Що таке пісочні батареї? Все, що вам потрібно знати

Новина про піщану батарею з Фінляндії нещодавно потрапила в головні новини, хоча ця система лише накопичувала та віддавала тепло.

Акумуляції тепла не є новою технологією, але цей пілотний проект висвітлює деякі майбутні можливості технологій і систем зеленої енергії.

У цьому дописі розглядається технологія використання піску для зберігання енергії, а також подібні технології та їхнє значення для світу.

Енергія з піску?

Природний пісок має багато властивостей, які роблять його ідеальним середовищем для зберігання теплової енергії. Ви можете без проблем нагріти його до температури понад 1,000°C (1,832°F), і він може утримувати це тепло протягом днів, тижнів і навіть місяців з мінімальними втратами.

Якщо ви вважаєте, що батарея є засобом зберігання енергії, яка була вироблена в певний час, щоб її можна було використовувати в інший час, тоді пісок, який нагрівається електричною енергією для зберігання та подальшого використання, є батареєю.

Вірусна піщана батарея з Фінляндії

У західному фінському районі Канкаанпяа знаходиться запатентована система накопичення тепла, розроблена компанією Полярна ніч. Він використовує надлишок електроенергії з відновлюваних джерел, щоб нагріти пісок у силосі висотою 7 метрів і шириною 4 метри до 600°C (1,112°F) для зберігання та подальшого використання в тепломережі.

Тут важливо мати на увазі кілька речей. По-перше, використовується надлишкова енергія з відновлюваних джерел, таких як вітер і сонце. Це усуває будь-які об’єктивні порівняння з іншими системами зберігання енергії для комерційних цілей.

По-друге, система використовується виключно для зберігання та доставки тепла, тобто електрична енергія перетворюється на тепло і зберігається в піску. Потім, коли це необхідно, тепло відбирається та розподіляється в будинки та на заводи, де це необхідно.

По-третє, природний пісок може утримувати досить значну кількість енергії. Наприклад, ця батарея Finnish Polar Night вміщує 100 тонн піску при температурі близько 600 за Цельсієм, що забезпечує загальну кількість накопиченої енергії 8 МВт-год при потужності нагріву 100 кВт. Це робить пісок шалено дешевим середовищем зберігання енергії без химерних технологій, установок або небезпечних вимог.

Про сезонне накопичення теплової енергії

Сезонне накопичення теплової енергії, або скорочено STES, існує вже дуже давно. У найпростішому вигляді ви можете збирати гарячу воду з даху влітку та зберігати її в підземному резервуарі, який потім можна використовувати для опалення взимку.

Однак більшість систем STES зберігають тепло при температурі нижче 100°C, що робить їх підходящими для опалення будинків і офісів, але менш ідеальними для інших промислових цілей або виробництва електроенергії.

Метод простий: ви піддаєте будь-яке середовище, яке може захоплювати та утримувати тепло, до джерела випромінювання, наприклад сонця, промислових відходів тепла тощо. Ефективність системи залежить від способу теплообміну та його ефективності.

Далі вам доведеться зберігати нагріте середовище в ізольованому корпусі, щоб мінімізувати втрати енергії. Деякі корпуси можуть добре утримувати тепло протягом багатьох місяців.

Нарешті, накопичувальний носій відкачується взимку, щоб забезпечити опалення будинків і офісів, пропускаючи його через інший теплообмінник, наприклад, радіаторний нагрівач. Звичайні матеріали, що використовуються як середовища зберігання STES, включають воду, нафту, ґрунт, сольові гідрати тощо.

Популярне використання накопиченої теплової енергії

Накопичена теплова енергія має багато застосувань залежно від передбачуваного застосування. Ось найпопулярніші з них:

1. Опалення будинків і офісів – Накопичене тепло може легко забезпечити обігрів житлових і робочих приміщень взимку.
   
2. Гаряча вода – Тепло також може передаватися, щоб забезпечити завжди готову гарячу воду для щоденного використання.
   
3. Промислове застосування – Гаряча вода використовується для широкого спектру промислових застосувань, від змішування до очищення, обробки харчових продуктів, приготування розчинників, стерилізації та багато іншого.
   
4. Виробництво електроенергії  – Ви також можете використовувати збережену теплову енергію для нагрівання води в пару та приводити її в дію турбінами, які, у свою чергу, приводять у дію генератори змінного струму, які виробляють електроенергію.

Економіка піщаної батареї

Вода може зберігати більше енергії порівняно з піском, але вона стає нестабільною при температурі вище 100°C (212°F), тоді як пісок може легко підтримувати температуру 600°C (1112°F).

Вода також зберігає свою теплову енергію довше, ніж пісок, що робить воду кращим середовищем для сезонного зберігання енергії. Однак, якщо ви розглядаєте застосування, яке витрачає тепло протягом кількох годин або лише кількох днів, тоді пісок знову стає найкращим варіантом. Він ідеально підходить для доповнення до періодичних джерел енергії, таких як фотоелектричні сонячні панелі та вітер.

Повертаючись до фінської піщаної батареї, 7-метровий сталевий контейнер розрахований на 100 тонн піску, який містить до 8 МВт-год енергії.

