van groene energietechnologieën en -systemen.

Dit bericht kijkt naar de technologie rond zand voor energieopslag, evenals vergelijkbare technologieën, en wat ze voor de wereld betekenen.

Energie uit zand?

Natuurzand heeft vele eigenschappen die het een ideaal medium maken voor warmte-koudeopslag. Je kunt hem zonder problemen opwarmen tot temperaturen boven de 1,000°C en het kan die warmte dagen, weken en zelfs maanden vasthouden met minimaal verlies.

Als je bedenkt dat een batterij een middel is om energie op te slaan die op een bepaald moment is geproduceerd, zodat het op een ander moment kan worden gebruikt, dan is zand dat wordt verwarmd met elektrische energie voor opslag en later gebruik, een batterij.

De virale zandbatterij uit Finland

In het westelijke Finse district Kankaanpää ligt een gepatenteerd warmteopslagsysteem ontwikkeld door Polar Nacht. Het gebruikt overtollige elektrische energie uit hernieuwbare bronnen om zand te verwarmen in een 7 meter hoge en 4 meter brede silo tot 600°C (1,112°F) voor opslag en later gebruik in het stadsverwarmingsnetwerk.

Hierbij zijn een aantal zaken belangrijk om in gedachten te houden. Ten eerste is de gebruikte energie overtollige opwekking uit hernieuwbare bronnen zoals wind en zon. Dit maakt objectieve vergelijkingen met andere energieopslagsystemen voor commerciële doeleinden overbodig.

Ten tweede wordt het systeem uitsluitend gebruikt voor thermische opslag en levering - dat wil zeggen, de elektrische energie wordt omgezet in warmte en opgeslagen in het zand. Vervolgens wordt de warmte, indien nodig, onttrokken en gedistribueerd naar huizen en fabrieken waar het nodig is.

Ten derde kan natuurlijk zand een behoorlijk indrukwekkende hoeveelheid energie bevatten. Deze Finse Polar Night-batterij bevat bijvoorbeeld 100 ton zand van ongeveer 600 Celsius, voor een totaal van 8 MWh opgeslagen energie bij een verwarmingscapaciteit van 100 kW. Dit maakt zand tot een waanzinnig goedkoop energieopslagmedium zonder fancy technologieën, installaties of gevaarlijke eisen.

Over seizoensgebonden opslag van thermische energie

Seasonal Thermal Energy Storage of kortweg STES bestaat al heel lang. In zijn eenvoudigste vorm zou je in de zomer warm water van het dak kunnen verzamelen en opslaan in een ondergrondse tank, die je vervolgens kunt gebruiken voor verwarming in de winter.

De meeste STE-systemen slaan warmte echter op bij minder dan 100°C, waardoor ze geschikt zijn voor het verwarmen van huizen en kantoren, maar minder ideaal voor ander industrieel gebruik of energieopwekking.

De methode is eenvoudig: u stelt elk medium dat warmte kan vasthouden en vasthouden bloot aan een stralingsbron, zoals de zon, industrieel warmteafval, enzovoort. De efficiëntie van het systeem hangt af van de warmte-uitwisselingsmethode en de efficiëntie ervan.

Vervolgens moet u het verwarmde medium opslaan in een geïsoleerde behuizing, om energieverlies te minimaliseren. Sommige behuizingen kunnen de warmte maandenlang goed vasthouden.

Ten slotte wordt het opslagmedium in de winter weggepompt om woningen en kantoren te verwarmen door het door een andere warmtewisselaar zoals een radiatorverwarming te leiden. Veelgebruikte materialen die als STES-opslagmedia worden gebruikt, zijn water, olie, aarde, zouthydraten, enzovoort.

Populair gebruik van opgeslagen thermische energie

Opgeslagen thermische energie heeft vele toepassingen, afhankelijk van de beoogde toepassing. Dit zijn de meest populaire:

1. Huizen en kantoren verwarmen – Opgeslagen warmte kan in de winter gemakkelijk voor verwarming van woon- en werkruimtes zorgen.
   
2. Hot Water – De warmte kan ook worden overgedragen om altijd klaar warm water te leveren voor dagelijks gebruik.
   
3. Industriële toepassingen – Heet water wordt gebruikt voor een breed scala aan industriële toepassingen, van mengen tot reinigen, voedselverwerking, het maken van oplosmiddelen, sterilisatie en nog veel meer.
   
4. Elektriciteit productie  – U kunt opgeslagen thermische energie ook gebruiken om water te verwarmen tot stoom en het turbines te laten aandrijven, die op hun beurt dynamo's aandrijven die elektriciteit produceren.

De economie van een zandbatterij

Water kan meer energie opslaan in vergelijking met zand, maar het wordt onstabiel vanaf 100°C (212°F) omhoog, terwijl zand gemakkelijk temperaturen van 600°C (1112°F) kan bevatten.

Water behoudt ook langer zijn thermische energie dan zand, waardoor water een beter medium is voor seizoensgebonden energieopslag. Overweegt u echter een toepassing die de warmte binnen enkele uren of slechts enkele dagen opgebruikt, dan wordt zand weer een topoptie. Het is perfect als aanvulling op intermitterende energiebronnen zoals PV zon en wind.

Terug naar de Finse zandbatterij, de 7 meter hoge stalen container is ontworpen voor 100 ton zand, die tot 8 MWh aan energie kan bevatten.

Om het in perspectief te plaatsen: het gemiddelde Amerikaanse huis verbruikt ongeveer 10 MWh per jaar, terwijl dat aantal in Europa varieert van ongeveer 2 MWh in Roemenië tot 9 MWh in Zweden. Bovendien wordt 30-50% van de energie gebruikt voor verwarming gedurende de winter.

