Hva er sandbatterier? Alt du trenger å vite

Nyheter om et sandbatteri fra Finland kom nylig i overskriftene, selv om systemet bare lagret og avga varme.

Termisk varmelagring er ikke en ny teknologi, men dette pilotprosjektet belyser noen av fremtidens muligheter for grønne energiteknologier og -systemer.

Dette innlegget ser på teknologien rundt sand for energilagring, samt lignende teknologier, og hva de betyr for verden.

Energi fra sand?

Naturlig sand har mange kvaliteter som gjør den til et ideelt medium for lagring av termisk energi. Du kan varme den opp til temperaturer over 1,000 °C (1,832 °F) uten problemer, og den kan holde på varmen i dager, uker og til og med måneder med minimalt tap.

Hvis du tenker på at et batteri er et middel for å lagre energi som ble produsert på et bestemt tidspunkt, så det kan brukes på et annet tidspunkt, så er sand som varmes opp med elektrisk energi for lagring og senere bruk, et batteri.

Det virale sandbatteriet fra Finland

I det vestlige finske distriktet Kankaanpää ligger et patentert varmelagringsenergisystem utviklet av Polarnatt. Den bruker overflødig elektrisk energi fra fornybare kilder til å varme opp sand i en 7 meter høy og 4 meter bred silo opp til 600°C (1,112°F) for lagring og senere utnyttelse i fjernvarmenettet.

Et par ting er viktig å huske på her. For det første er energien som brukes overskuddsproduksjon fra fornybare kilder som vind og sol. Dette fjerner enhver objektiv sammenligning med andre energilagringssystemer for kommersielle formål.

For det andre brukes systemet utelukkende til termisk lagring og levering – det vil si at den elektriske energien omdannes til varme og lagres i sanden. Deretter, ved behov, hentes varmen ut og distribueres til boliger og fabrikker der det trengs.

For det tredje kan naturlig sand inneholde ganske imponerende mengde energi. For eksempel holder dette finske Polar Night-batteriet 100 tonn sand ved omtrent 600 Celsius, for totalt 8MWh lagret energi ved en varmekapasitet på 100kW. Dette gjør sand til et vanvittig billig energilagringsmedium uten fancy teknologier, installasjoner eller farlige krav.

Om sesongbasert termisk energilagring

Seasonal Thermal Energy Storage eller STES for kort, har eksistert i svært lang tid. I sin enkleste form kan du samle varmt vann fra taket om sommeren og lagre det i en underjordisk tank, som du deretter kan bruke til oppvarming om vinteren.

De fleste STES-systemer lagrer imidlertid varme ved mindre enn 100°C, noe som gjør dem ok for oppvarming av hjem og kontorer, men mindre ideelle for annen industriell bruk eller kraftproduksjon.

Metoden er enkel, du utsetter ethvert medium som kan fange og holde varmen for en strålingskilde, som sola, industrielt varmeavfall og så videre. Effektiviteten til systemet avhenger av varmevekslingsmetoden og dens effektivitet.

Deretter må du lagre det oppvarmede mediet i et isolert kabinett, for å minimere energitapet. Noen innhegninger kan holde varmen godt i mange måneder.

Til slutt pumpes lagringsmediet ut om vinteren for å gi oppvarming til boliger og kontorer ved å føre det gjennom en annen varmeveksler, for eksempel en radiatorvarmer. Vanlige materialer som brukes som STES-lagringsmedier inkluderer vann, olje, jord, salthydrater og så videre.

Populær bruk av lagret termisk energi

Lagret termisk energi har mange bruksområder, avhengig av tiltenkt bruk. Her er de mest populære:

1. Oppvarming av boliger og kontorer – Lagret termikk kan enkelt gi oppvarming til oppholds- og arbeidsrom om vinteren.
   
2. Hot Water – Varmen kan også overføres for å gi alltid klart varmt vann til daglig bruk.
   
3. industriell bruk – Varmt vann brukes til et bredt spekter av industrielle bruksområder, fra blanding til rengjøring, matforedling, fremstilling av løsemidler, sterilisering og mye mer.
   
4. Elektrisitetsproduksjon  – Du kan også bruke lagret termisk energi til å varme opp vann til damp og få den til å drive turbiner, som igjen driver generatorer som produserer elektrisk kraft.

Økonomien til et sandbatteri

Vann kan lagre mer energi sammenlignet med sand, men det blir ustabilt fra 100 °C (212 °F) og oppover, mens sand lett kan inneholde 600 °C (1112 °F) temperaturer.

Vann vil også beholde sin termiske energi lenger enn sand, noe som gjør vann til et bedre medium for sesongbasert energilagring. Men hvis du vurderer en applikasjon som bruker opp varmen i løpet av timer eller bare noen få dager, blir sand igjen et toppalternativ. Den er perfekt for å komplementere intermitterende energikilder som solenergi og vind.

Tilbake til det finske sandbatteriet, den 7 meter høye stålbeholderen er designet for 100 tonn sand, som rommer opptil 8MWh energi.

