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 terug te leveren aan een elektriciteitsnet. Het systeem kan worden ontworpen om een ​​kleine stad van stroom te voorzien, niet alleen als de zon op is of de wind hoog staat, maar de klok rond.

Het nieuwe ontwerp slaat de warmte op die wordt gegenereerd door overtollige elektriciteit van zonne- of windenergie in grote tanks van 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 goedkoper zou zijn dan lithium-ionbatterijen, die zijn voorgesteld als een levensvatbare, hoewel duur, manier om duurzame energie op te slaan. Ze schatten ook dat het systeem ongeveer half zoveel zou kosten als gepompte hydro-elektrische opslag - de goedkoopste vorm van energieopslag op netschaal tot nu toe.

"Zelfs als we het net nu op hernieuwbare energie zouden willen laten draaien, zouden we dat niet kunnen, omdat je turbines op fossiele brandstof nodig hebt om te compenseren voor het feit dat het aanbod van hernieuwbare energie niet op aanvraag kan worden verzonden, " zegt Asegun Henry, de Robert N. Noyce Career Development Associate Professor bij de afdeling Werktuigbouwkunde. "We ontwikkelen een nieuwe technologie die, indien succesvol, zou dit meest belangrijke en kritieke probleem op het gebied van energie en klimaatverandering oplossen, namelijk, het opslagprobleem."

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

Tijdelijke opnames

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

"De reden dat technologie interessant is, is dat als je eenmaal dit proces hebt gedaan om het licht te concentreren om warmte te krijgen, je kunt warmte veel goedkoper opslaan dan elektriciteit, ’ merkt Henri op.

Geconcentreerde zonne-installaties slaan zonnewarmte op in grote tanks gevuld met gesmolten zout, die wordt verwarmd tot hoge temperaturen van ongeveer 1, 000 graden Fahrenheit. Wanneer elektriciteit nodig is, het hete zout wordt door een warmtewisselaar gepompt, die de warmte van het zout omzet in stoom. Een turbine zet die stoom vervolgens om in elektriciteit.

"Deze technologie bestaat al een tijdje, maar de gedachte was dat de kosten ervan nooit laag genoeg zullen worden om te concurreren met aardgas, Henry zegt. "Dus er was een druk om bij veel hogere temperaturen te werken, dus je zou een efficiëntere warmtemotor kunnen gebruiken en de kosten kunnen drukken."

Echter, als operators het zout veel boven de huidige temperaturen zouden verhitten, het zout zou de roestvrijstalen tanks aantasten waarin het is opgeslagen. Dus zocht Henry's team naar een ander medium dan zout dat warmte zou kunnen opslaan bij veel hogere temperaturen. Ze stelden aanvankelijk een vloeibaar metaal voor en vestigden zich uiteindelijk op silicium - het meest voorkomende metaal op aarde, die bestand is tegen ongelooflijk hoge temperaturen van meer dan 4, 000 graden Fahrenheit.

Vorig jaar, het team ontwikkelde een pomp die bestand was tegen zulke zinderende hitte, en zou mogelijk vloeibaar silicium door een hernieuwbaar opslagsysteem kunnen pompen. De pomp heeft de hoogste hittetolerantie ooit - een prestatie die wordt vermeld in 'The Guiness Book of World Records'. Sinds die ontwikkeling het team heeft een energieopslagsysteem ontworpen waarin zo'n hogetemperatuurpomp kan worden ingebouwd.

"Zon in een doos"

Nutsvoorzieningen, hebben de onderzoekers hun concept voor een nieuw opslagsysteem voor hernieuwbare energie geschetst, die ze TEGS-MPV noemen, voor Thermal Energy Grid Storage-Multi-Junction Photovoltaics. In plaats van spiegelvelden en een centrale toren te gebruiken om warmte te concentreren, ze stellen voor om elektriciteit die is opgewekt door een hernieuwbare bron om te zetten, zoals zonlicht of wind, in thermische energie, via joule verwarming - een proces waarbij een elektrische stroom door een verwarmingselement gaat.

Het systeem kan worden gekoppeld aan bestaande systemen voor hernieuwbare energie, zoals zonnecellen, om overtollige elektriciteit gedurende de dag op te vangen en op te slaan voor later gebruik. Overwegen, bijvoorbeeld, een klein stadje in Arizona dat een deel van zijn elektriciteit haalt uit een zonnecentrale.

"Stel dat iedereen naar huis gaat van zijn werk, hun airconditioners aanzetten, en de zon gaat onder, maar het is nog steeds warm "zegt Henry. "Op dat moment, de fotovoltaïsche energie zal niet veel output hebben, dus je zou een deel van de energie van eerder op de dag moeten hebben opgeslagen, zoals toen de zon 's middags was. Die overtollige elektriciteit zou kunnen worden omgeleid 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, bewaard op een "koude" temperatuur van bijna 3, 500 graden Fahrenheit. Een bank van buizen, blootgesteld aan verwarmingselementen, verbindt vervolgens deze koude tank met een tweede, "hete" bak. Wanneer elektriciteit van de zonnecellen van de stad in het systeem komt, deze energie wordt in de verwarmingselementen omgezet in warmte. In de tussentijd, vloeibaar silicium wordt uit de koude tank gepompt en warmt verder op als het door de reeks buizen gaat die aan de verwarmingselementen zijn blootgesteld, en in de hete tank, waar de thermische energie nu wordt opgeslagen bij een veel hogere temperatuur van ongeveer 4, 300 F.

Wanneer elektriciteit nodig is, 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, verander dat licht dan in elektriciteit, die aan het stadsnet kunnen worden geleverd. Het nu afgekoelde silicium kan tot de volgende opslagronde terug in de koude tank worden gepompt - en werkt effectief als een grote oplaadbare batterij.

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

Een opslagsleutel

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

"Het spul gloeit witgloeiend van binnen, maar wat je aan de buitenkant aanraakt, moet kamertemperatuur zijn, "zegt Hendrik.

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, die de tank kunnen aantasten.

Om deze mogelijkheid te testen, het team fabriceerde een miniatuur grafiettank en vulde deze met vloeibaar silicium. Toen de vloeistof op 3 werd gehouden, 600 F gedurende ongeveer 60 minuten, siliciumcarbide vormde, maar in plaats van de tank te corroderen, het creëerde een dunne, beschermende voering.

"Het plakt aan het grafiet en vormt een beschermende laag, verdere reactie voorkomen, "zegt Henry. "Dus je kunt deze tank van grafiet bouwen en hij zal niet aantasten door het silicium."

De groep vond ook een manier om een ​​andere uitdaging te omzeilen:aangezien de tanks van het systeem erg groot zouden moeten zijn, het zou onmogelijk zijn om ze uit een enkel 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 weglekt. In hun krant de onderzoekers toonden aan dat ze lekken konden voorkomen door stukjes grafiet aan elkaar te schroeven met koolstofvezelbouten en ze af te dichten met grafoil-flexibel grafiet dat fungeert als een afdichtmiddel bij hoge temperaturen.

De onderzoekers schatten dat een enkel opslagsysteem een ​​kleine stad van ongeveer 100, 000 huishoudens volledig op duurzame energie kunnen draaien.

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 hydro-elektriciteit - momenteel de goedkoopste vorm van energieopslag, waarvoor locaties nodig zijn die grote watervallen en dammen kunnen opvangen, om energie van vallend water op te slaan.

"Dit is geografisch onbeperkt, en is goedkoper dan gepompte hydro, wat erg spannend is, "zegt Henry. "In theorie, dit is de spil om hernieuwbare energie in staat te stellen het hele net van stroom te voorzien."