Что такое песочные батареи? Все, что Вам нужно знать

Новость о песчаной батарее из Финляндии недавно попала в заголовки новостей, хотя эта система только накапливала и выделяла тепло.

Аккумулирование тепла — не новая технология, но этот пилотный проект Проект освещает некоторые будущие возможности технологий и систем зеленой энергетики.

В этом посте рассматриваются технологии, связанные с использованием песка для хранения энергии, а также аналогичные технологии и их значение для мира.

Энергия из песка?

Природный песок обладает многими качествами, которые делают его идеальной средой для хранения тепловой энергии. Вы можете без проблем нагреть его до температуры выше 1,000 °C (1,832 °F), и он может удерживать это тепло в течение нескольких дней, недель и даже месяцев с минимальными потерями.

Если вы считаете, что батарея является средством хранения энергии, которая была произведена в определенное время, чтобы ее можно было использовать в другое время, то песок, который нагревается с помощью электроэнергии для хранения и последующего использования, является батареей.

Вирусная песчаная батарея из Финляндии

В западном финском районе Канкаанпяя находится запатентованная система накопления тепла, разработанная Полярная ночь. Он использует избыточную электроэнергию из возобновляемых источников для нагрева песка в бункере высотой 7 метров и шириной 4 метра до 600 ° C (1,112 ° F) для хранения и последующего использования в сети централизованного теплоснабжения.

Здесь важно помнить несколько вещей. Во-первых, используемая энергия представляет собой избыточное производство из возобновляемых источников, таких как ветер и солнечная энергия. Это устраняет любые объективные сравнения с другими системами хранения энергии для коммерческих целей.

Во-вторых, система используется исключительно для хранения и доставки тепла, то есть электрическая энергия преобразуется в тепло и хранится в песке. Затем, когда это необходимо, тепло извлекается и распределяется по домам и фабрикам, где оно необходимо.

В-третьих, природный песок может содержать довольно внушительное количество энергии. Например, эта финская батарея «Полярная ночь» вмещает 100 тонн песка при температуре около 600 градусов по Цельсию, что дает в общей сложности 8 МВтч запасенной энергии при тепловой мощности 100 кВт. Это делает песок безумно дешевым носителем энергии без причудливых технологий, установок или опасных требований.

О сезонном хранении тепловой энергии

Сезонное хранение тепловой энергии, сокращенно STES, существует уже очень давно. В простейшей форме вы можете собирать горячую воду с крыши летом и сохранять ее в подземном резервуаре, который затем можно использовать для отопления зимой.

Однако большинство систем STES сохраняют тепло при температуре ниже 100°C, что делает их подходящими для отопления домов и офисов, но менее подходящими для других промышленных целей или производства электроэнергии.

Метод прост: вы подвергаете любую среду, которая может улавливать и удерживать тепло, источнику излучения, такому как солнце, промышленные тепловые отходы и так далее. Эффективность системы зависит от способа теплообмена и его эффективности.

Далее вам придется хранить нагретую среду в изолированном корпусе, чтобы свести к минимуму потери энергии. Некоторые корпуса могут хорошо удерживать тепло в течение многих месяцев.

Наконец, накопительная среда откачивается зимой для обогрева домов и офисов, пропуская ее через другой теплообмен, такой как радиаторный обогреватель. Общие материалы, используемые в качестве среды хранения STES, включают воду, нефть, почву, гидраты солей и т. Д.

Популярные способы использования накопленной тепловой энергии

Сохраненная тепловая энергия имеет множество применений, в зависимости от предполагаемого применения. Вот самые популярные из них:

1. Отопление домов и офисов – Аккумулированное тепло может легко обеспечить обогрев жилых и рабочих помещений зимой.
   
2. Горячее водоснабжение – Тепло также может передаваться для обеспечения всегда готовой горячей воды для повседневного использования.
   
3. Промышленное применение – Горячая вода используется для широкого спектра промышленных применений, от смешивания до очистки, пищевой промышленности, приготовления растворителей, стерилизации и многого другого.
   
4. Производство электроэнергии  – Вы также можете использовать накопленную тепловую энергию для нагрева воды до пара и использовать ее для привода турбин, которые, в свою очередь, приводят в действие генераторы переменного тока, вырабатывающие электроэнергию.

Экономика песочной батареи

Вода может хранить больше энергии по сравнению с песком, но она становится нестабильной при температуре от 100°C (212°F) и выше, в то время как песок может легко выдерживать температуру 600°C (1112°F).

Вода также сохраняет свою тепловую энергию дольше, чем песок, что делает воду лучшей средой для сезонного хранения энергии. Однако, если вы рассматриваете возможность использования тепла в течение нескольких часов или всего нескольких дней, то песок снова становится лучшим вариантом. Он идеально подходит для дополнения прерывистых источников энергии, таких как солнечная фотоэлектрическая энергия и ветер.

