Kaj so peščene baterije? Vse, kar morate vedeti

Novica o peščeni bateriji iz Finske je pred kratkim prišla na naslovnico, čeprav je ta sistem samo hranil in oddajal toploto.

Shranjevanje toplote ni nova tehnologija, vendar ta pilotni projekt poudarja nekatere prihodnje možnosti tehnologij in sistemov zelene energije.

Ta objava obravnava tehnologijo, ki obkroža pesek za shranjevanje energije, kot tudi podobne tehnologije in njihov pomen za svet.

Energija iz peska?

Naravni pesek ima številne lastnosti, zaradi katerih je idealen medij za shranjevanje toplotne energije. Brez težav ga lahko segrejete na temperature nad 1,000 °C (1,832 °F) in to toploto lahko zadrži dneve, tedne in celo mesece z minimalnimi izgubami.

Če menite, da je baterija sredstvo za shranjevanje energije, ki je bila proizvedena ob določenem času, da bi jo lahko uporabili ob drugem času, potem je pesek, ki se segreje z električno energijo za shranjevanje in kasnejšo uporabo, baterija.

Virusna peščena baterija iz Finske

V zahodnem finskem okrožju Kankaanpää leži patentiran sistem za shranjevanje toplote, ki ga je razvil Polarna noč. Odvečno električno energijo iz obnovljivih virov uporablja za segrevanje peska v 7 metrov visokem in 4 metre širokem silosu do 600 °C (1,112 °F) za shranjevanje in kasnejšo uporabo v omrežju daljinskega ogrevanja.

Tu je pomembno upoštevati nekaj stvari. Prvič, uporabljena energija je presežna proizvodnja iz obnovljivih virov, kot sta veter in sonce. To odpravlja vse objektivne primerjave z drugimi sistemi za shranjevanje energije v komercialne namene.

Drugič, sistem se uporablja izključno za toplotno shranjevanje in dostavo – to pomeni, da se električna energija pretvori v toploto in shrani v pesek. Nato se po potrebi toplota odvzame in razdeli v domove in tovarne, kjer je potrebna.

Tretjič, naravni pesek lahko vsebuje precej impresivno količino energije. Na primer, ta finska baterija Polar Night zadrži 100 ton peska pri približno 600 Celzija, kar pomeni skupno 8 MWh shranjene energije pri 100 kW ogrevalne zmogljivosti. Zaradi tega je pesek noro poceni medij za shranjevanje energije brez modnih tehnologij, naprav ali nevarnih zahtev.

O sezonskem shranjevanju toplotne energije

Sezonsko shranjevanje toplotne energije ali na kratko STES obstaja že zelo dolgo. V najpreprostejši obliki lahko poleti zbirate toplo vodo s strehe in jo shranjujete v podzemnem rezervoarju, ki ga lahko nato pozimi uporabljate za ogrevanje.

Večina sistemov STES pa hrani toploto pri manj kot 100 °C, zaradi česar so primerni za ogrevanje domov in pisarn, vendar manj idealni za druge industrijske namene ali proizvodnjo električne energije.

Metoda je preprosta, kateri koli medij, ki lahko ujame in zadrži toploto, izpostavite viru sevanja, kot je sonce, industrijska odpadna toplota itd. Učinkovitost sistema je odvisna od načina izmenjave toplote in njegove učinkovitosti.

Nato boste morali ogreti medij shraniti v izoliranem ohišju, da zmanjšate izgubo energije. Nekatera ohišja lahko dobro zadržujejo toploto več mesecev.

Nazadnje se medij za shranjevanje pozimi izčrpa, da se zagotovi ogrevanje domov in pisarn, tako da se prenese skozi drugo izmenjavo toplote, kot je radiatorski grelec. Običajni materiali, ki se uporabljajo kot mediji za shranjevanje STES, vključujejo vodo, olje, prst, solne hidrate itd.

Priljubljene uporabe shranjene toplotne energije

Shranjena toplotna energija ima veliko uporab, odvisno od predvidene uporabe. Tu so najbolj priljubljeni:

1. Ogrevanje domov in pisarn – Shranjena toplota lahko pozimi zlahka ogreje bivalne in delovne prostore.
   
2. Topla voda – Toplota se lahko prenaša tudi za zagotavljanje vedno pripravljene tople vode za vsakodnevno uporabo.
   
3. Industrijske aplikacije – Vroča voda se uporablja za široko paleto industrijskih aplikacij, od mešanja do čiščenja, predelave hrane, izdelave topil, sterilizacije in še veliko več.
   
4. Proizvodnja električne energije  – Shranjeno toplotno energijo lahko uporabite tudi za segrevanje vode v paro in jo omogočite, da poganja turbine, te pa poganjajo alternatorje, ki proizvajajo električno energijo.

Ekonomika peščene baterije

Voda lahko shrani več energije v primerjavi s peskom, vendar postane nestabilna od 100 °C (212 °F) navzgor, medtem ko lahko pesek zlahka zadrži temperature 600 °C (1112 °F).

Voda bo tudi ohranila svojo toplotno energijo dlje kot pesek, zaradi česar je voda boljši medij za sezonsko shranjevanje energije. Če pa razmišljate o aplikaciji, ki porabi toploto v nekaj urah ali le nekaj dneh, potem postane pesek spet najboljša možnost. Popoln je za dopolnitev občasnih virov energije, kot sta PV sončna energija in veter.

Če se vrnemo k finski peščeni bateriji, je 7 metrov visoka jeklena posoda zasnovana za 100 ton peska, ki vsebuje do 8 MWh energije.

