„Słońce w pudełku” magazynowałoby energię odnawialną dla sieci: Projekt dla systemu dostarczającego energię słoneczną- lub energia wiatrowa na żądanie powinna być tańsza niż inne wiodące opcje

Inżynierowie z MIT opracowali projekt koncepcyjny systemu do magazynowania energii odnawialnej, jak energia słoneczna i wiatrowa, i dostarczać tę energię z powrotem do sieci elektrycznej na żądanie. System może być zaprojektowany do zasilania małego miasta nie tylko wtedy, gdy świeci słońce lub wieje silny wiatr, ale całą dobę.

Nowy projekt przechowuje ciepło wytwarzane przez nadmiar energii elektrycznej z energii słonecznej lub wiatrowej w dużych zbiornikach z rozpalonym do białości stopionym krzemem, a następnie przekształca światło z żarzącego się metalu z powrotem w energię elektryczną, gdy jest to potrzebne. Naukowcy szacują, że taki system byłby znacznie tańszy niż akumulatory litowo-jonowe, które zostały zaproponowane jako wykonalne, choć drogie, sposób magazynowania energii odnawialnej. Szacują również, że system kosztowałby około połowę tego, co elektrownie szczytowo-pompowe – najtańsza jak dotąd forma magazynowania energii w skali sieci.

Naukowcy z MIT proponują koncepcję odnawialnego systemu magazynowania, na zdjęciu tutaj, który magazynowałby energię słoneczną i wiatrową w postaci rozpalonego do białości płynnego krzemu, przechowywane w dobrze izolowanych zbiornikach. Konie mają największe oczy ze wszystkich ssaków lądowych: Duncana MacGruera

„Nawet gdybyśmy chcieli teraz uruchomić sieć na źródłach odnawialnych, nie moglibyśmy, ponieważ potrzebne byłyby turbiny napędzane paliwami kopalnymi, aby zrekompensować fakt, że dostawy energii odnawialnej nie mogą być wysyłane na żądanie,– mówi Asegun Henry, Roberta N. Noyce Career Development Associate Professor na Wydziale Inżynierii Mechanicznej. „Opracowujemy nową technologię, która, jeśli się powiedzie, rozwiązałoby ten najważniejszy i krytyczny problem dotyczący energii i zmian klimatycznych, mianowicie, problem z przechowywaniem”.

Henry i jego współpracownicy opublikowali dziś swój projekt w czasopiśmie Nauki o energetyce i środowisku.

Rekordowe temp

Nowy system magazynowania wywodzi się z projektu, w ramach którego naukowcy szukali sposobów na zwiększenie wydajności formy energii odnawialnej znanej jako skoncentrowana energia słoneczna. W przeciwieństwie do konwencjonalnych elektrowni słonecznych, które wykorzystują panele słoneczne do przekształcania światła bezpośrednio w energię elektryczną, skoncentrowana energia słoneczna wymaga rozległych pól ogromnych luster, które skupiają światło słoneczne na centralnej wieży, gdzie światło jest przekształcane w ciepło, które ostatecznie zamienia się w energię elektryczną.

„Powodem, dla którego technologia jest interesująca, jest, kiedy wykonasz ten proces skupiania światła, aby uzyskać ciepło, ciepło można magazynować znacznie taniej niż energię elektryczną,” zauważa Henryk.

Skoncentrowane elektrownie słoneczne przechowują ciepło słoneczne w dużych zbiornikach wypełnionych stopioną solą, który nagrzewa się do wysokich temperatur ok 1,000 stopni Fahrenheita. Kiedy potrzebna jest energia elektryczna, gorąca sól jest pompowana przez wymiennik ciepła, który zamienia ciepło soli w parę. Następnie turbina zamienia tę parę w energię elektryczną.

„Ta technologia istnieje już od jakiegoś czasu, ale myślano, że jego koszt nigdy nie spadnie na tyle nisko, aby konkurować z gazem ziemnym,— mówi Henryk. „Istniał więc nacisk na pracę w znacznie wyższych temperaturach, więc możesz użyć bardziej wydajnego silnika cieplnego i obniżyć koszty”.

