Sol i en kasse ville gemme vedvarende energi til nettet

MIT-ingeniører har fundet frem til et konceptuelt design til et system til lagring af vedvarende energi, som sol- og vindkraft, og levere den energi tilbage til et elnet efter behov. Systemet kan være designet til at drive en lille by, ikke kun når solen er oppe eller vinden er høj, men døgnet rundt.

Det nye design lagrer varme genereret af overskydende elektricitet fra sol- eller vindkraft i store tanke med hvidglødende smeltet silicium, og konverterer derefter lyset fra det glødende metal tilbage til elektricitet, når det er nødvendigt. Forskerne vurderer, at et sådant system ville være langt mere overkommeligt end lithium-ion-batterier, som er blevet foreslået som en levedygtig, selvom det er dyrt, metode til at lagre vedvarende energi. De anslår også, at systemet vil koste omkring halvt så meget som pumpet vandkraftlagring - den billigste form for energilagring i netskala til dato.

"Selv hvis vi ville køre nettet på vedvarende energi lige nu, kunne vi ikke, fordi du har brug for fossile møller for at kompensere for, at den vedvarende energi ikke kan sendes efter behov, " siger Asegun Henry, Robert N. Noyce Karriereudviklingslektor ved Institut for Maskinteknik. "Vi er ved at udvikle en ny teknologi, der hvis det lykkes, ville løse dette vigtigste og mest kritiske problem inden for energi og klimaændringer, nemlig opbevaringsproblemet."

Henry og hans kolleger har offentliggjort deres design i dag i tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab .

Optag vikarer

Det nye lagringssystem stammer fra et projekt, hvor forskerne ledte efter måder at øge effektiviteten af ​​en form for vedvarende energi kendt som koncentreret solenergi. I modsætning til konventionelle solcelleanlæg, der bruger solpaneler til at omdanne lys direkte til elektricitet, koncentreret solenergi kræver store felter med enorme spejle, der koncentrerer sollys på et centralt tårn, hvor lyset omdannes til varme, der til sidst omdannes til elektricitet.

"Grunden til at teknologi er interessant er, når du først laver denne proces med at fokusere lyset for at få varme, du kan lagre varme meget billigere end du kan lagre elektricitet, "Bemærker Henry.

Koncentrerede solcelleanlæg lagrer solvarme i store tanke fyldt med smeltet salt, som opvarmes til høje temperaturer på ca. 1, 000 grader Fahrenheit. Når der er brug for strøm, det varme salt pumpes gennem en varmeveksler, som overfører saltets varme til damp. En turbine omdanner så den damp til elektricitet.

"Denne teknologi har eksisteret i et stykke tid, men tanken har været, at omkostningerne aldrig bliver lave nok til at konkurrere med naturgas, " siger Henry. "Så der var et skub for at arbejde ved meget højere temperaturer, så du kunne bruge en mere effektiv varmemotor og få omkostningerne ned."

Imidlertid, hvis operatørerne opvarmede saltet meget over de nuværende temperaturer, saltet vil tære de rustfrie ståltanke, hvor det opbevares. Så Henrys team ledte efter et andet medium end salt, der kunne lagre varme ved meget højere temperaturer. De foreslog oprindeligt et flydende metal og slog sig til sidst på silicium - det mest udbredte metal på Jorden, som kan modstå utrolig høje temperaturer på over 4, 000 grader Fahrenheit.

Sidste år, holdet udviklede en pumpe, der kunne modstå sådan blærende varme, og kunne tænkes at pumpe flydende silicium gennem et vedvarende lagersystem. Pumpen har den højeste varmetolerance nogensinde - en bedrift, der er noteret i "The Guiness Book of World Records". Siden den udvikling, holdet har designet et energilagringssystem, der kunne inkorporere en sådan højtemperaturpumpe.

"Sol i en kasse"

Nu, forskerne har skitseret deres koncept for et nyt lagringssystem for vedvarende energi, som de kalder TEGS-MPV, til termisk energinetlagring-multi-junction solcelleanlæg. I stedet for at bruge felter med spejle og et centralt tårn til at koncentrere varmen, de foreslår at konvertere elektricitet genereret af enhver vedvarende kilde, såsom sollys eller vind, til termisk energi, via joule-opvarmning - en proces, hvorved en elektrisk strøm passerer gennem et varmeelement.

