‘Sun in a box’ zou hernieuwbare energie opslaan voor het elektriciteitsnet: Ontwerp voor een systeem dat zonne-energie levert- of door wind opgewekte energie op aanvraag zou goedkoper moeten zijn dan andere toonaangevende opties

MIT-ingenieurs hebben een conceptueel ontwerp bedacht voor een systeem om hernieuwbare energie op te slaan, zoals zonne- en windenergie, en die energie op verzoek terugleveren aan een elektriciteitsnet. Het systeem kan ontworpen zijn om een ​​kleine stad niet alleen van stroom te voorzien als de zon schijnt of de wind hard staat, maar de klok rond.

Het nieuwe ontwerp slaat warmte op die wordt gegenereerd door overtollige elektriciteit uit zonne- of windenergie in grote tanks met witgloeiend gesmolten silicium, en zet het licht van het gloeiende metaal vervolgens weer om in elektriciteit wanneer dat nodig is. De onderzoekers schatten dat een dergelijk systeem veel betaalbaarder zou zijn dan lithium-ionbatterijen, die als levensvatbaar zijn voorgesteld, hoewel duur, methode om duurzame energie op te slaan. Ze schatten ook dat het systeem ongeveer de helft zoveel zou kosten als gepompte waterkrachtopslag – de goedkoopste vorm van energieopslag op netschaal tot nu toe..

MIT-onderzoekers stellen een concept voor een hernieuwbaar opslagsysteem voor, hier afgebeeld, die zonne- en windenergie zou opslaan in de vorm van gloeiend heet vloeibaar silicium, opgeslagen in zwaar geïsoleerde tanks. Beeld: Duncan MacGruer

“Zelfs als we het elektriciteitsnet op dit moment op hernieuwbare energiebronnen zouden willen laten draaien, zouden we dat niet kunnen, omdat je turbines op fossiele brandstoffen nodig hebt om het feit te compenseren dat het hernieuwbare aanbod niet op afroep kan worden geleverd,zegt Asegun Henry, de Robert N. Noyce Career Development Universitair hoofddocent bij de afdeling Werktuigbouwkunde. “We ontwikkelen een nieuwe technologie die, indien succesvol, zou dit belangrijkste en kritieke probleem op het gebied van energie en klimaatverandering oplossen, Nu is het jou beurt, het opslagprobleem.”

Henry en zijn collega's hebben hun ontwerp vandaag in het tijdschrift gepubliceerd Energie- en milieuwetenschappen.

Neem temperaturen op

Het nieuwe opslagsysteem komt voort uit een project waarin de onderzoekers zochten naar manieren om de efficiëntie te vergroten van een vorm van hernieuwbare energie die bekend staat als geconcentreerde zonne-energie.. In tegenstelling tot conventionele zonnecentrales die zonnepanelen gebruiken om licht direct om te zetten in elektriciteit, geconcentreerde zonne-energie vereist uitgestrekte velden van grote spiegels die het zonlicht concentreren op een centrale toren, waar het licht wordt omgezet in warmte die uiteindelijk omgezet in elektriciteit.

“De reden dat de technologie interessant is, zodra je dit proces van zich te concentreren het licht om warmte te krijgen, U kunt de warmte veel goedkoper dan je kan elektriciteit op te slaan op te slaan,”Henry notes.

Geconcentreerde zonne-installaties opslaan zonnewarmte in grote tanks gevuld met gesmolten zout, die wordt verhit tot een temperatuur van ongeveer 1,000 graden Fahrenheit. Wanneer de elektriciteit is nodig, de hete zout wordt gepompt door een warmtewisselaar, die warmte over het zout's in stoom. Een turbine draait dan die stoom in elektriciteit.

“Deze technologie is al een tijdje, maar het denken is dat de kosten nooit zal krijgen laag genoeg om te concurreren met aardgas,”Henry zegt. “Er was dus een druk om te werken bij veel hogere temperaturen, dus je zou een meer efficiënte warmte-engine te gebruiken en de kosten naar beneden.”