For å sette det i perspektiv, bruker et gjennomsnittlig hus i USA omtrent 10 MWh energi per år, mens dette tallet varierer i Europa fra rundt 2 MWh i Romania til 9 MWh i Sverige. I tillegg brukes 30-50 % av energien til oppvarming gjennom vinteren.

Dette betyr at et 7 meter høyt sandreservoar kan produsere nok strøm til å varme opp noen boliger gjennom vinteren, og avhengig av hvor du befinner deg. Men det ville være en upraktisk anvendelse i bysentre med tett befolkning, gitt størrelsen.

Konvertering av varmekapasiteten på 100 kW til elektrisitet på 30 % kan derimot produsere nok strøm til over 20 hjem om dagen, og mange flere hjem om natten.

Så, riktig optimalisert, kan et sandbatteri som koster rundt $5 per kWh-kapasitet være et flott alternativ til dagens $100+ per kWh-kostnad for bly-syre- og litium-ion-batterisystemer. Ja, det kan være større, men det er mye billigere.

Sandbatterier for elektrisitetsproduksjon

Lagring av termisk energi for senere bruk i kraftproduksjon er en velprøvd og pålitelig teknologi som er implementert i Konsentrert solenergi (CSP) prosjekter i flere tiår.

Energi i et moderne CSP-system fanges ved å konsentrere hundrevis eller tusenvis av speil i en enkelt ovn. Disse speilene sporer deretter solen gjennom dagen for å garantere konstant varme ved ovnen opp til 565°C (1,049°F).

CSP-installasjoner er ofte veldig store, og spenner over millioner av kvadratfot (~1+km2) i areal, med solmottakere i sentrum og elektriske genereringskapasiteter i 100+ Megawatt-området.

En smeltet saltblanding med 60 % natriumnitrat og 40 % kaliumnitrat brukes til å lagre energi i CSP-systemer for generering om natten. I motsetning til sandbatteriet smelter imidlertid denne saltblandingen ved høye temperaturer for å få den til å flyte som en væske.

Både CSP- og sandbatterisystemer konverterer solenergi til varmeenergi med omtrent lik effektivitet på 15-20%. Men mens CSP smeltede saltsystemer har omtrent 50 % effektivitet i å konvertere den lagrede varmen til elektrisitet, har det finske sandbatteriet en teoretisk effektivitet på 20-25 %.

CSP-systemer er kommersielt levedyktige, så hvis du kan finjustere dette finske batteriet for å komme over 30 % varme-til-elektrisitetskonverteringseffektivitet, kan det bli en levedyktig teknologi for billig å lagre og levere fornybar elektrisitet.

Lignende lagringsteknologier

Det finnes mange andre former for energilagring, hver med sine fordeler og ulemper. De mest populære typene inkluderer:

1. Elektrokjemisk energilagring – Som du finner i batterier, utnytter dette potensialforskjellen mellom to elementer for å lagre og frigjøre energi ved hjelp av reversible elektrokjemiske reaksjoner.
   
2. Mekanisk energilagring – Dette involverer ulike metoder, inkludert bruk av svinghjul og fjærer, samt gravitasjonssystemer som lagrer energi i et objekt ved å vinsje det opp og øke dets høyde.
   
3. Molten Salt Energy Storage (MSES) – Lagringen her er termisk, for eksempel ved å bruke en kombinasjon av 60 % natriumnitrat og 40 % kaliumnitrat.
   
4. Termisk varmt vann – Denne metoden kan lagre opptil 6kWh energi i en 50-liters varmtvannstank.
   
5. Pumpet Hydro – Den billigste formen for energilagring. Hovedproblemet er imidlertid de begrensede stedene der den kan implementeres.
   
6. Trykkluft – I likhet med hydro, komprimerer denne metoden ganske enkelt luft for å lagre energi. Så når du trenger energien, slipper du ut den komprimerte luften for å drive en turbin.
   
7. flywheel – Du bruker ganske enkelt energi til å rotere et velbalansert hjul, og lagrer det derved som kinetisk energi som enten kan brukes til bevegelse eller elektrisk kraftproduksjon.
   
8. Strømningsbatteri – Dette er et elektrokjemisk lagringssystem hvor elektrolyttene er i forskjellige tanker og må strømme fra en fulladet tank til en tom ladetank. Så for å lade elektrolyttene snur du ganske enkelt strømmen. Denne metoden kan produsere svært kraftige batterier ettersom de to elektrolyttene samhandler gjennom en membran som du kan skalere mye.
   
9. Faseendre materialer – Disse materialene absorberer energi når de smelter, for så å gi den bort når de størkner. De er ideelle for å lagre termisk energi ved nøyaktige temperaturer.

Ofte stilte spørsmål (FAQ)

Konklusjon

Vi har nådd slutten av denne utforskningen av sandbatterier og deres økonomiske potensial. Og som du sikkert har skjønt, byr de på mange muligheter.

Fra å gi varme til lokalsamfunn til elektrisk kraftproduksjon, smussbilligheten til silikasand gjør det til et lovende medium for fremtidige energiprosjekter.