Co to są baterie piaskowe? Wszystko co musisz wiedzieć

Wiadomości o baterii do piasku z Finlandii pojawiły się ostatnio na pierwszych stronach gazet, chociaż system ten tylko magazynował i uwalniał ciepło.

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

W tym poście przyjrzymy się technologii otaczającej piasek do przechowywania energii, a także podobnym technologiom i ich znaczeniu dla świata.

Energia z piasku?

Piasek naturalny posiada wiele właściwości, które czynią go idealnym medium do magazynowania energii cieplnej. Można go bez problemu podgrzać do temperatury powyżej 1000 ° C (1832 ° F) i może utrzymywać to ciepło przez dni, tygodnie, a nawet miesiące przy minimalnych stratach.

Jeśli weźmiemy pod uwagę, że bateria jest sposobem na przechowywanie energii, która została wytworzona w określonym czasie, aby mogła być użyta w innym czasie, to piasek ogrzewany energią elektryczną do przechowywania i późniejszego wykorzystania jest baterią.

Wirusowa bateria piaskowa z Finlandii

W zachodniej fińskiej dzielnicy Kankaanpaa znajduje się opatentowany system magazynowania energii cieplnej opracowany przez Polar Night. Wykorzystuje nadmiar energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych do podgrzewania piasku w silosie o wysokości 7 metrów i szerokości 4 metrów do temperatury 600°C (1112°F) w celu magazynowania i późniejszego wykorzystania w sieci ciepłowniczej.

Należy pamiętać o kilku rzeczach. Po pierwsze, wykorzystywana energia to nadwyżka produkcji ze źródeł odnawialnych, takich jak wiatr i słońce. Eliminuje to obiektywne porównania z innymi systemami magazynowania energii w celach komercyjnych.

Po drugie, system służy wyłącznie do magazynowania i dostarczania ciepła – czyli energia elektryczna jest zamieniana na 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 dość imponującą ilość energii. Na przykład ta fińska bateria Polar Night mieści 100 ton piasku o 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 bez wymyślnych technologii, instalacji i niebezpiecznych wymagań.

O sezonowym magazynowaniu energii cieplnej

Sezonowe magazynowanie energii cieplnej, w skrócie STES, istnieje od bardzo dawna. W najprostszej postaci można było latem zbierać ciepłą wodę z dachu i przechowywać ją w podziemnym zbiorniku, który następnie można wykorzystać do ogrzewania zimą.

Jednak większość systemów STES przechowuje 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 każde medium, które może zatrzymać i zatrzymać ciepło na źródło promieniowania, takie jak słońce, przemysłowe odpady cieplne i tak dalej. Sprawność systemu zależy od sposobu wymiany ciepła i jego sprawności.

Następnie będziesz musiał przechowywać ogrzewane medium w izolowanej obudowie, aby zminimalizować straty energii. Niektóre obudowy mogą dobrze utrzymywać ciepło przez wiele miesięcy.

Wreszcie, czynnik magazynujący jest wypompowywany zimą, aby zapewnić ogrzewanie domów i biur, przepuszczając go przez inny wymiennik ciepła, taki jak grzejnik grzejnikowy. Typowe materiały używane jako nośniki STES to woda, olej, gleba, hydraty soli i tak dalej.

Popularne zastosowania zmagazynowanej energii cieplnej

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

1. Ogrzewanie domów i biur — zmagazynowane źródła ciepła mogą z łatwością zapewnić ogrzewanie pomieszczeń mieszkalnych i roboczych zimą.
   
2. Gorąca woda – ciepło może również zostać przeniesione, aby zapewnić zawsze gotową gorącą wodę do codziennego użytku.
   
3. Zastosowania przemysłowe — gorąca woda jest wykorzystywana w wielu różnych zastosowaniach przemysłowych, od mieszania po czyszczenie, przetwarzanie żywności, wytwarzanie rozpuszczalników, sterylizację i wiele innych.
   
4. Produkcja energii elektrycznej – Możesz również wykorzystać zmagazynowaną energię cieplną do podgrzewania wody do pary i napędzać turbiny, które z kolei napędzają alternatory wytwarzające energię elektryczną.

Ekonomia baterii piasku

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

Woda będzie również dłużej zachowywać swoją energię cieplną niż piasek, co sprawia, że ​​woda jest lepszym medium do sezonowego magazynowania energii. Jeśli jednak rozważasz zastosowanie, które zużywa ciepło w ciągu kilku godzin lub zaledwie kilku dni, piasek staje się ponownie najlepszą opcją. Doskonale nadaje się do uzupełniania nieciągłych źródeł energii, takich jak fotowoltaika słoneczna i wiatr.