Возвращаясь к финской песчаной батарее, стальной контейнер высотой 7 метров рассчитан на 100 тонн песка, которые содержат до 8 МВтч энергии.

Для сравнения, средний дом в США потребляет около 10 МВтч энергии в год, в то время как в Европе это число варьируется от 2 МВтч в Румынии до 9 МВтч в Швеции. Кроме того, 30-50% энергии расходуется на отопление зимой.

Это означает, что 7-метровый песчаный резервуар может производить достаточно энергии для обогрева нескольких домов зимой, в зависимости от вашего местоположения. Но это было бы непрактичным применением в городских центрах с плотным населением, учитывая его размер.

С другой стороны, преобразование его тепловой мощности в 100 кВт в электричество при 30% может производить достаточно энергии для более чем 20 домов в течение дня и гораздо большего количества домов ночью.

Таким образом, правильно оптимизированная песочная батарея, которая стоит около 5 долларов за кВтч, может стать отличной альтернативой нынешней стоимости более 100 долларов за кВтч для свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторных систем. Да, это может быть больше, но это намного дешевле.

Песчаные батареи для производства электроэнергии

Хранение тепловой энергии для последующего использования в производстве электроэнергии является проверенной и надежной технологией, которая была реализована в Концентрированная солнечная энергия (CSP) проектов на десятилетия.

Энергия в современной системе CSP улавливается за счет концентрации сотен или тысяч зеркал в одной печи. Затем эти зеркала отслеживают движение солнца в течение дня, чтобы гарантировать постоянный нагрев печи до 565°C (1,049°F).

Установки CSP часто бывают очень большими, занимая площадь в миллионы квадратных футов (~ 1 + км2), с солнечными приемниками в центре и мощностью выработки электроэнергии в диапазоне 100+ мегаватт.

Расплавленная смесь солей с 60% нитрата натрия и 40% нитрата калия используется для хранения энергии в системах CSP для ночного производства. Однако, в отличие от песчаной батареи, эта смесь солей плавится при высоких температурах, что делает ее текучей.

И CSP, и системы с песчаными батареями преобразуют солнечную энергию в тепловую с примерно одинаковой эффективностью 15-20%. Но в то время как системы CSP с расплавленной солью имеют КПД около 50% при преобразовании аккумулированного тепла в электричество, финская песчаная батарея имеет теоретический КПД 20-25%.

Системы CSP коммерчески жизнеспособны, поэтому, если вы сможете настроить эту финскую батарею, чтобы получить эффективность преобразования тепла в электричество выше 30%, тогда она может стать жизнеспособной технологией для дешевого хранения и подачи возобновляемой электроэнергии.

Похожие технологии хранения

Есть много других форм хранения энергии, каждая со своими плюсами и минусами. К наиболее популярным типам относятся:

1. Электрохимическое накопление энергии — Как и в случае с батареями, здесь используется разность потенциалов между двумя элементами для хранения и высвобождения энергии с помощью обратимых электрохимических реакций.
   
2. Хранение механической энергии — Это включает в себя различные методы, в том числе использование маховиков и пружин, а также гравитационные системы, которые накапливают энергию в объекте, поднимая его лебедкой и увеличивая его высоту.
   
3. Хранилище энергии в расплавленной соли (MSES) – Хранение здесь термическое, например, с использованием комбинации 60% нитрата натрия и 40% нитрата калия.
   
4. Термальная горячая вода – Этот метод может хранить до 6кВтч энергии в баке с горячей водой на 50 литров.
   
5. Гидронасос – Самый дешевый вид хранения энергии. Однако его главная проблема заключается в ограниченных местах, где его можно реализовать.
   
6. Сжатый воздух – Как и в случае с гидросистемой, этот метод просто сжимает воздух для накопления энергии. Затем, когда вам нужна энергия, вы выпускаете сжатый воздух для питания турбины.
   
7. Маховик – Вы просто используете энергию, чтобы вращать хорошо сбалансированное колесо, тем самым сохраняя ее в виде кинетической энергии, которую можно использовать либо для передвижения, либо для выработки электроэнергии.
   
8. Проточная батарея – Это электрохимическая система хранения, в которой электролиты находятся в разных резервуарах и должны перетекать из полностью заряженного резервуара в пустой зарядный резервуар. Затем, чтобы зарядить электролиты, вы просто меняете направление потока. Этот метод позволяет производить очень мощные батареи, поскольку два электролита взаимодействуют через мембрану, которую можно масштабировать в широких пределах.
   
9. Материалы с фазовым переходом – Эти материалы поглощают энергию при плавлении, а затем отдают ее при затвердевании. Они идеально подходят для хранения тепловой энергии при точных температурах.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Заключение

Мы подошли к концу исследования песчаных батарей и их экономического потенциала. И, как вы, должно быть, поняли, они предлагают много возможностей.

Низкая дешевизна кварцевого песка, от обеспечения населения теплом до производства электроэнергии, делает его многообещающим материалом для будущих энергетических проектов.