Jednakże, gdyby operatorzy podgrzewali sól znacznie powyżej obecnych temperatur, sól spowodowałaby korozję zbiorników ze stali nierdzewnej, w których jest przechowywana. Dlatego zespół Henry'ego szukał medium innego niż sól, które mogłoby magazynować ciepło w znacznie wyższych temperaturach. Początkowo zaproponowali ciekły metal i ostatecznie zdecydowali się na krzem — najobficiej występujący metal na Ziemi, który może wytrzymać niewiarygodnie wysokie temperatury powyżej 4,000 stopni Fahrenheita.

Ostatni rok, zespół opracował pompę, która jest w stanie wytrzymać tak piekielne upały, i prawdopodobnie mógłby pompować ciekły krzem przez odnawialny system magazynowania. Pompa ma najwyższą odporność na ciepło w historii — wyczyn odnotowany w „Księdze Rekordów Guinnessa”. Od tamtego rozwoju, zespół projektował system magazynowania energii, który mógłby zawierać taką pompę wysokotemperaturową.

„Słońce w pudełku”

Ale już, naukowcy nakreślili swoją koncepcję nowego systemu magazynowania energii odnawialnej, które nazywają TEGS-MPV, dla sieci magazynowania energii cieplnej - wielozłączowej fotowoltaiki. Zamiast używać pól luster i centralnej wieży do skupiania ciepła, proponują konwersję energii elektrycznej wytwarzanej z dowolnego źródła odnawialnego, jak światło słoneczne czy wiatr, w energię cieplną, poprzez ogrzewanie dżulowe — proces, w którym prąd elektryczny przepływa przez element grzejny.

System można sparować z istniejącymi systemami energii odnawialnej, takich jak ogniwa słoneczne, do wychwytywania nadmiaru energii elektrycznej w ciągu dnia i przechowywania jej do późniejszego wykorzystania. Rozważać, na przykład, małe miasteczko w Arizonie, które otrzymuje część energii elektrycznej z elektrowni słonecznej.

„Powiedzmy, że wszyscy wracają z pracy do domu, włączając swoje klimatyzatory, a słońce zachodzi, ale nadal jest gorąco,— mówi Henryk. "W tym momencie, fotowoltaika nie będzie miała dużej mocy, więc musiałbyś zmagazynować trochę energii z wcześniejszej części dnia, jak wtedy, gdy słońce było w południe. Ta nadwyżka energii elektrycznej mogłaby zostać skierowana do systemu magazynowania, który tutaj wynaleźliśmy.

System składałby się z dużego, mocno ocieplony, 10-metrowy zbiornik wykonany z grafitu i wypełniony płynnym silikonem, utrzymywane w „zimnej” temperaturze ok 3,500 stopni Fahrenheita. Bank tub, exposed to heating elements, następnie łączy ten zimny zbiornik z drugim, „gorący” zbiornik. Kiedy energia elektryczna z miejskich ogniw słonecznych trafia do systemu, energia ta jest przekształcana w ciepło w elementach grzejnych. W międzyczasie, ciekły krzem jest wypompowywany z zimnego zbiornika i dalej się nagrzewa, gdy przechodzi przez rząd rurek wystawionych na działanie elementów grzejnych, i do gorącego zbiornika, gdzie energia cieplna jest teraz magazynowana w znacznie wyższej temperaturze ok 4,300 F.

Kiedy potrzebna jest energia elektryczna, mowić, po zachodzie słońca, gorący ciekły krzem – tak gorący, że świeci na biało – jest pompowany przez szereg rurek emitujących to światło. Specjalistyczne ogniwa słoneczne, znanej jako fotowoltaika wielozłączowa, następnie zamień to światło w elektryczność, które można dostarczyć do sieci miejskiej. Teraz schłodzony krzem można wpompować z powrotem do zimnego zbiornika do następnej rundy przechowywania — działając skutecznie jak duży akumulator.