Якщо говорити про це в перспективі, то середньостатистичний будинок у США споживає близько 10 МВт-год енергії на рік, у той час як в Європі цей показник коливається від приблизно 2 МВт-год у Румунії до 9 МВт-год у Швеції. Крім того, 30-50% енергії витрачається на опалення взимку.

Це означає, що піщаний резервуар висотою 7 метрів може виробляти достатньо енергії, щоб обігріти кілька будинків протягом зими, залежно від вашого місця розташування. Але це було б непрактично застосовувати в міських центрах із щільним населенням, враховуючи його розмір.

З іншого боку, перетворення його опалювальної потужності в 100 кВт на електрику на 30% може виробляти електроенергію, достатню для понад 20 будинків протягом дня та значної кількості будинків вночі.

Таким чином, належним чином оптимізована пісочна батарея, яка коштує приблизно 5 доларів США за кВт-год, може стати чудовою альтернативою нинішнім цінам понад 100 доларів за кВт-год для свинцево-кислотних та літій-іонних акумуляторних систем. Так, він може бути об’ємнішим, але набагато дешевшим.

Піщані батареї для виробництва електроенергії

Зберігання теплової енергії для подальшого використання у виробництві електроенергії є перевіреною та надійною технологією, яка була впроваджена в Концентрована сонячна енергія (CSP) проекти протягом десятиліть.

Енергія в сучасній системі CSP утримується шляхом концентрації сотень або тисяч дзеркал в одній печі. Потім ці дзеркала відстежують сонце протягом дня, щоб гарантувати постійне тепло в печі до 565°C (1,049°F).

Установки CSP часто дуже великі, охоплюючи мільйони квадратних футів (~1+км2) площею, з їх сонячними приймачами в центрі та потужністю генерації електроенергії в діапазоні 100+ мегават.

Суміш розплавленої солі з 60% нітрату натрію та 40% нітрату калію використовується для зберігання енергії в системах CSP для генерації вночі. Однак, на відміну від піщаної батареї, ця сольова суміш плавиться при високій температурі, щоб вона текла, як рідина.

Системи CSP і піщаних батарей перетворюють сонячну енергію в теплову з приблизно однаковою ефективністю 15-20%. Але в той час як системи CSP з розплавленої солі мають приблизно 50% ефективності перетворення накопиченого тепла в електрику, фінська піщана батарея має теоретичну ефективність 20-25%.

Системи CSP є комерційно життєздатними, тож якщо ви зможете налаштувати цю фінську батарею, щоб ефективність перетворення тепла в електроенергію перевищувала 30%, тоді вона може стати життєздатною технологією дешевого зберігання та постачання відновлюваної електроенергії.

Подібні технології зберігання

Існує багато інших форм зберігання енергії, кожна з яких має свої плюси та мінуси. До найпопулярніших видів відносяться:

1. Зберігання електрохімічної енергії – Як можна побачити в батареях, це використовує різницю потенціалів між двома елементами для зберігання та вивільнення енергії за допомогою оборотних електрохімічних реакцій.
   
2. Механічне накопичення енергії – Це включає різні методи, включаючи використання маховиків і пружин, а також гравітаційних систем, які накопичують енергію в об’єкті, піднімаючи його лебідкою та збільшуючи його висоту.
   
3. Зберігання енергії розплавленої солі (MSES) – Зберігання тут термічне, наприклад, з використанням комбінації 60% нітрату натрію та 40% нітрату калію.
   
4. Термальна гаряча вода – Цей метод може зберігати до 6 кВт/год енергії в баку для гарячої води на 50 галонів.
   
5. Насосний Гідро – Найдешевший спосіб зберігання енергії. Однак його основною проблемою є обмежені місця, де його можна реалізувати.
   
6. Стиснуте повітря – Подібно до гідро, цей метод просто стискає повітря для накопичення енергії. Потім, коли вам потрібна енергія, ви випускаєте стиснене повітря, щоб привести в дію турбіну.
   
7. махове колесо – Ви просто використовуєте енергію для обертання добре збалансованого колеса, зберігаючи її як кінетичну енергію, яка може бути використана або для пересування, або для виробництва електроенергії.
   
8. Проточна батарея – Це електрохімічна система зберігання, де електроліти знаходяться в різних резервуарах і повинні перетікати з повністю зарядженого резервуара в порожній зарядний резервуар. Потім, щоб зарядити електроліти, ви просто змінюєте потік. Цей метод може виробляти дуже потужні батареї, оскільки два електроліти взаємодіють через мембрану, яку можна значно масштабувати.
   
9. Матеріали зміни фази – Ці матеріали поглинають енергію, коли плавляться, а потім віддають її, коли твердіють. Вони ідеально підходять для зберігання теплової енергії при точних температурах.

Часті питання (FAQ)

Висновок

Ми підійшли до кінця дослідження піщаних батарей та їх економічного потенціалу. І, як ви, мабуть, зрозуміли, вони пропонують багато можливостей.

Від постачання тепла населенню до виробництва електроенергії, дешевизна кремнеземного піску робить його перспективним середовищем для майбутніх енергетичних проектів.