แบตเตอรี่ทรายคืออะไร ทุกสิ่งที่คุณจำเป็นต้องรู้

ข่าวเกี่ยวกับแบตเตอรี่ทรายจากฟินแลนด์กลายเป็นข่าวพาดหัวเมื่อเร็ว ๆ นี้ แม้ว่าระบบดังกล่าวจะทำหน้าที่กักเก็บและปล่อยความร้อนเท่านั้น

การกักเก็บความร้อนไม่ใช่เทคโนโลยีใหม่ แต่โครงการนำร่องนี้เน้นย้ำถึงความเป็นไปได้ในอนาคตบางส่วนของเทคโนโลยีและระบบพลังงานสีเขียว

โพสต์นี้จะกล่าวถึงเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับทรายเพื่อการจัดเก็บพลังงาน รวมถึงเทคโนโลยีที่คล้ายคลึงกัน และความหมายของเทคโนโลยีเหล่านี้สำหรับโลก

พลังงานจากทราย?

ทรายธรรมชาติมีคุณสมบัติหลายประการที่ทำให้ทรายชนิดนี้เหมาะเป็นวัสดุสำหรับกักเก็บพลังงานความร้อน คุณสามารถให้ความร้อนได้สูงถึง 1,000°C (1,832°F) โดยไม่มีปัญหาใดๆ และสามารถกักเก็บความร้อนไว้ได้นานหลายวัน หลายสัปดาห์ หรือหลายเดือน โดยสูญเสียพลังงานเพียงเล็กน้อย

หากคุณพิจารณาว่าแบตเตอรี่เป็นเครื่องมือสำหรับจัดเก็บพลังงานที่ผลิตขึ้นในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่ง เพื่อให้สามารถนำไปใช้ในเวลาอื่นได้ ทรายที่ได้รับความร้อนจากพลังงานไฟฟ้าเพื่อจัดเก็บและนำมาใช้ในภายหลังจึงเรียกว่าแบตเตอรี่

แบตเตอรี่ทรายไวรัลจากฟินแลนด์

ในเขต Kankaanpää ทางตะวันตกของฟินแลนด์ มีระบบกักเก็บพลังงานความร้อนที่ได้รับการจดสิทธิบัตร ซึ่งพัฒนาโดย คืนขั้วโลกโดยใช้พลังงานไฟฟ้าส่วนเกินจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนเพื่อให้ความร้อนแก่ทรายในไซโลสูง 7 เมตร กว้าง 4 เมตร ที่อุณหภูมิสูงสุด 600°C (1,112°F) เพื่อการจัดเก็บและการใช้งานในภายหลังในเครือข่ายระบบทำความร้อนในเขตพื้นที่

มีบางสิ่งที่สำคัญที่ต้องคำนึงถึงในที่นี้ ประการแรก พลังงานที่ใช้เป็นพลังงานส่วนเกินจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานลมและแสงอาทิตย์ ซึ่งจะทำให้ไม่มีการเปรียบเทียบอย่างเป็นกลางกับระบบจัดเก็บพลังงานอื่นๆ เพื่อวัตถุประสงค์เชิงพาณิชย์

ประการที่สอง ระบบนี้ใช้เพื่อการเก็บและส่งมอบความร้อนเท่านั้น นั่นคือ พลังงานไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นความร้อนและเก็บไว้ในทราย จากนั้นเมื่อจำเป็น ความร้อนจะถูกสกัดและกระจายไปยังบ้านเรือนและโรงงานต่างๆ ที่ต้องการ

ประการที่สาม ทรายธรรมชาติสามารถกักเก็บพลังงานได้มากทีเดียว ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ Polar Night ของฟินแลนด์สามารถกักเก็บทรายได้ 100 ตันที่อุณหภูมิประมาณ 600 องศาเซลเซียส ซึ่งรวมแล้วสามารถเก็บพลังงานได้ 8 เมกะวัตต์ชั่วโมง โดยมีกำลังการให้ความร้อน 100 กิโลวัตต์ ซึ่งทำให้ทรายกลายเป็นสื่อกักเก็บพลังงานราคาถูกอย่างเหลือเชื่อ โดยไม่ต้องมีเทคโนโลยีล้ำสมัย การติดตั้ง หรือข้อกำหนดที่เป็นอันตราย