„Jedna z pieszczotliwych nazw, które ludzie zaczęli nazywać naszą koncepcję, to „słońce w pudełku”.,’, który został wymyślony przez mojego kolegę Shannona Yee z Georgia Tech,— mówi Henryk. „W zasadzie jest to niezwykle intensywne źródło światła, które mieści się w pudełku, które zatrzymuje ciepło”.

Klucz do przechowywania

Henry mówi, że system wymagałby zbiorników grubych i wystarczająco mocnych, aby zaizolować stopioną ciecz w środku.

„Materiał rozżarza się do białości w środku, ale to, czego dotkniesz na zewnątrz, powinno mieć temperaturę pokojową,— mówi Henryk.

Zaproponował wykonanie zbiorników z grafitu. Ale są obawy, że krzem, przy tak wysokich temperaturach, reagowałby z grafitem, tworząc węglik krzemu, co mogłoby spowodować korozję zbiornika.

Aby przetestować tę możliwość, zespół wyprodukował miniaturowy zbiornik grafitowy i napełnił go płynnym krzemem. Gdy płyn był utrzymywany w temp 3,600 F przez około 60 minuty, utworzył się węglik krzemu, ale zamiast korozji zbiornika, stworzył cienką, wkładka ochronna.

„Przykleja się do grafitu i tworzy warstwę ochronną, zapobieganie dalszej reakcji,— mówi Henryk. „Więc możesz zbudować ten zbiornik z grafitu i nie zostanie on skorodowany przez krzem”.

Grupa znalazła również sposób na obejście innego wyzwania: Ponieważ zbiorniki systemu musiałyby być bardzo duże, niemożliwe byłoby zbudowanie ich z jednego kawałka grafitu. Gdyby zamiast tego były wykonane z wielu kawałków, musiałyby one być uszczelnione w taki sposób, aby zapobiec wyciekaniu stopionej cieczy. W ich gazecie, naukowcy wykazali, że mogą zapobiec wszelkim wyciekom, skręcając kawałki grafitu razem ze śrubami z włókna węglowego i uszczelniając je grafoilem — elastycznym grafitem, który działa jak uszczelniacz wysokotemperaturowy.

Naukowcy szacują, że pojedynczy system pamięci masowej mógłby zapewnić małe miasto o powierzchni ok 100,000 domów w całości zasilanych energią odnawialną.

„Innowacje w zakresie magazynowania energii przeżywają teraz swój moment,” mówi Addison Stark, zastępca dyrektora ds. innowacji energetycznych w Bipartisan Policy Center, i dyrektor personalny Amerykańskiej Rady ds. Innowacji Energetycznych. „Technolodzy energii uznają imperatyw posiadania niskich kosztów, dostępne wysokowydajne opcje magazynowania w celu zrównoważenia niewysyłek technologii wytwarzania w sieci. Fluorescencja w tym kontekście jest często nieformalnie nazywana, w tej chwili pojawia się wiele świetnych pomysłów. W tym przypadku, opracowanie półprzewodnikowego bloku mocy w połączeniu z niewiarygodnie wysokimi temperaturami przechowywania przesuwa granice tego, co jest możliwe”.

Henry podkreśla, że ​​konstrukcja systemu jest geograficznie nieograniczona, co oznacza, że ​​można go umieścić w dowolnym miejscu, niezależnie od krajobrazu lokalizacji. Kontrastuje to z hydroelektrownią szczytowo-pompową — obecnie najtańszą formą magazynowania energii, co wymaga lokalizacji, które mogą pomieścić duże wodospady i tamy, w celu magazynowania energii ze spadającej wody.

„To jest geograficznie nieograniczone, i jest tańsza niż pompa wodna, co jest bardzo ekscytujące,— mówi Henryk. Ich najnowsze podejście wykorzystuje program komputerowy o nazwie dTERMen, jest to filar umożliwiający energii odnawialnej zasilanie całej sieci”.

Źródło: http://news.mit.edu, przez Jennifer Chu