Dit betekent dat een 7 meter hoog zandreservoir voldoende stroom kan produceren om een ​​paar huizen de winter door te brengen, afhankelijk van je locatie. Maar het zou een onpraktische toepassing zijn in stedelijke centra met een dichte bevolking, gezien de omvang.

Door het verwarmingsvermogen van 100 kW om te zetten in elektriciteit met 30% kan daarentegen voldoende stroom worden geproduceerd voor meer dan 20 huizen gedurende de dag en nog veel meer huizen 's nachts.

Dus, goed geoptimaliseerd, een zandbatterij die ongeveer $ 5 per kWh-capaciteit kost, kan een geweldig alternatief zijn voor de huidige $ 100 + per kWh-kosten voor loodzuur- en lithium-ionbatterijsystemen. Ja, het is misschien omvangrijker, maar het is veel goedkoper.

Zandbatterijen voor elektriciteitsopwekking

De opslag van thermische energie voor later gebruik bij elektriciteitsopwekking is een bewezen en betrouwbare technologie die is geïmplementeerd in Geconcentreerde zonne-energie (CSP) tientallen jaren projecten.

Energie in een modern CSP-systeem wordt gevangen door honderden of duizenden spiegels in een enkele oven te concentreren. Deze spiegels volgen vervolgens de zon gedurende de dag om constante warmte in de oven te garanderen tot 565°C (1,049°F).

CSP-installaties zijn vaak erg groot, beslaan miljoenen vierkante voet (~1+km2) in het gebied, met hun zonne-ontvangers in het midden en elektrische opwekkingscapaciteiten in het bereik van meer dan 100 megawatt.

Een gesmolten zoutmengsel met 60% natriumnitraat en 40% kaliumnitraat wordt gebruikt om energie op te slaan in CSP-systemen voor nachtelijke opwekking. In tegenstelling tot de zandbatterij smelt dit zoutmengsel echter bij hoge temperaturen om het als een vloeistof te laten stromen.

Zowel CSP- als zandbatterijsystemen zetten zonne-energie om in warmte-energie met een ongeveer gelijk rendement van 15-20%. Maar terwijl CSP-systemen voor gesmolten zout ongeveer 50% efficiëntie hebben bij het omzetten van de opgeslagen warmte in elektriciteit, heeft de Finse zandbatterij een theoretisch rendement van 20-25%.

CSP-systemen zijn commercieel levensvatbaar, dus als je deze Finse batterij kunt aanpassen om boven een 30% warmte-naar-elektriciteitsconversie-efficiëntie te komen, dan kan het een levensvatbare technologie worden om hernieuwbare elektriciteit goedkoop op te slaan en te leveren.

Vergelijkbare opslagtechnologieën

Er zijn vele andere vormen van energieopslag, elk met hun voor- en nadelen. De meest populaire soorten zijn:

1. Elektrochemische energieopslag - Zoals je zou vinden in batterijen, maakt dit gebruik van het potentiaalverschil tussen twee elementen om energie op te slaan en vrij te geven met behulp van omkeerbare elektrochemische reacties.
   
2. Mechanische energieopslag – Dit omvat verschillende methoden, waaronder het gebruik van vliegwielen en veren, evenals zwaartekrachtsystemen die energie in een object opslaan door het op te lieren en de hoogte te vergroten.
   
3. Gesmolten Zout Energieopslag (MSES) – De opslag is hier thermisch, bijvoorbeeld door een combinatie van 60% natriumnitraat en 40% kaliumnitraat te gebruiken.
   
4. Thermisch warm water – Deze methode kan tot 6 kWh energie in een warmwatertank van 50 gallon.
   
5. Gepompte Hydro – De goedkoopste vorm van energieopslag. Het grootste probleem zijn echter de beperkte locaties waar het kan worden geïmplementeerd.
   
6. Perslucht - Net als bij hydro, comprimeert deze methode eenvoudig lucht om energie op te slaan. Wanneer je de energie nodig hebt, laat je de perslucht vrij om een ​​turbine aan te drijven.
   
7. vliegwiel – Je gebruikt gewoon energie om een ​​goed uitgebalanceerd wiel te laten draaien en slaat het daarbij op als kinetische energie die kan worden gebruikt voor voortbeweging of voor het opwekken van elektrische energie.
   
8. Stroom batterij – Dit is een elektrochemisch opslagsysteem waarbij de elektrolyten zich in verschillende tanks bevinden en van een volledig opgeladen tank naar een lege laadtank moeten stromen. Om vervolgens de elektrolyten op te laden, draait u de stroom gewoon om. Deze methode kan zeer krachtige batterijen produceren, aangezien de twee elektrolyten op elkaar inwerken via een membraan dat uitgebreid kan worden geschaald.
   
9. Materialen voor faseverandering - Deze materialen absorberen energie als ze smelten en geven het dan weer weg als ze stollen. Ze zijn ideaal voor het opslaan van thermische energie bij precieze temperaturen.

Veel Gestelde Vragen (FAQ's)

Conclusie

We zijn aan het einde gekomen van deze verkenning van zandbatterijen en hun economisch potentieel. En zoals u zich gerealiseerd moet hebben, bieden ze veel mogelijkheden.

Van het leveren van warmte aan gemeenschappen tot de opwekking van elektrische energie, de vuile lage prijs van kwartszand maakt het een veelbelovend medium voor toekomstige energieprojecten.