เกี่ยวกับการจัดเก็บพลังงานความร้อนตามฤดูกาล

ระบบกักเก็บพลังงานความร้อนตามฤดูกาล หรือเรียกสั้นๆ ว่า STES มีมานานแล้ว ในรูปแบบที่ง่ายที่สุด คุณสามารถรวบรวมน้ำร้อนจากหลังคาในช่วงฤดูร้อนและเก็บไว้ในถังเก็บน้ำใต้ดิน ซึ่งคุณสามารถใช้เพื่อให้ความร้อนในช่วงฤดูหนาวได้

อย่างไรก็ตาม ระบบ STES ส่วนใหญ่จะกักเก็บความร้อนไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100°C ซึ่งเหมาะสำหรับการให้ความร้อนในบ้านและสำนักงาน แต่ไม่เหมาะสำหรับการใช้ในอุตสาหกรรมอื่นๆ หรือการผลิตพลังงาน

วิธีการนี้ง่ายมาก เพียงคุณนำสื่อใดๆ ที่สามารถดักจับและกักเก็บความร้อนไว้กับแหล่งกำเนิดรังสี เช่น ดวงอาทิตย์ ความร้อนเสียจากอุตสาหกรรม เป็นต้น ประสิทธิภาพของระบบขึ้นอยู่กับวิธีการแลกเปลี่ยนความร้อนและประสิทธิภาพ

ขั้นต่อไป คุณจะต้องเก็บตัวกลางที่ได้รับความร้อนไว้ในตู้เก็บความร้อนแบบมีฉนวน เพื่อลดการสูญเสียพลังงาน ตู้เก็บความร้อนบางประเภทสามารถเก็บความร้อนได้ดีเป็นเวลาหลายเดือน

ในที่สุด วัสดุเก็บความร้อนจะถูกสูบออกในช่วงฤดูหนาวเพื่อให้ความอบอุ่นแก่บ้านเรือนและสำนักงานโดยส่งผ่านระบบแลกเปลี่ยนความร้อนอื่น เช่น เครื่องทำความร้อนแบบหม้อน้ำ วัสดุทั่วไปที่ใช้เป็นวัสดุเก็บความร้อน STES ได้แก่ น้ำ น้ำมัน ดิน ไฮเดรตของเกลือ และอื่นๆ

การใช้งานที่นิยมของพลังงานความร้อนที่เก็บไว้

พลังงานความร้อนที่เก็บไว้จะมีประโยชน์หลายอย่าง ขึ้นอยู่กับการใช้งานที่ต้องการ ต่อไปนี้เป็นประโยชน์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุด:

1. ระบบทำความร้อนสำหรับบ้านและสำนักงาน – ฉนวนกันความร้อนที่เก็บไว้สามารถให้ความอบอุ่นแก่พื้นที่อยู่อาศัยและทำงานในฤดูหนาวได้อย่างง่ายดาย
   
2. เครื่องทำน้ำอุ่น – สามารถถ่ายเทความร้อนได้เพื่อให้มีน้ำร้อนพร้อมใช้งานตลอดเวลาสำหรับการใช้งานในแต่ละวัน
   
3. ประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม – น้ำร้อนใช้สำหรับการใช้งานอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย เช่น การผสม การทำความสะอาด การแปรรูปอาหาร การทำตัวทำละลาย การฆ่าเชื้อ และอื่นๆ อีกมากมาย
   
4. การผลิตไฟฟ้า  – คุณยังสามารถใช้พลังงานความร้อนที่เก็บไว้เพื่อให้ความร้อนกับน้ำจนกลายเป็นไอน้ำได้ และให้พลังงานความร้อนนั้นไปขับเคลื่อนกังหัน ซึ่งจะไปขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ผลิตพลังงานไฟฟ้าในที่สุด

เศรษฐศาสตร์ของแบตเตอรี่ทราย

น้ำสามารถกักเก็บพลังงานได้มากกว่าเมื่อเทียบกับทราย แต่จะไม่เสถียรเมื่ออุณหภูมิอยู่ที่ 100°C (212°F) ขึ้นไป ขณะที่ทรายสามารถเก็บรักษาอุณหภูมิไว้ที่ 600°C (1112°F) ได้อย่างง่ายดาย

น้ำจะรักษาพลังงานความร้อนได้นานกว่าทราย ซึ่งทำให้น้ำเป็นตัวกลางที่ดีกว่าในการกักเก็บพลังงานตามฤดูกาล อย่างไรก็ตาม หากคุณกำลังพิจารณาใช้ความร้อนหมดภายในไม่กี่ชั่วโมงหรือเพียงไม่กี่วัน ทรายก็เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดอีกครั้ง ทรายเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเสริมแหล่งพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม

กลับมาที่แบตเตอรี่ทรายของฟินแลนด์ ถังเหล็กสูง 7 เมตรได้รับการออกแบบมาเพื่อบรรจุทราย 100 ตัน ซึ่งกักเก็บพลังงานได้ถึง 8MWh

หากเปรียบเทียบแล้ว บ้านทั่วไปในสหรัฐฯ ใช้พลังงานประมาณ 10 เมกะวัตต์ชั่วโมงต่อปี ในขณะที่ในยุโรป ตัวเลขจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ประมาณ 2 เมกะวัตต์ชั่วโมงในโรมาเนียไปจนถึง 9 เมกะวัตต์ชั่วโมงในสวีเดน นอกจากนี้ 30-50% ของพลังงานทั้งหมดจะถูกใช้สำหรับการทำความร้อนในช่วงฤดูหนาว

ซึ่งหมายความว่าอ่างเก็บน้ำทรายสูง 7 เมตรสามารถผลิตพลังงานได้เพียงพอสำหรับให้ความอบอุ่นแก่บ้านหลายหลังในช่วงฤดูหนาว ขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่ตั้งของคุณ แต่การใช้งานจริงในศูนย์กลางเมืองที่มีประชากรหนาแน่นอาจไม่เหมาะกับพื้นที่ขนาดใหญ่

การแปลงความสามารถในการให้ความร้อน 100 กิโลวัตต์เป็นไฟฟ้า 30% สามารถผลิตพลังงานได้เพียงพอสำหรับบ้านกว่า 20 หลังในเวลากลางวัน และอีกหลายหลังในเวลากลางคืน

ดังนั้น หากปรับให้เหมาะสมแล้ว แบตเตอรี่ทรายที่มีราคาประมาณ 5 เหรียญสหรัฐฯ ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง อาจเป็นทางเลือกที่ดีแทนแบตเตอรี่ตะกั่วกรดและลิเธียมไอออนที่มีราคา 100 เหรียญสหรัฐฯ ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงในปัจจุบันได้ แม้ว่าแบตเตอรี่ทรายอาจมีขนาดใหญ่กว่า แต่ราคาถูกกว่ามาก

แบตเตอรี่ทรายสำหรับการผลิตไฟฟ้า

การกักเก็บพลังงานความร้อนเพื่อใช้ในการผลิตไฟฟ้าในภายหลังเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับการพิสูจน์แล้วและเชื่อถือได้ซึ่งได้นำไปใช้งานแล้ว พลังงานแสงอาทิตย์แบบเข้มข้น (CSP) โครงการมานานหลายทศวรรษ

พลังงานในระบบ CSP สมัยใหม่ถูกกักเก็บโดยการรวบรวมกระจกหลายร้อยหรือหลายพันบานไว้ในเตาเผาเพียงเตาเดียว จากนั้นกระจกเหล่านี้จะติดตามแสงอาทิตย์ตลอดทั้งวันเพื่อรับประกันความร้อนคงที่ที่เตาเผาที่อุณหภูมิ 565°C (1,049°F)

การติดตั้ง CSP มักจะมีขนาดใหญ่มาก ครอบคลุมพื้นที่หลายล้านตารางฟุต (~1+กม.2) โดยมีตัวรับพลังงานแสงอาทิตย์อยู่ตรงกลางและมีความสามารถในการผลิตไฟฟ้าในช่วง 100+ เมกะวัตต์

ส่วนผสมเกลือหลอมเหลวที่มีโซเดียมไนเตรต 60% และโพแทสเซียมไนเตรต 40% จะถูกใช้เพื่อเก็บพลังงานในระบบ CSP สำหรับการผลิตในเวลากลางคืน อย่างไรก็ตาม ต่างจากแบตเตอรี่ทราย ส่วนผสมเกลือนี้จะละลายที่อุณหภูมิสูงเพื่อให้ไหลได้เหมือนของเหลว

ทั้งระบบแบตเตอรี่ CSP และแบตเตอรี่ทรายจะแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานความร้อนโดยมีประสิทธิภาพเกือบเท่ากันที่ 15-20% แต่ในขณะที่ระบบเกลือหลอมเหลว CSP มีประสิทธิภาพประมาณ 50% ในการแปลงความร้อนที่เก็บไว้เป็นไฟฟ้า แบตเตอรี่ทรายของฟินแลนด์มีประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีที่ 20-25%