Če pogledamo v perspektivo, povprečen dom v ZDA porabi približno 10 MWh energije na leto, medtem ko se ta številka v Evropi giblje od približno 2 MWh v Romuniji do 9 MWh na Švedskem. Poleg tega se 30-50 % energije porabi za ogrevanje skozi zimo.

To pomeni, da lahko 7 metrov visok rezervoar peska proizvede dovolj energije za ogrevanje nekaj domov čez zimo in odvisno od vaše lokacije. Toda glede na njegovo velikost bi bila uporaba v mestnih središčih z gosto poselitvijo nepraktična.

Po drugi strani pa pretvorba njegove ogrevalne zmogljivosti 100 kW v električno energijo pri 30 % lahko proizvede dovolj energije za več kot 20 domov podnevi in ​​veliko več domov ponoči.

Tako je lahko peščena baterija, ki stane približno 5 USD na kWh, odlična alternativa trenutnim stroškom nad 100 USD na kWh za sisteme svinčenih in litij-ionskih baterij. Da, morda je bolj zajeten, vendar je veliko cenejši.

Peščene baterije za proizvodnjo električne energije

Shranjevanje toplotne energije za kasnejšo uporabo pri proizvodnji električne energije je preverjena in zanesljiva tehnologija, ki je bila implementirana v Koncentrirana sončna energija (CSP) projektov že desetletja.

Energija v sodobnem sistemu CSP se ujame s koncentracijo na stotine ali tisoče ogledal v eni sami peči. Ta zrcala nato sledijo soncu čez dan, da zagotovijo stalno toploto v peči do 565 °C (1,049 °F).

Inštalacije CSP so pogosto zelo velike, obsegajo milijone kvadratnih čevljev (~1+km2) površine, s svojimi sončnimi sprejemniki v središču in zmogljivostjo za proizvodnjo električne energije v območju 100+ megavatov.

Mešanica staljene soli s 60 % natrijevega nitrata in 40 % kalijevega nitrata se uporablja za shranjevanje energije v sistemih CSP za nočno proizvodnjo. Za razliko od peščene baterije pa se ta mešanica soli topi pri visokih temperaturah, da teče kot tekočina.

Sistemi CSP in peščenih baterij pretvarjajo sončno energijo v toplotno energijo s približno enakimi izkoristki 15-20 %. Medtem ko imajo sistemi s staljeno soljo CSP približno 50-odstotno učinkovitost pri pretvarjanju shranjene toplote v električno energijo, ima finska peščena baterija teoretično 20-25-odstotno učinkovitost.

Sistemi CSP so komercialno sposobni preživeti, tako da če lahko prilagodite to finsko baterijo, da doseže več kot 30-odstotno učinkovitost pretvorbe toplote v električno energijo, potem lahko postane izvedljiva tehnologija za poceni shranjevanje in dobavo obnovljive električne energije.

Podobne tehnologije shranjevanja

Obstaja veliko drugih oblik shranjevanja energije, vsaka s svojimi prednostmi in slabostmi. Najbolj priljubljene vrste vključujejo:

1. Shranjevanje elektrokemijske energije – Kot bi našli pri baterijah, to izkorišča potencialno razliko med dvema elementoma za shranjevanje in sproščanje energije z uporabo reverzibilnih elektrokemičnih reakcij.
   
2. Mehansko shranjevanje energije – To vključuje različne metode, vključno z uporabo vztrajnikov in vzmeti, pa tudi gravitacijskih sistemov, ki shranjujejo energijo v objektu tako, da ga dvignejo in povečajo njegovo nadmorsko višino.
   
3. Shranjevanje energije s staljeno soljo (MSES) – Tukaj je skladiščenje toplotno, na primer z uporabo kombinacije 60 % natrijevega nitrata in 40 % kalijevega nitrata.
   
4. Termalna topla voda – Ta metoda lahko shrani do 6kWh energije v 50-litrskem rezervoarju za toplo vodo.
   
5. Črpalka Hydro – Najcenejša oblika shranjevanja energije. Njegova glavna težava pa so omejene lokacije, kjer se lahko izvaja.
   
6. Stisnjen zrak – Podobno kot hidroelektrarne, ta metoda preprosto stisne zrak za shranjevanje energije. Potem, ko potrebujete energijo, sprostite stisnjen zrak za pogon turbine.
   
7. vztrajnik – Preprosto uporabite energijo za vrtenje dobro uravnoteženega kolesa in jo shranite kot kinetično energijo, ki se lahko uporabi za premikanje ali proizvodnjo električne energije.
   
8. Pretočna baterija – To je elektrokemični sistem za shranjevanje, kjer so elektroliti v različnih rezervoarjih in morajo teči iz popolnoma napolnjenega rezervoarja v prazen rezervoar za polnjenje. Nato za polnjenje elektrolitov preprosto obrnete tok. S to metodo lahko proizvedete zelo zmogljive baterije, saj elektrolita medsebojno delujeta skozi membrano, ki jo lahko obsežno spreminjate.
   
9. Materiali za spremembo faze – Ti materiali absorbirajo energijo, ko se stopijo, nato pa jo oddajo, ko se strdijo. Idealne so za shranjevanje toplotne energije pri točno določenih temperaturah.

Pogosto zastavljena vprašanja (FAQ)

zaključek

Prišli smo do konca tega raziskovanja peščenih baterij in njihovega gospodarskega potenciala. In kot ste gotovo ugotovili, ponujajo veliko možnosti.

Od zagotavljanja toplote skupnostim do proizvodnje električne energije, zaradi poceni kremenčevega peska je obetaven medij za prihodnje energetske projekte.