Инженеры Массачусетского технологического института разработали концептуальный проект системы для хранения возобновляемой энергии, такой как солнечная и ветровая энергия, и доставки этой энергии обратно в электрическую сеть по требованию. Система может быть разработана для обеспечения электроснабжения небольшого города не только при восходе солнца или сильном ветре, но и круглосуточно.
Новая конструкция аккумулирует тепло, вырабатываемое избыточным электричеством от солнечной или ветровой энергии, в больших резервуарах с раскаленным добела расплавленным кремнием, а затем, когда это необходимо, преобразует свет от светящегося металла обратно в электричество. Исследователи считают, что такая система будет намного более доступной, чем литий-ионные батареи, которые были предложены в качестве жизнеспособного, хотя и дорогого метода хранения возобновляемой энергии. Они также подсчитали, что система будет стоить примерно в два раза меньше, чем гидроаккумулирующие насосы - самая дешевая форма хранения энергии в масштабе сети на сегодняшний день.
«Даже если бы мы хотели запустить сеть на возобновляемых источниках энергии прямо сейчас, мы не смогли бы, потому что вам понадобятся турбины, работающие на ископаемом топливе, чтобы компенсировать тот факт, что возобновляемые источники энергии не могут быть отправлены по запросу», - говорит Асегун Генри, адъюнкт-профессор Роберта Н. Нойса по развитию карьеры на факультете машиностроения. «Мы разрабатываем новую технологию, которая в случае успеха решит эту самую важную и критическую проблему в энергетике и изменении климата, а именно проблему хранения."
Генри и его коллеги опубликовали сегодня свой проект в журнале Energy and Environmental Science.
Запись темпов
Новая система хранения возникла в результате проекта, в котором исследователи искали способы повышения эффективности возобновляемой энергии, известной как концентрированная солнечная энергия. В отличие от обычных солнечных электростанций, которые используют солнечные панели для преобразования света непосредственно в электричество, концентрированная солнечная энергия требует обширных полей огромных зеркал, которые концентрируют солнечный свет на центральной башне, где свет преобразуется в тепло, которое в конечном итоге превращается в электричество.
«Причина, по которой технология интересна, заключается в том, что как только вы сделаете этот процесс фокусировки света для получения тепла, вы сможете хранить тепло гораздо дешевле, чем электроэнергию», - отмечает Генри.
Концентрированные солнечные установки хранят солнечное тепло в больших резервуарах, заполненных расплавленной солью, которая нагревается до высоких температур около 1000 градусов по Фаренгейту. Когда требуется электричество, горячая соль прокачивается через теплообменник, который передает тепло соли в пар. Затем турбина превращает этот пар в электричество.
«Эта технология существует уже некоторое время, но считается, что ее стоимость никогда не станет достаточно низкой, чтобы конкурировать с природным газом», - говорит Генри. «Поэтому возникла необходимость работать при гораздо более высоких температурах, чтобы можно было использовать более эффективную тепловую машину и снизить стоимость».
Однако, если бы операторы нагревали соль намного выше текущей температуры, соль разъела бы резервуары из нержавеющей стали, в которых она хранится. Поэтому команда Генри искала среду, отличную от соли, которая могла бы накапливать тепло при гораздо более высоких температурах. Сначала они предложили жидкий металл, а в конце концов остановились на кремнии - самом распространенном металле на Земле, способном выдерживать невероятно высокие температуры, превышающие 4000 градусов по Фаренгейту..
В прошлом году команда разработала насос, способный выдерживать такую сильную жару и, предположительно, перекачивать жидкий кремний через возобновляемую систему хранения. Насос обладает самой высокой термостойкостью за всю историю наблюдений - подвиг, отмеченный в «Книге рекордов Гиннеса». После этой разработки команда занималась разработкой системы накопления энергии, которая могла бы включать в себя такой высокотемпературный насос.
Солнце в коробке
Теперь исследователи изложили свою концепцию новой системы хранения возобновляемой энергии, которую они назвали TEGS-MPV, для хранения тепловой энергии в энергосистеме-многопереходных фотоэлектрических элементах. Вместо того, чтобы использовать поля зеркал и центральную башню для концентрации тепла, они предлагают преобразовывать электричество, вырабатываемое любым возобновляемым источником, таким как солнечный свет или ветер, в тепловую энергию посредством джоулевого нагрева - процесса, при котором электрический ток проходит через нагревательный элемент..
