Любой, кто когда-либо ступал босиком по пляжу в солнечный день, уходит с большим пониманием того, сколько тепла может удерживать песок. Ожидается, что эта способность сыграет жизненно важную роль в будущем, поскольку технология, использующая нагретый песок, станет частью ответа на потребности в хранении энергии.

Вероятно, большинство людей думают об аккумуляторах как о хранении энергии для последующего использования, но существуют и другие технологии. Гидроаккумулирующая гидроэнергетика является одним из распространенных методов, хотя он требует наличия резервуаров на разных высотах и ​​ограничен географическим положением. Другой подход основан на так называемом накопителе тепловой энергии , или TES, в котором используется расплавленная соль или даже перегретые камни.

TES обещает стать недорогой альтернативой существующим технологиям хранения энергии, а хранение энергии в твердых частицах, таких как песок, дает готовый ответ без геологических ограничений.

Ведь песок, как воздух и вода, есть повсюду.

«До песка легко добраться. Он экологически безопасен. Он стабилен, довольно стабилен в широком диапазоне температур. Он также имеет низкую стоимость», — сказал Чживэнь Ма, инженер-механик из группы теплоэнергетических систем лаборатории.

Необходимость длительного хранения

Запатентованная технология, разработанная и прототипированная в NREL, показывает, как нагреватели, работающие на возобновляемых источниках энергии, таких как ветер и солнечная энергия, могут повышать температуру частиц песка до желаемой температуры. Затем песок помещается в силос для хранения и последующего использования либо для выработки электроэнергии, либо для технологического тепла в промышленных целях. Прототип лабораторного масштаба подтвердил эффективность технологии и позволил исследователям создать компьютерную модель, которая показывает, что устройство коммерческого масштаба будет сохранять более 95% своего тепла в течение как минимум пяти дней.

«Литий-ионные аккумуляторы действительно захватили рынок с возможностью хранения от двух до четырех часов, но если мы хотим достичь наших целей по сокращению выбросов углекислого газа, нам понадобятся устройства длительного хранения энергии — вещи, которые могут хранить энергию в течение нескольких дней», — сказал Джеффри. Гиффорд, научный сотрудник NREL.

Гиффорд, который уже разделяет с Ма два патента на теплообменники , преобразующие накопленную тепловую энергию в электричество, сказал, что использование песка или других частиц для хранения тепловой энергии имеет еще одно преимущество перед батареями. «Накопление тепловой энергии частиц не зависит от редкоземельных материалов или материалов, которые имеют сложные и неустойчивые цепочки поставок. Например, в случае с литий-ионными батареями есть много историй о проблемах более этичной добычи кобальта».

Помимо TES, Гиффорд специализируется на вычислительной гидродинамике. Эти знания важны, поскольку песок должен проходить через накопительное устройство. К другим средам TES относятся бетон и камни, которые легко сохраняют тепло, но остаются прочно на месте. «Ваша теплопередача намного выше, намного быстрее и намного эффективнее, если вы перемещаете носитель», — сказал Гиффорд.

У TES есть еще одно ключевое преимущество: стоимость. Ма подсчитал, что песок является самым дешевым вариантом хранения энергии по сравнению с четырьмя конкурирующими технологиями, включая хранение энергии на сжатом воздухе (CAES), насосную гидроэнергетику и два типа батарей. САЭС и гидроэлектростанции могут хранить энергию только в течение десятков часов.

Стоимость киловатт-часа для САЭС колеблется от 150 до 300 долларов, а для гидроэлектростанций — около 60 долларов. Литий-ионная батарея будет стоить 300 долларов за киловатт-час и способна хранить энергию всего от одного до четырех часов. При продолжительности в сотни часов песок в качестве носителя информации будет стоить от 4 до 10 долларов за киловатт-час. Чтобы обеспечить низкую себестоимость, тепло будет производиться с использованием непиковой и недорогой электроэнергии.

Ма, обладающий несколькими патентами на эту технологию, ранее работал в качестве главного исследователя в финансируемом ARPA-E проекте, известном как ENDURING, по экономичному долговременному хранению электроэнергии за счет использования недорогого хранения тепловой энергии и высокоэффективного энергетического цикла. . Прототип взят из этого проекта.

Следующим шагом в 2025 году будет внедрение системы хранения электрической тепловой энергии (ETES) в кампусе NREL Flatirons недалеко от Боулдера, штат Колорадо, которая будет предназначена для хранения энергии в течение от 10 до 100 часов. Автономная система свободна от каких-либо ограничений по размещению, которые ограничивают места установки САЭС или гидроаккумулирующих гидроэлектростанций.

По словам Ма, демонстрационный проект, финансируемый Министерством энергетики, призван продемонстрировать коммерческий потенциал песка для ТЭС.

Расплавленные соли уже используются для временного хранения энергии, но они замерзают при температуре около 220°C (428°F) и начинают разлагаться при 600°C. Песок, который Ма намеревается использовать, добывается из земли на Среднем Западе Соединенных Штатов, его не нужно предохранять от «замерзания», и он может сохранять значительно больше тепла — в диапазоне 1100°C (2012°F). могут хранить тепло для производства электроэнергии или заменять сжигание ископаемого топлива для получения промышленного тепла.

«Это новое поколение хранилищ помимо расплавленной соли », — сказал Ма.

Решаем, что будет хранить тепло

Но подойдет ли любой старый песок? Нет, по мнению исследователей NREL, которые исследовали различные твердые частицы на предмет их способности течь и сохранять тепло. В статье , опубликованной осенью прошлого года в журнале Solar Energy, Ма и другие экспериментировали с восемью кандидатами на твердые частицы. Среди рассмотренных частиц были искусственные керамические материалы, используемые при гидроразрыве, обожженная кремневая глина, коричневый плавленый глинозем и кварцевый песок. Глина и плавленый оксид алюминия были отклонены из-за термической нестабильности при целевой температуре 1200°C (2192°F).

Керамические материалы превзошли песок по всем категориям, но незначительный прирост производительности был сочтен недостаточным, чтобы оправдать более высокую стоимость. Если песок стоит от 30 до 80 долларов за тонну, то цены на керамические материалы были примерно на две величины выше. Песок представляет собой сверхчистую форму альфа-кварца и легко доступен на Среднем Западе.

Увеличить количество энергии, которую можно хранить в песке, так же просто, как добавить больше песка, говорит Крейг Турчи, менеджер исследовательской группы по науке и технологиям тепловой энергии в NREL.

«Это предельная стоимость добавления дополнительной емкости хранилища», — сказал он. «Нам нужно хранилище от минут до месяцев. Батареи очень хорошо работали в интервале от минут до часов с точки зрения их масштабирования. И когда вы переходите к месяцам хранения, вы обычно ищете топливо, такое как водород, чтобы обеспечить это. долгосрочного хранения. Но в период от нескольких часов до двух недель он сейчас не подходит. Водород для этого слишком дорог. Батареи для этого слишком дороги».

Компоненты, необходимые для преобразования перегретого песка обратно в электричество, требуют первоначальных затрат. «Но как только вы заплатите за это, — сказал Турчи, — если вы просто хотите, чтобы ваша энергия прослужила дольше, гораздо, намного дешевле добавлять больше песка , чем альтернативный вариант — продолжать добавлять батареи».