"Sun in a box" immagazzinerebbe energia rinnovabile per la rete: Design per sistema che fornisce energia solare- o l'energia eolica su richiesta dovrebbe essere più economica di altre opzioni principali

Gli ingegneri del MIT hanno elaborato un progetto concettuale per un sistema per immagazzinare energia rinnovabile, come l'energia solare ed eolica, e fornire quell'energia in una rete elettrica su richiesta. Il sistema potrebbe essere progettato per alimentare una piccola città non solo quando il sole è alto o il vento è forte, ma tutto il giorno.

Il nuovo design immagazzina il calore generato dall’elettricità in eccesso proveniente dall’energia solare o eolica in grandi serbatoi di silicio fuso incandescente, e poi riconverte la luce del metallo incandescente in elettricità quando è necessaria. I ricercatori stimano che un tale sistema sarebbe molto più conveniente rispetto alle batterie agli ioni di litio, che sono stati proposti come praticabili, anche se costoso, Metodo per immagazzinare energia rinnovabile. Si stima inoltre che il sistema costerebbe circa la metà rispetto allo stoccaggio idroelettrico mediante pompaggio, la forma più economica di stoccaggio di energia su scala di rete fino ad oggi..

I ricercatori del MIT propongono un concetto per un sistema di accumulo rinnovabile, raffigurato qui, che immagazzinerebbe l’energia solare ed eolica sotto forma di silicio liquido incandescente, stoccati in serbatoi fortemente isolati. Immagine: Duncan MacGruer

“Anche se volessimo far funzionare la rete con le energie rinnovabili in questo momento, non potremmo, perché ci sarebbero bisogno di turbine alimentate a combustibili fossili per compensare il fatto che la fornitura rinnovabile non può essere distribuita su richiesta,"Dice Asegun Henry, il Robert N. Noyce Career Development Professore Associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica. “Stiamo sviluppando una nuova tecnologia che, in caso di successo, risolverebbe il problema più importante e critico in materia di energia e cambiamento climatico, vale a dire, il problema dello stoccaggio”.

Henry e i suoi colleghi hanno pubblicato oggi il loro progetto sulla rivista Scienze energetiche e ambientali.

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Il nuovo sistema di accumulo nasce da un progetto in cui i ricercatori hanno cercato modi per aumentare l’efficienza di una forma di energia rinnovabile nota come energia solare concentrata. A differenza degli impianti solari convenzionali che utilizzano pannelli solari per convertire la luce direttamente in elettricità, l’energia solare concentrata richiede vasti campi di enormi specchi che concentrano la luce solare su una torre centrale, dove la luce viene convertita in calore che alla fine viene trasformato in elettricità.

“Il motivo per cui la tecnologia è interessante è, una volta eseguito questo processo, focalizzare la luce per ottenere calore, puoi immagazzinare il calore in modo molto più economico di quanto puoi immagazzinare l'elettricità,", osserva Henry.

Gli impianti solari a concentrazione immagazzinano il calore solare in grandi serbatoi riempiti di sale fuso, che viene riscaldato ad alte temperature di circa 1,000 gradi Fahrenheit. Quando serve l'elettricità, il sale caldo viene pompato attraverso uno scambiatore di calore, che trasferisce il calore del sale in vapore. Una turbina trasforma poi il vapore in elettricità.

“Questa tecnologia esiste già da un po’, ma si pensava che il suo costo non sarebbe mai stato abbastanza basso da poter competere con il gas naturale,"dice Henry. “Quindi c’è stata una spinta a operare a temperature molto più elevate, in questo modo potresti utilizzare un motore termico più efficiente e ridurre i costi.

tuttavia, se gli operatori riscaldassero il sale molto oltre le temperature attuali, il sale corroderebbe i serbatoi di acciaio inossidabile in cui è conservato. Quindi il team di Henry ha cercato un mezzo diverso dal sale che potesse immagazzinare calore a temperature molto più elevate. Inizialmente proposero un metallo liquido e alla fine optarono per il silicio, il metallo più abbondante sulla Terra, che può resistere a temperature incredibilmente elevate di oltre 4,000 gradi Fahrenheit.

L'anno scorso, il team ha sviluppato una pompa in grado di resistere a un calore così intenso, e potrebbe plausibilmente pompare silicio liquido attraverso un sistema di stoccaggio rinnovabile. La pompa ha la più alta tolleranza al calore mai registrata, un'impresa annotata nel "Guinness dei primati". Da quello sviluppo, il team ha progettato un sistema di accumulo dell'energia che potrebbe incorporare una pompa ad alta temperatura.

“Il sole in una scatola”

Adesso, i ricercatori hanno delineato il loro concetto per un nuovo sistema di stoccaggio dell’energia rinnovabile, che chiamano TEGS-MPV, per l'accumulo di energia termica nella rete fotovoltaica multi-giunzione. Invece di utilizzare campi di specchi e una torre centrale per concentrare il calore, propongono la conversione dell'elettricità generata da qualsiasi fonte rinnovabile, come la luce del sole o il vento, in energia termica, tramite riscaldamento joule - un processo mediante il quale una corrente elettrica passa attraverso un elemento riscaldante.

Il sistema potrebbe essere abbinato ai sistemi di energia rinnovabile esistenti, come le celle solari, per catturare l'elettricità in eccesso durante il giorno e immagazzinarla per un uso successivo. Tenere conto, anche l'Organizzazione Mondiale della Sanità, una piccola cittadina dell’Arizona che ricava parte della propria elettricità da un impianto solare.

