Ce sunt bateriile de nisip? Tot ce trebuie să știți

Știrile despre o baterie cu nisip din Finlanda au fost recent în știrile principale, deși acel sistem a stocat și a eliberat doar căldură.

Stocarea termică a căldurii nu este o tehnologie nouă, dar acest proiect pilot evidențiază unele dintre posibilitățile viitoare ale tehnologiilor și sistemelor de energie verde.

Această postare analizează tehnologia din jurul nisipului pentru stocarea energiei, precum și tehnologii similare și ce înseamnă acestea pentru lume.

Energie din nisip?

Nisipul natural poseda multe calitati care il fac un mediu ideal pentru stocarea energiei termice. Îl puteți încălzi la temperaturi de peste 1.000°C (1.832°F) fără probleme și poate menține acea căldură zile, săptămâni și chiar luni cu pierderi minime.

Dacă luați în considerare că o baterie este un mijloc de stocare a energiei care a fost produsă la un anumit moment, deci ar putea fi folosită la un moment diferit, atunci nisipul care este încălzit cu energie electrică pentru stocare și utilizare ulterioară, este o baterie.

Bateria virală de nisip din Finlanda

În districtul finlandez de vest Kankaanpaa se află un sistem patentat de stocare a energiei de căldură dezvoltat de Polar Night. Utilizează excesul de energie electrică din surse regenerabile pentru a încălzi nisipul într-un siloz de 7 metri înălțime și 4 metri lățime până la 600°C (1.112°F) pentru stocare și utilizare ulterioară în rețeaua de termoficare.

Câteva lucruri sunt importante de reținut aici. În primul rând, energia utilizată este generarea în exces din surse regenerabile, cum ar fi eolianul și solarul. Acest lucru elimină orice comparație obiectivă cu alte sisteme de stocare a energiei în scopuri comerciale.

În al doilea rând, sistemul este utilizat exclusiv pentru stocarea și livrarea termică - adică energia electrică este convertită în căldură și stocată în nisip. Apoi, atunci când este nevoie, căldura este extrasă și distribuită în case și fabrici unde este nevoie.

În al treilea rând, nisipul natural poate reține o cantitate destul de impresionantă de energie. De exemplu, această baterie finlandeză Polar Night deține 100 de tone de nisip la aproximativ 600 Celsius, pentru un total de 8 MWh de energie stocată la o capacitate de încălzire de 100 kW. Acest lucru face din nisip un mediu de stocare a energiei nebunește de ieftin, fără tehnologii, instalații sau cerințe periculoase.

Despre stocarea sezonieră a energiei termice

Stocarea sezonieră a energiei termice sau STES pe scurt, există de foarte mult timp. În forma sa cea mai simplă, puteți colecta apă caldă de pe acoperiș în timpul verii și o puteți salva într-un rezervor subteran, pe care apoi îl puteți folosi pentru încălzire în timpul iernii.

Majoritatea sistemelor STES, totuși, stochează căldură la mai puțin de 100°C, ceea ce le face bine pentru încălzirea caselor și birourilor, dar mai puțin ideale pentru alte utilizări industriale sau generarea de energie.

Metoda este simplă, expuneți orice mediu care poate capta și reține căldura la o sursă de radiații, cum ar fi soarele, deșeurile industriale de căldură și așa mai departe. Eficiența sistemului depinde de metoda de schimb de căldură și de eficiența acestuia.

În continuare, va trebui să depozitați mediul încălzit într-o carcasă izolată, astfel încât să minimizați pierderile de energie. Unele carcase pot reține bine căldura timp de multe luni.

În cele din urmă, mediul de stocare este pompat în timpul iernii pentru a asigura încălzirea caselor și birourilor prin trecerea acestuia printr-un alt schimb de căldură, cum ar fi un radiator. Materialele comune utilizate ca medii de stocare STES includ apa, uleiul, solul, hidrații de sare și așa mai departe.

Utilizări populare ale energiei termice stocate

Energia termică stocată are multe utilizări, în funcție de aplicația vizată. Iată cele mai populare:

1. Încălzirea locuințelor și a birourilor - Termo-ul stocat poate oferi cu ușurință încălzire pentru spațiile de locuit și de lucru în timpul iernii.
   
2. Apă fierbinte – Căldura poate fi, de asemenea, transferată pentru a oferi apă caldă întotdeauna gata pentru utilizările de zi cu zi.
   
3. Aplicații industriale – Apa fierbinte este utilizată pentru o gamă largă de aplicații industriale, de la amestecare la curățare, prelucrarea alimentelor, fabricarea solvenților, sterilizare și multe altele.
   
4. Producția de energie electrică – De asemenea, puteți utiliza energia termică stocată pentru a încălzi apa la abur și pentru a o face să antreneze turbinele, care, la rândul lor, antrenează alternatoarele care produc energie electrică.

Economia unei baterii de nisip

Apa poate stoca mai multă energie în comparație cu nisipul, dar devine instabilă de la 100°C (212°F) în sus, în timp ce nisipul poate conține cu ușurință temperaturi de 600°C (1112°F).

Apa își va păstra, de asemenea, energia termică mai mult decât nisipul, ceea ce face ca apa să fie un mediu mai bun pentru stocarea sezonieră a energiei. Cu toate acestea, dacă vă gândiți la o aplicație care consumă căldura în câteva ore sau doar câteva zile, atunci nisipul devine din nou o opțiune de top. Este perfect pentru completarea surselor de energie intermitentă, cum ar fi PV solară și eoliană.

Revenind la bateria finlandeză de nisip, containerul de oțel cu înălțimea de 7 metri este proiectat pentru 100 de tone de nisip, care conține până la 8 MWh de energie.

