Badanie kluczowych komponentów przyszłości na potrzeby systemów magazynowania energii termicznej o ultrawysokiej temperaturze
Magazynowanie energii jest gorącym tematem w kontekście dążeń UE do realizacji wyznaczonego na 2030 rok celu jakim jest udział energii ze źródeł odnawialnych na poziomie przynajmniej 27 %. Jedną z postaci energii odnawialnej, która w ostatnim czasie zyskuje na znaczeniu, jest skoncentrowana energia słoneczna, czemu wyraz dano w szczególności w europejskim strategicznym planie w formie zintegrowanej mapy drogowej. Proces produkcji energii elektrycznej ze skoncentrowanej energii słonecznej polega na koncentracji promieni słonecznych do ogrzania medium, zwykle cieczy lub gazu, które następnie wykorzystuje się w silniku cieplnym (turbinie parowej lub gazowej) do napędzania generatora elektrycznego. „Jednym z oszczędnych sposobów magazynowania tej energii pochodzącej ze zmiennego, odnawialnego źródła jest jej przekształcenie w energię termiczną, magazynowanie, a następnie przekształcenie w energię elektryczną, gdy zajdzie taka potrzeba”, zauważa Alejandro Datas, koordynator naukowy projektu AMADEUS. W ramach tego finansowanego ze środków UE projektu oceniono możliwości magazynowania i konwersji energii o ultrawysokiej temperaturze.
Wsparcie dla energii słonecznej
W większości systemów magazynowania energii wykorzystuje się stopione sole lub różnego rodzaju cząstki stałe do magazynowania energii w temperaturze maksymalnej wynoszącej około 560 °C oraz silniki cieplne do przekształcenia energii termicznej w elektryczną. Taka technologia jest powszechnie stosowana w elektrowniach CSP, które w Europie znajdują się już tylko w Hiszpanii, oraz w bardziej innowacyjnych akumulatorach termicznych lub rozwiązaniach typu „power-to-heat-to-power” do magazynowania energii w systemach zintegrowanych z siecią energetyczną. Jednak zdaniem Datasa, adiunkta na Wydziale Elektroniki i Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Technicznego w Madrycie (UPM), współczesne systemy magazynowania są problematyczne. Wymagają one dużych ilości materiału do przechowania znacznej ilości energii, tj. około 1 metra sześciennego stopionych soli do magazynowania 100 kWh energii. Ponadto ich konstrukcja jest niezwykle złożona, ponieważ przekształcają i konwertują energię termiczną w elektryczną, co wymaga użycia płynów do wymiany ciepła i ruchomych części, takich jak pompy, zawory, silnik cieplny itp., nierzadko stwarzających poważne problemy konserwacyjne.
Coś więcej niż krzem
Dobrym materiałem do magazynowania nawet olbrzymiej ilości energii (około 1 200 kWh na metr sześcienny) jest krzem. Podczas przejścia krzemu ze stanu stałego do płynnego w temperaturze 1 414 °C wydziela się ciepło utajone, będące ukrytą postacią energii, które jest dostarczane lub pozyskiwane wyłącznie podczas przemiany fazowej. „Ale nawet krzem posiada ograniczenia – przede wszystkim zwiększa swoją objętość o 10 % podczas krzepnięcia. Dlatego zaczęliśmy się przyglądać materiałom i urządzeniom nowej generacji, które nie tylko pozwoliłyby nam na zwiększenie gęstości energetycznej energii i jej bezpieczniejsze magazynowanie, ale zapewniły również większą wydajność konwersji energii termicznej w elektryczną. I to wszystko przy rezygnacji z płynów do wymiany ciepła i ruchomych części”, mówi Datas. Twórcy projektu odkryli, że mieszanina eutektyczna – stop żelaza, krzemu i boru – może być idealnym materiałem przemiany fazowej (PCM). „Stop ten charakteryzuje się ciepłem utajonym o wysokiej temperaturze, co zwiększa gęstość energetyczną systemu. Praktycznie nie zwiększa swojej objętości podczas krzepnięcia, dlatego nie istnieje ryzyko rozsadzenia zbiornika, a ponadto posiada bardziej umiarkowaną temperaturę topnienia poniżej 1 200 °C”, mówi Datas. „Utorowaliśmy drogę dla radykalnie nowej technologii konwersji energii termicznej w elektryczną dzięki w pełni operacyjnemu laboratoryjnemu prototypowi nowego rodzaju hybrydowego urządzenia termojonowo–fotowoltaicznego, znanego jako TIPV”, przekonuje badacz. Wytwarzając energię z elektronów i fotonów, urządzenie dokonuje konwersji ciepła o wysokiej temperaturze bezpośrednio w energię o dużej mocy. Na koniec badacz dodaje: „Do 2022 roku moglibyśmy mieć w pełni funkcjonalne prototypy przemysłowe tej technologii, które można wykorzystać do celów magazynowania energii termicznej ciepła przemiany fazowej (LHTES), lecz będą one wymagały wsparcia regulacyjnego i finansowego”.
Słowa kluczowe
AMADEUS, konwersja, magazynowania energii termicznej ciepła przemiany fazowej, LHTES, materiał przemiany fazowej, PCM, magazynowanie, temperatura, konwertor termojonowo–fotowoltaiczny, TIPV
