"Sonne in einer Kiste" würde erneuerbare Energie für das Netz speichern: Design für ein System, das Solar liefert- oder Windkraft auf Abruf sollte billiger sein als andere führende Optionen

MIT-Ingenieure haben ein Konzept für ein System zur Speicherung erneuerbarer Energien entwickelt, wie Solar- und Windkraft, und liefern diese Energie bei Bedarf zurück in ein Stromnetz. Das System kann so konzipiert sein, dass es eine kleine Stadt nicht nur bei Sonnenaufgang oder starkem Wind mit Strom versorgt, aber rund um die Uhr.

Das neue Design speichert Wärme, die durch überschüssigen Strom aus Sonnen- oder Windkraft erzeugt wird, in großen Tanks aus weißglühendem geschmolzenem Silizium, und wandelt dann das Licht des glühenden Metalls bei Bedarf wieder in Elektrizität um. Die Forscher schätzen, dass ein solches System weitaus günstiger wäre als Lithium-Ionen-Batterien, die als tragfähig vorgeschlagen wurden, obwohl teuer, Methode zur Speicherung erneuerbarer Energien. Sie schätzen auch, dass das System etwa halb so viel kosten würde wie Pumpspeicher - die bislang billigste Form von Energiespeichern im Netzmaßstab.

MIT-Forscher schlagen ein Konzept für ein erneuerbares Speichersystem vor, hier abgebildet, das würde Sonnen- und Windenergie in Form von weißglühendem flüssigem Silizium speichern, in stark isolierten Tanks gelagert. Bild: Duncan MacGruer

"Selbst wenn wir das Netz jetzt mit erneuerbaren Energien betreiben wollten, konnten wir es nicht.", weil Sie Turbinen mit fossilen Brennstoffen benötigen, um die Tatsache auszugleichen, dass das erneuerbare Angebot nicht bei Bedarf versendet werden kann,Sagt Asegun Henry, der Robert N.. Noyce Career Development Associate Professor in der Fakultät für Maschinenbau. "Wir entwickeln eine neue Technologie, die, Falls erfolgreich, würde dieses wichtigste und kritischste Problem im Energie- und Klimawandel lösen, nämlich, das Speicherproblem. "

Henry und seine Kollegen haben ihr Design heute in der Zeitschrift veröffentlicht Energie- und Umweltwissenschaften.

Ich erinnere mich an die Zeit

Das neue Speichersystem stammt aus einem Projekt, in dem die Forscher nach Möglichkeiten suchten, die Effizienz einer Form erneuerbarer Energie, der sogenannten konzentrierten Solarenergie, zu steigern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solaranlagen, bei denen Sonnenkollektoren verwendet werden, um Licht direkt in Strom umzuwandeln, Konzentrierte Sonnenenergie erfordert riesige Felder mit riesigen Spiegeln, die das Sonnenlicht auf einen zentralen Turm konzentrieren, wo das Licht in Wärme umgewandelt wird, die schließlich in Elektrizität umgewandelt wird.

„Der Grund, warum Technologie interessant ist, ist, Sobald Sie diesen Vorgang durchgeführt haben, fokussieren Sie das Licht, um Wärme zu erhalten, Sie können Wärme viel billiger speichern als Strom,Henry bemerkt.

Konzentrierte Solaranlagen speichern Sonnenwärme in großen Tanks, die mit Salzschmelze gefüllt sind, welches auf hohe Temperaturen von etwa erhitzt wird 1,000 Grad Fahrenheit. Wenn Strom benötigt wird, das heiße Salz wird durch einen Wärmetauscher gepumpt, die die Wärme Salz in Dampf. Eine Turbine dreht sich dann, dass Dampf in Strom.