Pentru a o pune în perspectivă, o casă medie din SUA folosește aproximativ 10 MWh de energie pe an, în timp ce acest număr variază în Europa de la aproximativ 2 MWh în România la 9 MWh în Suedia. În plus, 30-50% din energie este folosită pentru încălzire pe timpul iernii.

Aceasta înseamnă că un rezervor de nisip de 7 metri înălțime poate produce suficientă energie pentru a încălzi câteva case pe timpul iernii și în funcție de locația dvs. Dar ar fi o aplicație nepractică în centrele urbane cu o populație densă, având în vedere dimensiunea sa.

Pe de altă parte, convertirea capacității sale de încălzire de 100 kW în electricitate cu 30% poate produce suficientă energie pentru peste 20 de case în timpul zilei și pentru multe alte case noaptea.

Așadar, optimizată corespunzător, o baterie cu nisip care costă aproximativ 5 USD per kWh capacitate poate fi o alternativă excelentă la costul actual de peste 100 USD pe kWh pentru sistemele de baterii cu plumb-acid și litiu-ion. Da, poate fi mai voluminos, dar este mult mai ieftin.

Baterii cu nisip pentru producerea de energie electrică

Stocarea energiei termice pentru utilizare ulterioară în generarea de energie electrică este o tehnologie dovedită și fiabilă care a fost implementată în proiectele de energie solară concentrată (CSP) de zeci de ani.

Energia într-un sistem CSP modern este prinsă prin concentrarea a sute sau mii de oglinzi într-un singur cuptor. Aceste oglinzi urmăresc apoi soarele de-a lungul zilei pentru a garanta căldură constantă la cuptor până la 565°C (1.049°F).

Instalațiile CSP sunt adesea foarte mari, cu o suprafață de milioane de metri pătrați (~1+km2), cu receptorii solari în centru și capacități de generare electrică în intervalul de peste 100 de megawați.

Un amestec de sare topită cu 60% azotat de sodiu și 40% azotat de potasiu este utilizat pentru a stoca energie în sistemele CSP pentru generarea pe timp de noapte. Spre deosebire de bateria de nisip, totuși, acest amestec de sare se topește la temperaturi ridicate pentru a-l face să curgă ca un fluid.

Atât sistemele CSP, cât și cele cu baterii de nisip transformă energia solară în energie termică la eficiențe aproximativ egale de 15-20%. Dar, în timp ce sistemele de sare topită CSP au o eficiență de aproximativ 50% în transformarea căldurii stocate în electricitate, bateria finlandeză cu nisip are o eficiență teoretică de 20-25%.

Sistemele CSP sunt viabile din punct de vedere comercial, așa că dacă puteți modifica această baterie finlandeză pentru a obține o eficiență de conversie de peste 30% de la căldură la energie electrică, atunci poate deveni o tehnologie viabilă pentru a stoca și furniza energie electrică din surse regenerabile.

Tehnologii similare de stocare

Există multe alte forme de stocare a energiei, fiecare cu avantajele și dezavantajele sale. Cele mai populare tipuri includ:

1. Stocarea energiei electrochimice – Așa cum ați găsi în baterii, aceasta valorifică diferența de potențial dintre două elemente pentru a stoca și elibera energie folosind reacții electrochimice reversibile.
   
2. Stocarea mecanică a energiei - Aceasta implică diferite metode, inclusiv utilizarea volantelor și arcurilor, precum și a sistemelor gravitaționale care stochează energia într-un obiect prin troliul și creșterea altitudinii acestuia.
   
3. Stocarea energiei de sare topită (MSES) – Depozitarea aici este termică, cum ar fi prin utilizarea unei combinații de 60% azotat de sodiu și 40% azotat de potasiu.
   
4. Apă caldă termică – Această metodă poate stoca până la 6 kWh de energie într-un rezervor de apă caldă de 50 de galoane.
   
5. Pumped Hydro – Cea mai ieftină formă de stocare a energiei. Problema sa majoră este însă locațiile limitate în care poate fi implementat.
   
6. Aer comprimat - Similar cu hidrocentrala, această metodă pur și simplu comprimă aerul pentru a stoca energie. Apoi, când aveți nevoie de energie, eliberați aerul comprimat pentru a alimenta o turbină.
   
7. Volant – Pur și simplu folosiți energia pentru a roti o roată bine echilibrată, stocând-o astfel ca energie cinetică care poate fi folosită fie pentru locomoție, fie pentru generarea de energie electrică.
   
8. Flow Battery – Acesta este un sistem de stocare electrochimic în care electroliții sunt în rezervoare diferite și trebuie să curgă dintr-un rezervor complet încărcat într-un rezervor de încărcare gol. Apoi, pentru a încărca electroliții, pur și simplu inversați fluxul. Această metodă poate produce baterii foarte puternice, deoarece cei doi electroliți interacționează printr-o membrană pe care o puteți scala extensiv.
   
9. Materiale cu schimbare de fază – Aceste materiale absorb energie pe măsură ce se topesc, apoi o cedează pe măsură ce se solidifică. Sunt ideale pentru stocarea energiei termice la temperaturi precise.

Întrebări frecvente (FAQs)

Concluzie

Am ajuns la finalul acestei explorări a bateriilor de nisip și a potențialului lor economic. Și așa cum trebuie să fi realizat, ele oferă multe posibilități.

De la furnizarea de căldură comunităților până la generarea de energie electrică, ieftinitatea murdăriei a nisipului siliciu îl face un mediu promițător pentru viitoarele proiecte energetice.