Vad är sandbatterier? Allt du behöver veta

Nyheter om ett sandbatteri från Finland fick nyligen rubriken, även om det systemet bara lagrade och släppte ut värme.

Termisk värmelagring är ingen ny teknik, men detta pilotprojekt belyser några av de framtida möjligheterna med grön energiteknik och -system.

Det här inlägget tittar på tekniken kring sand för energilagring, såväl som liknande tekniker, och vad de betyder för världen.

Energi från sand?

Natursand har många egenskaper som gör den till ett idealiskt medium för lagring av värmeenergi. Du kan värma den till temperaturer över 1,000 1,832 °C (XNUMX XNUMX °F) utan problem och den kan hålla värmen i dagar, veckor och till och med månader med minimal förlust.

Om du anser att ett batteri är ett sätt att lagra energi som producerades vid en viss tidpunkt, så det kan användas vid en annan tidpunkt, så är sand som värms upp med elektrisk energi för lagring och senare användning, ett batteri.

Det virala sandbatteriet från Finland

I den västra finska stadsdelen Kankaanpää ligger ett patenterat värmelagringsenergisystem utvecklat av Polarnatt. Den använder överskott av elektrisk energi från förnybara källor för att värma sand i en 7 meter hög och 4 meter bred silo upp till 600°C (1,112 XNUMX°F) för lagring och senare användning i fjärrvärmenätet.

Några saker är viktiga att tänka på här. För det första är energin som används överskottsproduktion från förnybara källor som vind och sol. Detta tar bort alla objektiva jämförelser med andra energilagringssystem för kommersiella ändamål.

För det andra används systemet enbart för termisk lagring och leverans – det vill säga att den elektriska energin omvandlas till värme och lagras i sanden. Sedan, vid behov, utvinns värmen och distribueras till bostäder och fabriker där den behövs.

För det tredje kan naturlig sand innehålla en ganska imponerande mängd energi. Till exempel rymmer detta finska Polar Night-batteri 100 ton sand vid cirka 600 Celsius, för totalt 8MWh lagrad energi vid en uppvärmningskapacitet på 100kW. Detta gör sand till ett vansinnigt billigt energilagringsmedium utan snygga tekniker, installationer eller farliga krav.

Om säsongsbetonad termisk energilagring

Seasonal Thermal Energy Storage eller STES för kort, har funnits väldigt länge. I sin enklaste form kan du samla upp varmvatten från taket under sommaren och spara det i en underjordisk tank som du sedan kan använda för uppvärmning under vintern.

De flesta STES-system lagrar dock värme vid mindre än 100°C, vilket gör dem okej för uppvärmning av hem och kontor, men mindre idealiska för andra industriella användningar eller kraftgenerering.

Metoden är enkel, man utsätter vilket medium som helst som kan fånga in och hålla värme för en strålningskälla, som solen, industriellt värmeavfall och så vidare. Systemets effektivitet beror på värmeväxlingsmetoden och dess effektivitet.

Därefter måste du förvara det uppvärmda mediet i en isolerad kapsling för att minimera energiförlusten. Vissa kapslingar kan hålla värmen bra i många månader.

Slutligen pumpas lagringsmediet ut under vintern för att ge uppvärmning till bostäder och kontor genom att passera det genom en annan värmeväxlare, såsom en radiatorvärmare. Vanliga material som används som STES-lagringsmedier inkluderar vatten, olja, jord, salthydrater och så vidare.

Populär användning av lagrad termisk energi

Lagrad termisk energi har många användningsområden, beroende på den avsedda användningen. Här är de mest populära:

1. Uppvärmning av bostäder och kontor – Lagrad termisk värme kan enkelt ge uppvärmning för bostads- och arbetsutrymmen på vintern.
   
2. VARMVATTEN – Värmen kan också överföras för att ge alltid redo varmvatten för dagligt bruk.
   
3. Industrial Applications – Varmvatten används för ett brett spektrum av industriella tillämpningar, från blandning till rengöring, livsmedelsbearbetning, framställning av lösningsmedel, sterilisering och mycket mer.
   
4. Elproduktion  – Man kan också använda lagrad värmeenergi för att värma vatten till ånga och låta den driva turbiner, som i sin tur driver generatorer som producerar el.

Ekonomin med ett sandbatteri

Vatten kan lagra mer energi jämfört med sand, men det blir instabilt från 100°C (212°F) och uppåt, medan sand lätt kan innehålla 600°C (1112°F) temperaturer.

Vatten kommer också att behålla sin värmeenergi längre än sand, vilket gör vatten till ett bättre medium för säsongsbunden energilagring. Men om du funderar på en applikation som förbrukar värmen inom några timmar eller bara några dagar, så blir sand ett toppalternativ igen. Den är perfekt för att komplettera intermittenta energikällor som PV sol och vind.

Tillbaka till det finska sandbatteriet, den 7 meter höga stålbehållaren är designad för 100 ton sand, som rymmer upp till 8MWh energi.