Echter, Als operators waren om het zout te veel verder dan de huidige temperatuur te verwarmen, het zout zou de roestvrijstalen tanks waarin het wordt opgeslagen corroderen. Dus Henry's team gekeken naar een ander medium dan zout die warmte kunnen slaan bij veel hogere temperaturen. Ze aanvankelijk voorgesteld een vloeibaar metaal en uiteindelijk afgerekend op silicium - het meest voorkomende metaal op aarde, die ongelooflijk hoge temperaturen van meer dan kan weerstaan 4,000 graden Fahrenheit.

Vorig jaar, het team ontwikkelde een pomp die dergelijke zinderende hitte kan weerstaan, en denkbaar pomp vloeibaar silicium via een systeem duurzame opslag. De pomp heeft de hoogste hittetolerantie ooit gemeten – een prestatie die wordt vermeld in ‘The Guiness Book of World Records’. Sinds die ontwikkeling, het team heeft een energieopslagsysteem ontworpen dat een dergelijke hogetemperatuurpomp zou kunnen bevatten.

“Zon in een doosje”

Nu, de onderzoekers hebben hun concept geschetst voor een nieuw opslagsysteem voor hernieuwbare energie, die zij TEGS-MPV noemen, voor opslag van thermische energienetwerken en fotovoltaïsche zonne-energie met meerdere knooppunten. In plaats van spiegelvelden en een centrale toren te gebruiken om de warmte te concentreren, zij voorstellen omzetten van elektriciteit door een hernieuwbare, zoals zonlicht en wind, in thermische energie, via jouleverhitting - een proces waarbij een elektrische stroom door een verwarmingselement.

Het systeem kan worden gecombineerd met bestaande systemen voor hernieuwbare energie, zoals zonnecellen, om overtollige elektriciteit vast te leggen tijdens de dag en op te slaan voor later gebruik. Overwegen, bijvoorbeeld, een klein stadje in Arizona dat een deel van zijn elektriciteit krijgt van een zonne-energiecentrale.

“Zeg gaat iedereen thuis van het werk, hun airconditioners aanzetten, en de zon gaat onder, maar het is nog steeds warm,”Henry zegt. "Op dat punt, de fotovoltaïsche zonne-energie zal niet veel opbrengst hebben, dus je zou een deel van de energie van eerder op de dag moeten hebben opgeslagen, zoals toen de zon op de middag stond. Die overtollige elektriciteit kan worden gerouteerd naar het opslagsysteem dat we hier hebben uitgevonden.”

Het systeem zou bestaan ​​uit een grote, zwaar geïsoleerd, 10-meter brede tank gemaakt van grafiet en gevuld met vloeibaar silicium, gehouden op een “koude” temperatuur van bijna 3,500 graden Fahrenheit. Een bank met buizen, blootgesteld aan verwarmingselementen, verbindt deze koude tank vervolgens met een tweede, “hete” tank. Wanneer elektriciteit uit de zonnecellen van de stad in het systeem komt, deze energie wordt in de verwarmingselementen omgezet in warmte. Ondertussen, vloeibaar silicium wordt uit de koude tank gepompt en warmt verder op terwijl het door de reeks buizen gaat die zijn blootgesteld aan de verwarmingselementen, en in de hete tank, waar de thermische energie nu wordt opgeslagen bij een veel hogere temperatuur van ongeveer 4,300 F.

Wanneer de elektriciteit is nodig, zeggen, nadat de zon is ondergegaan, het hete vloeibare silicium – zo heet dat het wit gloeit – wordt door een reeks buizen gepompt die dat licht uitstralen. Gespecialiseerde zonnecellen, bekend als multijunction fotovoltaïsche zonne-energie, verander dat licht dan in elektriciteit, die aan het stadsnet kunnen worden geleverd. Het nu gekoelde silicium kan terug in de koude tank worden gepompt tot de volgende opslagronde – en fungeert effectief als een grote oplaadbare batterij.