Systemet kunne parres med eksisterende vedvarende energisystemer, som solceller, at fange overskydende elektricitet i løbet af dagen og opbevare det til senere brug. Overveje, for eksempel, en lille by i Arizona, der får en del af sin elektricitet fra et solcelleanlæg.

"Sig, at alle går hjem fra arbejde, tænder deres klimaanlæg, og solen går ned, men det er stadig varmt, " siger Henry. "På det tidspunkt, solcelleanlægget vil ikke have meget effekt, så du skal have gemt noget af energien fra tidligere på dagen, som da solen var ved middagstid. Den overskydende elektricitet kunne dirigeres til det lagersystem, vi har opfundet her."

Systemet vil bestå af et stort, stærkt isoleret, 10 meter bred tank lavet af grafit og fyldt med flydende silicium, holdes ved en "kold" temperatur på næsten 3, 500 grader Fahrenheit. En bank af rør, udsat for varmeelementer, forbinder derefter denne kolde tank til et sekund, "varm" tank. Når der kommer strøm fra byens solceller i systemet, denne energi omdannes til varme i varmeelementerne. I mellemtiden, flydende silicium pumpes ud af den kolde tank og opvarmes yderligere, når det passerer gennem rækken af ​​rør, der er udsat for varmeelementerne, og ind i den varme tank, hvor den termiske energi nu er lagret ved en meget højere temperatur på omkring 4, 300 F.

Når der er brug for strøm, sige, efter solen er gået ned, det varme flydende silicium – så varmt, at det lyser hvidt – pumpes gennem en række rør, der udsender det lys. Specialiserede solceller, kendt som multijunction photovoltaics, så gør det lys til elektricitet, som kan leveres til byens net. Det nu afkølede silicium kan pumpes tilbage i den kolde tank indtil næste opbevaringsrunde – fungerer effektivt som et stort genopladeligt batteri.

"Et af de kærlige navne, folk er begyndt at kalde vores koncept, er 'sol i en kasse, ' som blev opfundet af min kollega Shannon Yee ved Georgia Tech, " siger Henry. "Det er dybest set en ekstremt intens lyskilde, der alt sammen er indeholdt i en kasse, der fanger varmen."

En opbevaringsnøgle

Henry siger, at systemet ville kræve tanke tykke og stærke nok til at isolere den smeltede væske indeni.

"Tingene lyser hvidglødende indeni, men det, du rører på ydersiden, skal være stuetemperatur, " siger Henry.

Han har foreslået, at tankene skal laves af grafit. Men der er bekymring for, at silicium, ved så høje temperaturer, ville reagere med grafit for at producere siliciumcarbid, som kunne tære tanken.

For at teste denne mulighed, holdet fremstillede en miniature grafittank og fyldte den med flydende silicium. Når væsken blev holdt ved 3, 600 F i cirka 60 minutter, siliciumcarbid dannedes, men i stedet for at korrodere tanken, det skabte en tynd, beskyttende foring.

"Det klæber til grafitten og danner et beskyttende lag, forhindre yderligere reaktion, "Siger Henry. "Så du kan bygge denne tank af grafit, og den bliver ikke korroderet af silicium."

Gruppen fandt også en vej uden om en anden udfordring:Da systemets tanke skulle være meget store, det ville være umuligt at bygge dem af et enkelt stykke grafit. Hvis de i stedet blev lavet af flere stykker, disse skal forsegles på en sådan måde at forhindre, at den smeltede væske lækker ud. I deres papir, forskerne demonstrerede, at de kunne forhindre lækager ved at skrue stykker grafit sammen med kulfiberbolte og forsegle dem med grafoil-fleksibel grafit, der fungerer som et tætningsmiddel ved høj temperatur.

Forskerne vurderer, at et enkelt lagringssystem kunne muliggøre en lille by på omkring 100, 000 hjem, der udelukkende skal drives af vedvarende energi.

Henry understreger, at systemets design er geografisk ubegrænset, hvilket betyder, at det kan placeres hvor som helst, uanset landskabets placering. Dette er i modsætning til pumpet vandkraft - i øjeblikket den billigste form for energilagring, som kræver steder, der kan rumme store vandfald og dæmninger, for at lagre energi fra faldende vand.

"Dette er geografisk ubegrænset, og er billigere end pumpet vandkraft, hvilket er meget spændende, " siger Henry. "I teorien, dette er nøglen til at gøre det muligt for vedvarende energi at drive hele nettet."