Veel processen die elektriciteit opwekken, produceren ook warmte, een krachtige energiebron die vaak overal onbenut blijft, van fabrieken tot voertuigen tot energiecentrales. Een innovatief systeem dat momenteel wordt ontwikkeld in het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), kan snel warmte opslaan en vrijgeven voor gebruik wanneer dat nodig is, conventionele opslagopties overtreft in zowel flexibiliteit als efficiëntie.

Argonne's thermische energieopslagsysteem, of TESS, is oorspronkelijk ontwikkeld om overtollige warmte van geconcentreerde zonne-energie-installaties op te vangen en op te slaan. Het is ook geschikt voor een verscheidenheid aan commerciële toepassingen, inclusief ontziltingsinstallaties, warmtekrachtkoppeling (WKK) systemen, industriële processen, en zware vrachtwagens.

Het kunnen terugwinnen en gebruiken van restwarmte kan de efficiëntie verhogen en de kosten verlagen door meer energie uit dezelfde hoeveelheid brandstof te halen. In het geval van een elektriciteits- of ontziltingsinstallatie die draait op geconcentreerde zonne-energie, de TESS kan overdag warmte opvangen en 's nachts afgeven om de plant draaiende te houden. Het werk van Argonne om het systeem te ontwikkelen wordt gefinancierd door DOE's Solar Energy Technologies Office.

"Elke keer dat je een verbrandingsproces hebt, je verspilt ongeveer 60 procent van de energie als warmte, " zei Dileep Singh, een senior materiaalwetenschapper bij Argonne die de TESS-ontwikkeling heeft geleid. "In zekere zin dit is een thermische versie van een batterij, waar je warmte oplaadt en ontlaadt in plaats van elektriciteit."

Argonne's TESS is een vorm van latente warmteopslag, waarbij de energie is opgenomen in een faseovergangsmateriaal zoals gesmolten zout. Hoewel dergelijke materialen goed zijn in het vasthouden van warmte, het zijn meestal slechte geleiders, dus het duurt te lang voordat ze energie opnemen en vrijgeven.

Om deze beperking te omzeilen, onderzoekers van Argonne bedachten een manier om faseovergangsmaterialen in te bedden in poreuze, zeer warmtegeleidend schuim. Vervolgens sluiten ze het schuim af met inert gas in een module, voorkomen dat vocht of zuurstof binnendringt en de componenten aantasten. Opgeslagen warmte in een unit kan vervolgens worden overgedragen aan water, bijvoorbeeld, waar het stoom wordt die een turbine beweegt. De TESS kan ook worden afgestemd op een specifieke toepassing door verschillende faseovergangsmaterialen te selecteren.

"Een van de grote voordelen van onze technologie is dat ze modulair is, dus je hebt geen enorme opslagstructuur nodig, Singh zei. "Je kunt deze modules van een bepaalde hanteerbare grootte maken, zoals een vat van 55 gallon of kleiner, en installeer ze in het gewenste aantal."

Onderzoekers hebben aangetoond dat de TESS werkt bij temperaturen boven 700°C (1, 292 °F). Zijn hoge energiedichtheid maakt hem kleiner en flexibeler dan veelgebruikte warmteopslagsystemen, die afhankelijk zijn van het verhogen en verlagen van de temperatuur van een materiaal. De technologie won in 2019 een R&D 100-prijs, en onderzoekers werken er nu aan om het te integreren in WKK-systemen van Capstone Turbine Corporation om warmteterugwinning te stimuleren.

Met de hulp van branchepartners, Singh en collega's blijven de TESS-technologie verfijnen, en ze hebben een interne testfaciliteit ontwikkeld om de prestaties te testen met herhaaldelijk opladen en ontladen. Naast het verbeteren van WKK-systemen en het uitbreiden van de inzetbaarheid van ontziltings- en elektriciteitscentrales, de TESS zou afvalwarmte kunnen omzetten in mechanische energie in zware vrachtwagens of in interieurverwarming voor elektrische voertuigen. En net zoals de TESS kan functioneren als een batterij voor warmte, het kan hetzelfde doen voor verkoudheid, mogelijk een koelingsoptie biedend voor commerciële gebouwen.