Czym są baterie piaskowe? Wszystko co musisz wiedzieć

Wiadomości o baterii piaskowej z Finlandii trafiły niedawno na pierwsze strony gazet, mimo że system ten jedynie magazynował i uwalniał ciepło.

Termiczne magazynowanie ciepła nie jest nową technologią, ale ten projekt pilotażowy podkreśla niektóre przyszłe możliwości technologii i systemów zielonej energii.

W tym poście omówiono technologię związaną z piaskiem do magazynowania energii, a także podobne technologie i ich znaczenie dla świata.

Energia z piasku?

Naturalny piasek posiada wiele właściwości, które czynią go idealnym nośnikiem energii cieplnej. Można go bez problemu podgrzać do temperatur przekraczających 1,000°C (1,832°F) i może on utrzymywać tę temperaturę przez dni, tygodnie, a nawet miesiące przy minimalnych stratach.

Jeśli wziąć pod uwagę, że bateria służy do magazynowania energii wytworzonej w określonym czasie, aby można ją było wykorzystać w innym czasie, to piasek podgrzewany energią elektryczną w celu jej magazynowania i późniejszego wykorzystania jest baterią.

Wirusowa bateria piaskowa z Finlandii

W zachodniej fińskiej dzielnicy Kankaanpää znajduje się opatentowany system magazynowania energii cieplnej opracowany przez Noc polarna. Wykorzystuje nadwyżkę energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych do podgrzewania piasku w silosie o wysokości 7 metrów i szerokości 4 metrów do temperatury 600°C (1,112°F) w celu przechowywania i późniejszego wykorzystania w sieci ciepłowniczej.

Warto tutaj pamiętać o kilku kwestiach. Po pierwsze, wykorzystywana energia to nadwyżka produkcji ze źródeł odnawialnych, takich jak energia wiatrowa i słoneczna. Eliminuje to wszelkie obiektywne porównania z innymi systemami magazynowania energii w celach komercyjnych.

Po drugie, system służy wyłącznie do magazynowania i dostarczania ciepła – to znaczy, że energia elektryczna jest przekształcana w ciepło i magazynowana w piasku. Następnie, w razie potrzeby, ciepło jest pobierane i rozprowadzane do domów i fabryk, gdzie jest potrzebne.

Po trzecie, naturalny piasek może pomieścić imponującą ilość energii. Na przykład ta fińska bateria Nocy Polarnej mieści 100 ton piasku w temperaturze około 600 stopni Celsjusza, co daje łącznie 8 MWh zmagazynowanej energii przy mocy grzewczej 100 kW. To sprawia, że ​​piasek jest niesamowicie tanim nośnikiem energii, niewymagającym wymyślnych technologii, instalacji i niebezpiecznych wymagań.

O sezonowym magazynowaniu energii cieplnej

Sezonowe magazynowanie energii cieplnej, w skrócie STES, istnieje już od bardzo długiego czasu. W najprostszej formie można latem zbierać ciepłą wodę z dachu i gromadzić ją w podziemnym zbiorniku, który następnie można wykorzystać do ogrzewania zimą.

Większość systemów STES przechowuje jednak ciepło w temperaturze poniżej 100°C, co sprawia, że ​​nadają się do ogrzewania domów i biur, ale są mniej idealne do innych zastosowań przemysłowych lub wytwarzania energii.

Metoda jest prosta: wystawiasz dowolne medium, które może wychwytywać i zatrzymywać ciepło, na działanie źródła promieniowania, takiego jak słońce, odpady ciepła przemysłowego i tak dalej. Sprawność systemu zależy od metody wymiany ciepła i jej sprawności.

Następnie będziesz musiał przechowywać ogrzany czynnik w izolowanej obudowie, aby zminimalizować straty energii. Niektóre obudowy dobrze utrzymują ciepło przez wiele miesięcy.

Na koniec nośnik magazynujący jest wypompowywany zimą, aby zapewnić ogrzewanie domów i biur, przepuszczając go przez inny wymiennik ciepła, taki jak grzejnik. Typowe materiały stosowane jako nośniki STES obejmują wodę, olej, glebę, hydraty soli i tak dalej.