“Een van de liefdevolle namen die mensen ons concept zijn gaan noemen, is ‘zon in een doos’,' dat werd bedacht door mijn collega Shannon Yee van Georgia Tech,”Henry zegt. "Het is eigenlijk een extreem intense lichtbron die allemaal in een doos zit die de warmte vasthoudt."

Een opbergsleutel

Henry zegt dat het systeem tanks nodig heeft die dik en sterk genoeg zijn om de gesmolten vloeistof erin te isoleren.

“Het spul is van binnen gloeiend heet, maar wat je aan de buitenkant aanraakt, moet op kamertemperatuur zijn,”Henry zegt.

Hij heeft voorgesteld de tanks van grafiet te maken. Maar er zijn zorgen dat silicium, bij zulke hoge temperaturen, zou reageren met grafiet om siliciumcarbide te produceren, waardoor de tank kan corroderen.

Om deze mogelijkheid te testen, the team fabricated a miniature graphite tank and filled it with liquid silicon. Toen de vloeistof werd bewaard 3,600 F voor ongeveer 60 notulen, er vormde zich siliciumcarbide, maar in plaats van de tank te corroderen, het creëerde een dunne, beschermende voering.

“Het blijft aan het grafiet plakken en vormt een beschermlaag, verdere reactie voorkomen,”Henry zegt. “Je kunt deze tank dus uit grafiet bouwen zonder dat hij door het silicium wordt gecorrodeerd.”

De groep vond ook een manier om een ​​andere uitdaging te omzeilen: Omdat de tanks van het systeem erg groot zouden moeten zijn, het zou onmogelijk zijn om ze uit één stuk grafiet te bouwen. Als ze in plaats daarvan uit meerdere stukken waren gemaakt, deze zouden zo moeten worden afgedicht dat de gesmolten vloeistof niet naar buiten lekt. In hun paper, de onderzoekers toonden aan dat ze lekkages konden voorkomen door stukjes grafiet aan elkaar te schroeven met koolstofvezelbouten en deze af te dichten met grafoil - flexibel grafiet dat fungeert als afdichtmiddel bij hoge temperaturen.

De onderzoekers schatten dat een enkel opslagsysteem een ​​kleine stad van ongeveer 1000 inwoners zou kunnen voorzien 100,000 woningen volledig van hernieuwbare energie zullen worden voorzien.

“Innovatie op het gebied van energieopslag heeft momenteel een moment,zegt Addison Stark, associate director voor energie-innovatie bij het Bipartisan Policy Center, en stafdirecteur van de American Energy Innovation Council. “Energietechnologen erkennen de noodzaak van lage kosten, Er zijn zeer efficiënte opslagopties beschikbaar om niet-verstuurbare opwekkingstechnologieën op het elektriciteitsnet in evenwicht te brengen. Als zodanig, Er komen momenteel veel geweldige ideeën naar voren. In dit geval, de ontwikkeling van een solid-state energieblok in combinatie met ongelooflijk hoge opslagtemperaturen verlegt de grenzen van wat mogelijk is.”

Henry benadrukt dat het ontwerp van het systeem geografisch onbeperkt is, wat betekent dat het overal kan worden geplaatst, ongeacht het landschap van een locatie. Dit in tegenstelling tot gepompte waterkrachtcentrales, momenteel de goedkoopste vorm van energieopslag, waarvoor locaties nodig zijn die grote watervallen en dammen kunnen huisvesten, om energie uit vallend water op te slaan.

“Dit is geografisch onbeperkt, en is goedkoper dan gepompte waterkracht, dat is heel spannend,”Henry zegt. "In theorie, dit is de spil om ervoor te zorgen dat hernieuwbare energie het hele elektriciteitsnet van stroom kan voorzien.”

Bron: http://news.mit.edu, door Jennifer Chu