ระบบ CSP มีความเหมาะสมในเชิงพาณิชย์ ดังนั้นหากคุณสามารถปรับแต่งแบตเตอรี่ฟินแลนด์นี้เพื่อให้มีประสิทธิภาพในการแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้ามากกว่า 30% ได้ ก็จะกลายเป็นเทคโนโลยีที่มีความเหมาะสมในการจัดเก็บและจัดหาพลังงานไฟฟ้าหมุนเวียนได้ในราคาถูก

เทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูลที่คล้ายกัน

มีรูปแบบการกักเก็บพลังงานอีกหลายประเภท แต่ละประเภทมีข้อดีและข้อเสียที่แตกต่างกัน ประเภทที่ได้รับความนิยมมากที่สุด ได้แก่:

1. การจัดเก็บพลังงานไฟฟ้า – เช่นเดียวกับที่คุณพบในแบตเตอรี่ สิ่งนี้จะช่วยใช้ประโยชน์จากความต่างศักย์ระหว่างสององค์ประกอบเพื่อจัดเก็บและปล่อยพลังงานโดยใช้ปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าแบบกลับได้
   
2. การจัดเก็บพลังงานกล – ซึ่งเกี่ยวข้องกับวิธีการต่างๆ มากมาย รวมถึงการใช้ล้อช่วยแรงและสปริง ตลอดจนระบบแรงโน้มถ่วงที่กักเก็บพลังงานในวัตถุด้วยการดึงขึ้นและเพิ่มระดับความสูง
   
3. ระบบกักเก็บพลังงานเกลือหลอมเหลว (MSES) – การจัดเก็บในที่นี้คือการใช้ความร้อน เช่น การใช้โซเดียมไนเตรท 60% และโพแทสเซียมไนเตรท 40% ร่วมกัน
   
4. น้ำร้อนความร้อน – วิธีนี้สามารถเก็บข้อมูลได้มากถึง พลังงาน 6kWh ในถังน้ำร้อนขนาด 50 แกลลอน
   
5. ปั๊มไฮโดร – รูปแบบการกักเก็บพลังงานที่มีราคาถูกที่สุด อย่างไรก็ตาม ปัญหาสำคัญคือสถานที่ที่สามารถนำไปใช้งานได้มีจำกัด
   
6. อัดอากาศ – วิธีนี้คล้ายกับพลังงานน้ำ โดยจะอัดอากาศเพื่อเก็บพลังงานไว้ จากนั้นเมื่อคุณต้องการพลังงาน คุณก็จะปล่อยอากาศอัดออกมาเพื่อขับเคลื่อนกังหัน
   
7. มู่เล่ – คุณเพียงใช้พลังงานเพื่อหมุนวงล้อที่สมดุล แล้วเก็บพลังงานนั้นไว้ในรูปของพลังงานจลน์ที่สามารถนำไปใช้ในการเคลื่อนที่หรือผลิตพลังงานไฟฟ้าได้
   
8. กระแสแบตเตอรี่ – นี่คือระบบจัดเก็บไฟฟ้าเคมีซึ่งอิเล็กโทรไลต์จะอยู่ในถังที่แตกต่างกันและต้องไหลจากถังที่ชาร์จเต็มไปยังถังชาร์จที่ว่างเปล่า จากนั้นเพื่อชาร์จอิเล็กโทรไลต์ คุณเพียงแค่ย้อนกลับการไหล วิธีนี้สามารถผลิตแบตเตอรี่ที่มีพลังมากได้เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์ทั้งสองทำปฏิกิริยากันผ่านเมมเบรนที่คุณสามารถปรับขนาดได้อย่างกว้างขวาง
   
9. วัสดุเปลี่ยนเฟส วัสดุเหล่านี้จะดูดซับพลังงานเมื่อหลอมละลาย จากนั้นจึงปลดปล่อยพลังงานดังกล่าวออกไปเมื่อแข็งตัว จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการจัดเก็บพลังงานความร้อนที่อุณหภูมิที่แม่นยำ

คำถามที่พบบ่อย

สรุป

เราได้มาถึงจุดสิ้นสุดของการสำรวจแบตเตอรี่ทรายและศักยภาพทางเศรษฐกิจของแบตเตอรี่เหล่านี้แล้ว และคุณคงจะทราบแล้วว่าแบตเตอรี่เหล่านี้มีความเป็นไปได้มากมาย

ตั้งแต่การให้ความร้อนแก่ชุมชนไปจนถึงการผลิตพลังงานไฟฟ้า ทรายซิลิกาซึ่งมีราคาถูกมากทำให้เป็นสื่อกลางที่มีอนาคตที่ดีสำหรับโครงการพลังงานในอนาคต