Popularne zastosowania zmagazynowanej energii cieplnej

Zmagazynowana energia cieplna ma wiele zastosowań, w zależności od zamierzonego zastosowania. Oto najpopularniejsze:

1. Ogrzewanie domów i biur – Zimą zmagazynowana energia cieplna może z łatwością zapewnić ogrzewanie pomieszczeń mieszkalnych i roboczych.
   
2. Hot Water – Ciepło może być również przekazywane, aby zapewnić zawsze gotową ciepłą wodę do codziennego użytku.
   
3. Zastosowania przemysłowe – Gorąca woda jest wykorzystywana w szerokim zakresie zastosowań przemysłowych, od mieszania po czyszczenie, przetwarzanie żywności, wytwarzanie rozpuszczalników, sterylizację i wiele innych.
   
4. Produkcja energii elektrycznej  – Można także wykorzystać zmagazynowaną energię cieplną do podgrzania wody do postaci pary, która napędza turbiny, które z kolei napędzają alternatory wytwarzające energię elektryczną.

Ekonomika baterii piaskowej

Woda może magazynować więcej energii w porównaniu do piasku, ale staje się niestabilna od temperatury 100°C (212°F) w górę, podczas gdy piasek może z łatwością utrzymać temperaturę 600°C (1112°F).

Woda zachowa także swoją energię cieplną dłużej niż piasek, co czyni ją lepszym medium do sezonowego magazynowania energii. Jeśli jednak rozważasz zastosowanie, które zużywa ciepło w ciągu kilku godzin lub zaledwie kilku dni, piasek ponownie staje się najlepszą opcją. Idealnie nadaje się do uzupełnienia nieciągłych źródeł energii, takich jak fotowoltaika słoneczna i wiatrowa.

Wracając do fińskiej baterii piaskowej, stalowy kontener o wysokości 7 metrów przeznaczony jest na 100 ton piasku, w którym mieści się do 8MWh energii.

Dla porównania, przeciętny dom w USA zużywa około 10 MWh energii rocznie, podczas gdy w Europie liczba ta waha się od około 2 MWh w Rumunii do 9 MWh w Szwecji. Ponadto 30-50% energii zużywane jest na ogrzewanie w okresie zimowym.

Oznacza to, że zbiornik piasku o wysokości 7 metrów może wytworzyć wystarczającą ilość energii, aby ogrzać kilka domów przez zimę, w zależności od lokalizacji. Byłoby to jednak niepraktyczne zastosowanie w ośrodkach miejskich o dużej gęstości zaludnienia, biorąc pod uwagę jego wielkość.

Z drugiej strony konwersja mocy grzewczej 100 kW na energię elektryczną przy poziomie 30% może wyprodukować wystarczającą ilość energii dla ponad 20 domów w ciągu dnia i znacznie więcej domów w nocy.

Tak więc odpowiednio zoptymalizowana bateria piaskowa, która kosztuje około 5 dolarów za kWh, może być świetną alternatywą dla obecnych kosztów wynoszących ponad 100 dolarów za kWh w przypadku systemów akumulatorów kwasowo-ołowiowych i litowo-jonowych. Tak, może być większy, ale jest o wiele tańszy.

Baterie piaskowe do wytwarzania energii elektrycznej

Magazynowanie energii cieplnej do późniejszego wykorzystania w produkcji energii elektrycznej to sprawdzona i niezawodna technologia, która została wdrożona w Skoncentrowana energia słoneczna (CSP) projekty od kilkudziesięciu lat.

Energia w nowoczesnym systemie CSP jest zatrzymywana poprzez koncentrację setek lub tysięcy luster w jednym piecu. Lustra te następnie śledzą słońce w ciągu dnia, aby zagwarantować stałą temperaturę w piecu do 565°C (1,049°F).

Instalacje CSP są często bardzo duże, zajmują powierzchnię milionów stóp kwadratowych (~1+ km2), z odbiornikami słonecznymi pośrodku i zdolnościami wytwarzania energii elektrycznej w zakresie ponad 100 megawatów.