„Diese Technologie hat sich für eine Weile, aber das Denken ist, dass seine Kosten erhalten nie niedrig genug, um mit Erdgas zu konkurrieren,“Henry sagt. „So gab es einen Schub bei vielen höheren Temperaturen zu betreiben, so könnte man eine effizientere Wärmekraftmaschine verwenden und die Kosten nach unten bekommen.“

jedoch, wenn die Betreiber waren das Salz viel über die derzeitigen Temperaturen erwärmen, das Salz würde die Edelstahltanks, in denen korrodieren sie gespeichert sind. So Henrys Team suchte nach einem anderen Medium als Salz, das Wärme bei vielen höheren Temperaturen lagern könnte. Sie schlugen vor, zunächst ein flüssiges Metall und schließlich ließ sich auf Silizium - das häufigste Metall auf der Erde, was kann unglaublich hohe Temperaturen von über standhalten 4,000 Grad Fahrenheit.

Vergangenes Jahr, entwickelte das Team eine Pumpe, die so glühende Hitze standhalten konnte, Denkbar und pumpen flüssiges Silizium durch ein verlängerbares Speichersystem. Die Pumpe hat die höchste jemals verzeichnete Hitzetoleranz - eine Leistung, die im „Guiness-Buch der Rekorde“ vermerkt ist. Seit dieser Entwicklung, Das Team hat ein Energiespeichersystem entwickelt, das eine solche Hochtemperaturpumpe enthalten könnte.

"Sonne in einer Kiste"

Jetzt, Die Forscher haben ihr Konzept für ein neues Speichersystem für erneuerbare Energien skizziert, die sie TEGS-MPV nennen, für Wärmeenergienetzspeicher-Multi-Junction-Photovoltaik. Anstatt Spiegelfelder und einen zentralen Turm zu verwenden, um die Wärme zu konzentrieren, Sie schlagen vor, Strom aus erneuerbaren Quellen umzuwandeln, wie Sonnenlicht oder Wind, in Wärmeenergie, über Joule-Heizung - ein Prozess, bei dem ein elektrischer Strom durch ein Heizelement fließt.

Das System könnte mit bestehenden Systemen für erneuerbare Energien kombiniert werden, wie Solarzellen, um tagsüber überschüssigen Strom zu erfassen und für die spätere Verwendung aufzubewahren. Erwägen, zum Beispiel, Eine kleine Stadt in Arizona, die einen Teil ihres Stroms aus einer Solaranlage bezieht.

"Sagen wir, alle gehen von der Arbeit nach Hause, Klimaanlagen einschalten, und die Sonne geht unter, aber es ist immer noch heiß,“Henry sagt. "An diesem Punkt, Die Photovoltaik wird nicht viel Leistung bringen, Sie müssten also einen Teil der Energie von früher am Tag gespeichert haben, wie wenn die Sonne mittags war. Dieser überschüssige Strom könnte zu dem hier erfundenen Speichersystem geleitet werden. "

Das System würde aus einem großen bestehen, stark isoliert, 10-meterbreiter Tank aus Graphit, gefüllt mit flüssigem Silizium, auf einer "kalten" Temperatur von fast gehalten 3,500 Grad Fahrenheit. Eine Reihe von Röhren, Heizelementen ausgesetzt, verbindet dann diesen kalten Tank mit einer Sekunde, "Heißer" Tank. Wenn Strom aus den Solarzellen der Stadt in das System gelangt, Diese Energie wird in den Heizelementen in Wärme umgewandelt. inzwischen, flüssiges Silizium wird aus dem kalten Tank gepumpt und erwärmt sich weiter, wenn es durch die Rohrreihe läuft, die den Heizelementen ausgesetzt ist, und in den heißen Tank, wo die Wärmeenergie jetzt bei einer viel höheren Temperatur von etwa gespeichert wird 4,300 F.

Wenn Strom benötigt wird, sagen, nachdem die Sonne untergegangen ist, Das heiße flüssige Silizium - so heiß, dass es weiß leuchtet - wird durch eine Reihe von Röhren gepumpt, die dieses Licht emittieren. Spezialisierte Solarzellen, bekannt als Multijunction Photovoltaik, Dann verwandeln Sie dieses Licht in Elektrizität, die in das Stromnetz der Stadt eingespeist werden kann. Das jetzt abgekühlte Silizium kann bis zur nächsten Lagerungsrunde in den kalten Tank zurückgepumpt werden - effektiv als große wiederaufladbare Batterie.