Система может быть объединена с существующими системами возобновляемой энергии, такими как солнечные батареи, для сбора избыточной электроэнергии в течение дня и хранения ее для последующего использования. Возьмем, к примеру, небольшой город в Аризоне, который получает часть электроэнергии от солнечной электростанции.
"Скажем, все идут домой с работы, включают свои кондиционеры, и солнце садится, но все еще жарко", - говорит Генри. «В этот момент у фотогальваники не будет большой мощности, поэтому вам придется хранить часть энергии, полученной в начале дня, например, когда солнце светило в полдень. Это избыточное электричество можно было бы направить в хранилище. система, которую мы здесь изобрели."
Система будет состоять из большого, хорошо изолированного, 10-метрового резервуара, сделанного из графита и заполненного жидким кремнием, поддерживаемого при «холодной» температуре почти 3 500 градусов по Фаренгейту. Ряд трубок, соединенных с нагревательными элементами, затем соединяет этот холодный резервуар со вторым, «горячим» резервуаром. Когда электричество от городских солнечных батарей поступает в систему, эта энергия преобразуется в тепло в нагревательных элементах. Между тем, жидкий кремний выкачивается из холодного резервуара и далее нагревается, проходя через ряд трубок, подвергающихся воздействию нагревательных элементов, и попадает в горячий резервуар, где теперь сохраняется тепловая энергия при гораздо более высокой температуре, около 4°С., 300 ф.
Когда электричество необходимо, скажем, после захода солнца, горячий жидкий кремний - настолько горячий, что светится белым - прокачивается через множество трубок, излучающих этот свет. Специализированные солнечные элементы, известные как многопереходные фотоэлектрические элементы, затем превращают этот свет в электричество, которое можно подавать в городскую сеть. Охлажденный кремний можно перекачивать обратно в холодный резервуар до следующего цикла хранения, эффективно действуя как большая перезаряжаемая батарея.
«Одним из ласковых названий, которые люди начали называть нашей концепцией, является «солнце в коробке», которое придумала моя коллега Шеннон Йи из Технологического института Джорджии», - говорит Генри. «По сути, это чрезвычайно интенсивный источник света, заключенный в коробку, удерживающую тепло».
Ключ хранения
Генри говорит, что для системы потребуются резервуары достаточной толщины и прочности, чтобы изолировать расплавленную жидкость внутри.
"Материал раскален добела внутри, но то, к чему вы прикасаетесь снаружи, должно быть комнатной температуры", - говорит Генри.
Он предложил делать баки из графита. Но есть опасения, что кремний при таких высоких температурах будет реагировать с графитом с образованием карбида кремния, который может вызвать коррозию бака.
Чтобы проверить эту возможность, команда изготовила миниатюрный графитовый резервуар и наполнила его жидким кремнием. Когда жидкость выдерживали при температуре 3 600 F в течение примерно 60 минут, карбид кремния действительно образовался, но вместо того, чтобы разъедать резервуар, он создал тонкий защитный слой.
«Он прилипает к графиту и образует защитный слой, предотвращающий дальнейшую реакцию», - говорит Генри. «Таким образом, вы можете построить этот бак из графита, и он не будет подвергаться коррозии из-за кремния».
Группа также нашла способ обойти еще одну проблему: поскольку резервуары системы должны быть очень большими, их невозможно построить из одного куска графита. Если бы вместо этого они были сделаны из нескольких частей, их пришлось бы герметизировать таким образом, чтобы предотвратить утечку расплавленной жидкости. В своей статье исследователи продемонстрировали, что они могут предотвратить любые утечки, свинчивая куски графита болтами из углеродного волокна и герметизируя их графитом - гибким графитом, который действует как высокотемпературный герметик.
По оценкам исследователей, одна система хранения может позволить небольшому городу, состоящему примерно из 100 000 домов, полностью питаться от возобновляемых источников энергии.
Генри подчеркивает, что конструкция системы географически не ограничена, а это означает, что ее можно разместить в любом месте, независимо от ландшафта местности. Это контрастирует с насосной гидроэлектростанцией - в настоящее время самой дешевой формой хранения энергии, для которой требуются места, где можно разместить большие водопады и плотины, чтобы накапливать энергию от падающей воды.
«Это географически не ограничено, и дешевле, чем насосная гидроэнергетика, что очень интересно», - говорит Генри. «Теоретически это ключ к тому, чтобы возобновляемые источники энергии могли питать всю сеть».