“Diciamo che tutti stanno tornando a casa dal lavoro, accendendo i loro condizionatori, e il sole sta tramontando, ma fa ancora caldo,"dice Henry. "A quel punto, il fotovoltaico non avrà molto rendimento, quindi dovresti aver immagazzinato parte dell'energia di prima nella giornata, come quando il sole era a mezzogiorno. L’elettricità in eccesso potrebbe essere indirizzata al sistema di stoccaggio che abbiamo inventato qui”.

Il sistema consisterebbe in un grande, fortemente isolato, 10-serbatoio largo un metro realizzato in grafite e riempito di silicio liquido, mantenuto ad una temperatura “fredda” di quasi 3,500 gradi Fahrenheit. Una banca di tubi, esposto a elementi riscaldanti, quindi collega questo serbatoio freddo a un secondo, serbatoio “caldo”.. Quando l’elettricità proveniente dalle celle solari della città entra nel sistema, questa energia viene convertita in calore negli elementi riscaldanti. Nel frattempo, il silicio liquido viene pompato fuori dal serbatoio freddo e si riscalda ulteriormente mentre passa attraverso il banco di tubi esposti agli elementi riscaldanti, e nel serbatoio caldo, dove l'energia termica è ora immagazzinata ad una temperatura molto più alta di circa 4,300 F.

Quando serve l'elettricità, dire, dopo che il sole è tramontato, il silicio liquido caldo, così caldo da diventare bianco brillante, viene pompato attraverso una serie di tubi che emettono quella luce. Celle solari specializzate, noto come fotovoltaico multigiunzione, poi trasformi quella luce in elettricità, che può essere immesso nella rete cittadina. Il silicio ora raffreddato può essere pompato nuovamente nel serbatoio freddo fino al successivo ciclo di stoccaggio, agendo efficacemente come una grande batteria ricaricabile.

“Uno dei nomi affettuosi con cui le persone hanno iniziato a chiamare il nostro concetto, è "sole in una scatola".,' che è stato coniato dalla mia collega Shannon Yee della Georgia Tech,"dice Henry. "È fondamentalmente una fonte di luce estremamente intensa contenuta in una scatola che intrappola il calore."

Una chiave di archiviazione

Henry afferma che il sistema richiederebbe serbatoi sufficientemente spessi e resistenti da isolare il liquido fuso al suo interno.

“La roba è incandescente all'interno, ma ciò che tocchi all'esterno dovrebbe essere a temperatura ambiente,"dice Henry.

Ha proposto che i serbatoi siano realizzati in grafite. Ma ci sono preoccupazioni riguardo al silicio, a temperature così elevate, reagirebbe con la grafite per produrre carburo di silicio, che potrebbero corrodere il serbatoio.

Per testare questa possibilità, il team ha fabbricato un serbatoio in grafite in miniatura e lo ha riempito con silicio liquido. Quando il liquido è stato mantenuto 3,600 F per circa 60 minuti, si è formato il carburo di silicio, ma invece di corrodere il serbatoio, ha creato un sottile, fodera protettiva.

“Aderisce alla grafite e forma uno strato protettivo, impedendo ulteriori reazioni,"dice Henry. "Quindi puoi costruire questo serbatoio in grafite e non verrà corroso dal silicio."

Il gruppo ha anche trovato il modo di aggirare un’altra sfida: Poiché i serbatoi del sistema dovrebbero essere molto grandi, sarebbe impossibile costruirli da un unico pezzo di grafite. Se invece fossero fatti da più pezzi, questi dovrebbero essere sigillati in modo tale da impedire la fuoriuscita del liquido fuso. Nel loro giornale, i ricercatori hanno dimostrato di poter prevenire eventuali perdite avvitando insieme pezzi di grafite con bulloni in fibra di carbonio e sigillandoli con grafoil, una grafite flessibile che funge da sigillante per le alte temperature.

I ricercatori stimano che un unico sistema di stoccaggio potrebbe consentire ad una piccola città di circa 100,000 case alimentate interamente da energie rinnovabili.

“L’innovazione nello stoccaggio dell’energia sta vivendo un momento proprio in questo momento,"Dice Addison Stark, direttore associato per l'innovazione energetica presso il Bipartisan Policy Center, e direttore del personale dell'American Energy Innovation Council. “Gli esperti di tecnologia energetica riconoscono l’imperativo di avere costi bassi, opzioni di stoccaggio ad alta efficienza disponibili per bilanciare le tecnologie di generazione non dispacciabili sulla rete. Come tale, ci sono molte grandi idee che stanno emergendo in questo momento. In questo caso, lo sviluppo di un blocco di potenza a stato solido abbinato a temperature di stoccaggio incredibilmente elevate spinge i confini di ciò che è possibile”.

Henry sottolinea che il design del sistema è geograficamente illimitato, il che significa che può essere posizionato ovunque, indipendentemente dal panorama di un luogo. Ciò è in contrasto con l’idroelettrico mediante pompaggio, attualmente la forma più economica di stoccaggio dell’energia, che richiede luoghi in grado di ospitare grandi cascate e dighe, per immagazzinare energia dall'acqua che cade.

“Questo è geograficamente illimitato, ed è più economico dell'idroelettrico con pompaggio, che è molto eccitante,"dice Henry. Il loro approccio più recente utilizza un programma per computer chiamato dTERMen, questo è il fulcro per consentire alle energie rinnovabili di alimentare l’intera rete”.

fonte: http://news.mit.edu, di Jennifer Chu