„Einer der liebevollen Namen, die Menschen nennen, nennt unser Konzept, ist "Sonne in einer Kiste",“, Die von meiner Kollegin Shannon Yee von Georgia Tech geprägt wurde,“Henry sagt. "Es ist im Grunde eine extrem intensive Lichtquelle, die alle in einer Box enthalten ist, die die Wärme einfängt."

Ein Speicherschlüssel

Henry sagt, das System würde Tanks erfordern, die dick und stark genug sind, um die geschmolzene Flüssigkeit darin zu isolieren.

„Das Zeug leuchtet innen weißglühend, Was Sie jedoch außen berühren, sollte Raumtemperatur sein,“Henry sagt.

Er hat vorgeschlagen, die Tanks aus Graphit herzustellen. Aber es gibt Bedenken, dass Silizium, bei so hohen Temperaturen, würde mit Graphit reagieren, um Siliciumcarbid zu erzeugen, das könnte den Tank angreifen.

Um diese Möglichkeit zu testen, Das Team stellte einen Miniatur-Graphittank her und füllte ihn mit flüssigem Silizium. Als die Flüssigkeit bei gehalten wurde 3,600 F für ungefähr 60 Protokoll, Es bildete sich Siliciumcarbid, aber anstatt den Tank zu korrodieren, es entstand eine dünne, Schutzfolie.

„Es haftet am Graphit und bildet eine Schutzschicht, Verhinderung weiterer Reaktionen,“Henry sagt. "So können Sie diesen Tank aus Graphit bauen und er wird nicht durch das Silizium korrodiert."

Die Gruppe fand auch einen Weg um eine andere Herausforderung herum: Da die Tanks des Systems sehr groß sein müssten, es wäre unmöglich, sie aus einem einzigen Stück Graphit zu bauen. Wenn sie stattdessen aus mehreren Teilen bestehen würden, Diese müssten so versiegelt werden, dass die geschmolzene Flüssigkeit nicht austreten kann. In ihrem Papier, Die Forscher zeigten, dass sie Leckagen verhindern können, indem sie Graphitstücke mit Kohlefaserschrauben zusammenschrauben und mit Graufolie abdichten - flexiblem Graphit, der als Hochtemperaturdichtmittel fungiert.

Die Forscher schätzen, dass ein einziges Speichersystem eine kleine Stadt von etwa ermöglichen könnte 100,000 Häuser, die vollständig mit erneuerbaren Energien betrieben werden sollen.

„Innovationen in der Energiespeicherung haben gerade einen Moment Zeit,Sagt Addison Stark, stellvertretender Direktor für Energieinnovation im Bipartisan Policy Center, und Stabsdirektor des American Energy Innovation Council. „Energietechnologen erkennen die Notwendigkeit, kostengünstig zu sein, Hocheffiziente Speicheroptionen zum Ausgleich nicht verfügbarer Erzeugungstechnologien im Netz. So wie, Im Moment treten viele großartige Ideen in den Vordergrund. In diesem Fall, Die Entwicklung eines Festkörper-Leistungsblocks in Verbindung mit unglaublich hohen Lagertemperaturen erweitert die Grenzen des Möglichen. "

Henry betont, dass das Design des Systems geografisch unbegrenzt ist, was bedeutet, dass es überall aufgestellt werden kann, unabhängig von der Landschaft eines Ortes. Dies steht im Gegensatz zu gepumptem Wasserkraftwerk - derzeit die billigste Form der Energiespeicherung, Dies erfordert Standorte, die große Wasserfälle und Dämme aufnehmen können, um Energie aus fallendem Wasser zu speichern.

„Dies ist geografisch unbegrenzt, und ist billiger als gepumpte Wasserkraft, Das ist sehr aufregend,“Henry sagt. "In der Theorie, Dies ist der Dreh- und Angelpunkt dafür, dass erneuerbare Energien das gesamte Netz mit Strom versorgen können. “

Quelle: http://news.mit.edu, von Jennifer Chu