Wracając do fińskiej baterii do piasku, stalowy kontener o wysokości 7 metrów jest zaprojektowany na 100 ton piasku, który może pomieścić do 8 MWh 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 zużywa się na ogrzewanie przez zimę.

Oznacza to, że zbiornik z piaskiem o wysokości 7 metrów może wytworzyć wystarczającą moc do ogrzania kilku domów przez zimę, w zależności od lokalizacji. Ale byłoby to niepraktyczne zastosowanie w ośrodkach miejskich o gęstej populacji, biorąc pod uwagę jej wielkość.

Z drugiej strony przekształcenie jego mocy grzewczej o mocy 100 kW na energię elektryczną o wartości 30% może wytworzyć wystarczającą moc dla ponad 20 domów w ciągu dnia i wielu innych domów w nocy.

Tak więc, odpowiednio zoptymalizowana, bateria piaskowa, która kosztuje około 5 USD za kWh pojemności, może być świetną alternatywą dla obecnych 100 USD + 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 od dziesięcioleci jest wdrażana w projektach skoncentrowanej energii słonecznej (CSP).

Energia w nowoczesnym systemie CSP jest uwięziona przez skupienie setek lub tysięcy luster w jednym piecu. Zwierciadła te następnie śledzą słońce w ciągu dnia, aby zagwarantować stałe ciepło w piecu do 565°C (1049°F).

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

Mieszanina stopionych soli z 60% azotanem sodu i 40% azotanem potasu służy do przechowywania energii w systemach CSP do nocnego wytwarzania. Jednak w przeciwieństwie do baterii piaskowej ta mieszanina soli topi się w wysokich temperaturach, dzięki czemu płynie jak płyn.

Zarówno systemy CSP, jak i baterie piaskowe przetwarzają energię słoneczną na energię cieplną z mniej więcej równą wydajnością 15-20%. Ale podczas gdy systemy stopionej soli CSP mają około 50% wydajność konwersji zmagazynowanego ciepła na energię elektryczną, fińska bateria do piasku ma teoretyczną wydajność 20-25%.

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

Podobne technologie pamięci masowej

Istnieje wiele innych form magazynowania energii, z których każda ma swoje zalety i wady. Najpopularniejsze typy to:

1. Elektrochemiczne magazynowanie energii – Jak można znaleźć w bateriach, wykorzystuje to różnicę potencjałów między dwoma elementami do przechowywania i uwalniania energii za pomocą odwracalnych reakcji elektrochemicznych.
   
2. Mechaniczne magazynowanie energii – Obejmuje to różne metody, w tym użycie kół zamachowych i sprężyn, a także systemów grawitacyjnych, które przechowują energię w obiekcie poprzez wciąganie go i zwiększanie jego wysokości.
   
3. Magazynowanie energii stopionej soli (MSES) – tutaj magazynowanie jest termiczne, na przykład przy użyciu kombinacji 60% azotanu sodu i 40% azotanu potasu.
   
4. Ciepła woda termalna — ta metoda może przechowywać do 6 kWh energii w zbiorniku ciepłej wody o pojemności 50 galonów.
   
5. Hydropompowane – Najtańsza forma magazynowania energii. Jego głównym problemem są jednak ograniczone lokalizacje, w których można go wdrożyć.
   
6. Sprężone powietrze – podobnie jak w przypadku hydro, ta metoda po prostu spręża powietrze w celu magazynowania energii. Następnie, gdy potrzebujesz energii, uwalniasz sprężone powietrze do zasilania turbiny.
   
7. Koło zamachowe – po prostu wykorzystujesz energię do obracania dobrze wyważonym kołem, przechowując ją w ten sposób jako energię kinetyczną, która może być wykorzystana do poruszania się lub generowania energii elektrycznej.
   
8. Akumulator przepływowy – Jest to elektrochemiczny system magazynowania, w którym elektrolity znajdują się w różnych zbiornikach i muszą przepływać z w pełni naładowanego zbiornika do pustego zbiornika. Następnie, aby naładować elektrolity, wystarczy odwrócić przepływ. Ta metoda może wytwarzać bardzo mocne akumulatory, ponieważ dwa elektrolity oddziałują przez membranę, którą można intensywnie skalować.
   
9. Materiały zmiennofazowe — materiały te pochłaniają energię podczas topienia, a następnie oddają ją, gdy się zestalają. Idealnie nadają się do magazynowania energii cieplnej w ściśle określonych temperaturach.

Często zadawane pytania (FAQ)

Wniosek

Dotarliśmy do końca eksploracji baterii piaskowych i ich potencjału gospodarczego. A jak zapewne zdałeś sobie sprawę, oferują wiele możliwości.

Od dostarczania ciepła dla społeczności po wytwarzanie energii elektrycznej, taniość piasku kwarcowego sprawia, że ​​jest on obiecującym medium dla przyszłych projektów energetycznych.