För att sätta det i perspektiv använder ett genomsnittligt hus i USA cirka 10MWh energi per år, medan det antalet varierar i Europa från cirka 2MWh i Rumänien till 9MWh i Sverige. Dessutom går 30-50 % av energin åt till uppvärmning genom vintern.

Det betyder att en 7 meter hög sandreservoar kan producera tillräckligt med ström för att värma upp några hem genom vintern, och beroende på var du befinner dig. Men det skulle vara en opraktisk tillämpning i stadskärnor med en tät befolkning, med tanke på dess storlek.

Att konvertera sin 100kW uppvärmningskapacitet till el med 30 % kan å andra sidan producera tillräckligt med ström för över 20 hem under dagen och många fler hem på natten.

Så, korrekt optimerat, kan ett sandbatteri som kostar cirka $ 5 per kWh kapacitet vara ett bra alternativ till den nuvarande $ 100+ per kWh kostnad för bly-syra och litiumjon batterisystem. Ja, det kan vara skrymmande, men det är mycket billigare.

Sandbatterier för elproduktion

Lagring av värmeenergi för senare användning i elproduktion är en beprövad och pålitlig teknik som har implementerats i Koncentrerad solenergi (CSP) projekt i decennier.

Energi i ett modernt CSP-system fångas genom att koncentrera hundratals eller tusentals speglar i en enda ugn. Dessa speglar spårar sedan solen genom dagen för att garantera konstant värme vid ugnen upp till 565°C (1,049 XNUMX°F).

CSP-installationer är ofta mycket stora och sträcker sig över miljontals kvadratfot (~1+km2) i yta, med deras solcellsmottagare i centrum och elektriska genererande kapaciteter i intervallet 100+ megawatt.

En smält saltblandning med 60 % natriumnitrat och 40 % kaliumnitrat används för att lagra energi i CSP-system för generering under natten. Till skillnad från sandbatteriet smälter dock denna saltblandning vid höga temperaturer för att få den att flyta som en vätska.

Både CSP- och sandbatterisystem omvandlar solenergi till värmeenergi med ungefär lika verkningsgrader på 15-20%. Men medan CSP smältsaltsystem har cirka 50 % effektivitet när det gäller att omvandla den lagrade värmen till elektricitet, har det finska sandbatteriet en teoretisk verkningsgrad på 20-25 %.

CSP-system är kommersiellt gångbara, så om du kan justera det här finska batteriet så att det kommer över 30 % värme-till-el-konverteringseffektivitet, kan det bli en hållbar teknik för att billigt lagra och leverera förnybar el.

Liknande lagringstekniker

Det finns många andra former av energilagring, var och en med sina för- och nackdelar. De mest populära typerna inkluderar:

1. Elektrokemisk energilagring – Som du skulle hitta i batterier utnyttjar detta potentialskillnaden mellan två element för att lagra och frigöra energi med hjälp av reversibla elektrokemiska reaktioner.
   
2. Mekanisk energilagring – Det handlar om olika metoder inklusive användning av svänghjul och fjädrar, samt gravitationssystem som lagrar energi i ett objekt genom att vinscha upp det och öka dess höjd.
   
3. Melten Salt Energy Storage (MSES) – Lagringen här är termisk, till exempel genom att använda en kombination av 60 % natriumnitrat och 40 % kaliumnitrat.
   
4. Termiskt varmt vatten – Denna metod kan lagra upp till 6kWh energi i en 50-liters varmvattentank.
   
5. Pumpad Hydro – Den billigaste formen av energilagring. Dess största problem är dock de begränsade platserna där det kan implementeras.
   
6. Komprimerad luft – I likhet med hydro, komprimerar denna metod helt enkelt luft för att lagra energi. Sedan när du behöver energin släpper du ut den komprimerade luften för att driva en turbin.
   
7. svänghjul – Du använder helt enkelt energi för att rotera ett välbalanserat hjul och lagrar det som kinetisk energi som antingen kan användas för rörelse eller elkraft.
   
8. Flödesbatteri – Det här är ett elektrokemiskt lagringssystem där elektrolyterna finns i olika tankar och måste strömma från en fulladdad tank till en tom laddtank. För att sedan ladda elektrolyterna vänder du helt enkelt flödet. Denna metod kan producera mycket kraftfulla batterier eftersom de två elektrolyterna interagerar genom ett membran som du kan skala mycket.
   
9. Fasförändringsmaterial – Dessa material absorberar energi när de smälter och ger sedan bort den när de stelnar. De är idealiska för att lagra värmeenergi vid exakta temperaturer.

Vanliga frågor (FAQ)

Slutsats

Vi har nått slutet av denna utforskning av sandbatterier och deras ekonomiska potential. Och som du måste ha insett erbjuder de många möjligheter.

Från att tillhandahålla värme till samhällen till elproduktion, smutsbilligheten hos kiseldioxidsand gör det till ett lovande medium för framtida energiprojekt.