Do magazynowania energii w systemach CSP w celu wytwarzania energii w nocy stosuje się stopioną mieszaninę soli zawierającą 60% azotanu sodu i 40% azotanu potasu. Jednak w przeciwieństwie do baterii piaskowej, ta mieszanina soli topi się w wysokich temperaturach, dzięki czemu płynie jak płyn.

Zarówno systemy baterii CSP, jak i baterii piaskowych przekształcają energię słoneczną w energię cieplną z mniej więcej równą wydajnością wynoszącą 15–20%. Ale podczas gdy systemy CSP ze stopioną solą mają około 50% wydajności w przetwarzaniu zmagazynowanego ciepła na energię elektryczną, fińska bateria piaskowa ma teoretyczną wydajność na poziomie 20-25%.

Systemy CSP są opłacalne z komercyjnego punktu widzenia, więc jeśli uda się ulepszyć tę fińską baterię, aby uzyskać sprawność konwersji ciepła na energię elektryczną przekraczającą 30%, może ona stać się opłacalną technologią taniego przechowywania i dostarczania energii odnawialnej.

Podobne technologie przechowywania

Istnieje wiele innych form magazynowania energii, każda ma swoje zalety i wady. Do najpopularniejszych typów należą:

1. Elektrochemiczne magazynowanie energii – Podobnie jak w przypadku akumulatorów, wykorzystuje to różnicę potencjałów między dwoma elementami do magazynowania i uwalniania energii za pomocą odwracalnych reakcji elektrochemicznych.
   
2. Magazynowanie energii mechanicznej – Wiąże się to z różnymi metodami, w tym z wykorzystaniem kół zamachowych i sprężyn, a także systemów grawitacyjnych, które magazynują energię w obiekcie poprzez unoszenie go i zwiększanie jego wysokości.
   
3. Magazynowanie energii stopionej soli (MSES) – Magazynowanie ma tutaj charakter termiczny, na przykład przy użyciu kombinacji 60% azotanu sodu i 40% azotanu potasu.
   
4. Ciepła woda termalna – Ta metoda pozwala zapisać do 6kWh energii w 50-litrowym zbiorniku gorącej wody.
   
5. Pompowana Hydro – Najtańsza forma magazynowania energii. Jej głównym problemem są jednak ograniczone lokalizacje, w których można ją wdrożyć.
   
6. Skompresowane powietrze – Podobnie jak w przypadku wody, metoda ta po prostu spręża powietrze w celu magazynowania energii. Następnie, gdy potrzebujesz energii, wypuszczasz sprężone powietrze, aby napędzać turbinę.
   
7. koło zamachowe – Energię wykorzystuje się po prostu do obracania dobrze wyważonego koła, przechowując ją w ten sposób jako energię kinetyczną, którą można wykorzystać do poruszania się lub wytwarzania energii elektrycznej.
   
8. Przepływ baterii – Jest to elektrochemiczny system magazynowania, w którym elektrolity znajdują się w różnych zbiornikach i muszą przepływać z całkowicie naładowanego zbiornika do pustego zbiornika. Następnie, aby naładować elektrolity, wystarczy odwrócić przepływ. Dzięki tej metodzie można uzyskać bardzo wydajne akumulatory, ponieważ dwa elektrolity oddziałują na siebie poprzez membranę, którą można skalować w szerokim zakresie.
   
9. Materiały zmieniające fazę – Materiały te absorbują energię podczas topienia, a następnie oddają ją podczas zestalania. Idealnie nadają się do magazynowania energii cieplnej w ściśle określonych temperaturach.

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

Wniosek

Dotarliśmy do końca eksploracji baterii piaskowych i ich potencjału gospodarczego. I jak zapewne zauważyłeś, oferują one wiele możliwości.

Od dostarczania ciepła społecznościom po wytwarzanie energii elektrycznej, niska cena piasku krzemionkowego sprawia, że ​​jest on obiecującym medium dla przyszłych projektów energetycznych.