MIT -ingenjörer har tagit fram en konceptuell design för ett system för lagring av förnybar energi, som sol- och vindkraft, och leverera den energin tillbaka till ett elnät på begäran. Systemet kan vara utformat för att driva en liten stad inte bara när solen är uppe eller vinden är hög, men dygnet runt.

Den nya designen lagrar värme som genereras av överskott av elektricitet från sol- eller vindkraft i stora tankar av varmvitt smält kisel, och omvandlar sedan ljuset från den glödande metallen till elektricitet när det behövs. Forskarna uppskattar att ett sådant system skulle vara mycket billigare än litiumjonbatterier, som har föreslagits som livskraftiga, fast dyrt, metod för att lagra förnybar energi. De uppskattar också att systemet skulle kosta ungefär hälften så mycket som pumpad vattenkraftlagring-den billigaste formen av energilagring i nätskala hittills.

"Även om vi ville köra nätet för förnybar energi just nu kunde vi inte, eftersom du skulle behöva fossildrivna turbiner för att kompensera för det faktum att den förnybara leveransen inte kan skickas på begäran, "säger Asegun Henry, Robert N. Noyce Docent för karriärutveckling vid Institutionen för maskinteknik. "Vi utvecklar en ny teknik som om det lyckas, skulle lösa detta viktigaste och mest kritiska problem inom energi och klimatförändringar, nämligen, lagringsproblemet. "

Henry och hans kollegor har publicerat sin design idag i tidningen Energi- och miljövetenskap .

Spela in temp

Det nya lagringssystemet härrör från ett projekt där forskarna letade efter sätt att öka effektiviteten hos en form av förnybar energi som kallas koncentrerad solenergi. Till skillnad från konventionella solvärmeverk som använder solpaneler för att omvandla ljus direkt till el, koncentrerad solenergi kräver stora fält av stora speglar som koncentrerar solljus till ett centralt torn, där ljuset omvandlas till värme som så småningom förvandlas till elektricitet.

"Anledningen till att teknik är intressant är när du gör den här processen med att fokusera ljuset för att få värme, du kan lagra värme mycket billigare än du kan lagra el, "Konstaterar Henry.

Koncentrerade solcellsanläggningar lagrar solvärme i stora tankar fyllda med smält salt, som värms upp till höga temperaturer på cirka 1, 000 grader Fahrenheit. När el behövs, det heta saltet pumpas genom en värmeväxlare, som överför saltets värme till ånga. En turbin gör sedan den ångan till el.

"Denna teknik har funnits ett tag, men tanken har varit att dess kostnad aldrig kommer att bli tillräckligt låg för att konkurrera med naturgas, "Säger Henry." Så det blev ett tryck för att arbeta vid mycket högre temperaturer, så du kan använda en mer effektiv värmemotor och få ner kostnaden. "

Dock, om operatörerna skulle värma saltet mycket längre än nuvarande temperaturer, saltet skulle korrodera tankarna i rostfritt stål som det lagras i. Så Henrys team letade efter ett annat medium än salt som kan lagra värme vid mycket högre temperaturer. De föreslog inledningsvis en flytande metall och bosatte sig så småningom på kisel - den vanligaste metallen på jorden, som tål otroligt höga temperaturer på över 4, 000 grader Fahrenheit.

Förra året, laget utvecklade en pump som tål sådan blåsande värme, och kan tänkas pumpa flytande kisel genom ett förnybart lagringssystem. Pumpen har den högsta värmetoleransen någonsin - en prestation som noteras i "The Guiness Book of World Records". Sedan den utvecklingen har teamet har utformat ett energilagringssystem som kan innehålla en sådan högtemperaturpump.

"Sol i en låda"

Nu, forskarna har beskrivit sitt koncept för ett nytt lagringssystem för förnybar energi, som de kallar TEGS-MPV, för värmeenergilagringsförvaring-Multiväxel fotovoltaik. Istället för att använda spegelfält och ett centralt torn för att koncentrera värme, de föreslår omvandling av el som genereras av någon förnybar källa, som solljus eller vind, till termisk energi, via joule -uppvärmning - en process genom vilken en elektrisk ström passerar genom ett värmeelement.

Systemet kan kopplas ihop med befintliga system för förnybar energi, som solceller, för att fånga upp överflödig el under dagen och lagra den för senare användning. Överväga, till exempel, en liten stad i Arizona som får en del av sin el från en solkraftverk.

"Säg att alla kommer hem från jobbet, slår på sina luftkonditioneringsapparater, och solen går ner, men det är fortfarande varmt, "Säger Henry." Då, solcellerna kommer inte att ha mycket effekt, så du måste ha lagrat en del av energin från tidigare på dagen, som när solen var mitt på dagen. Den överskottsenergin kan ledas till det lagringssystem vi har uppfunnit här. "

Systemet skulle bestå av en stor, kraftigt isolerad, 10 meter bred tank tillverkad av grafit och fylld med flytande kisel, hålls vid en "kall" temperatur på nästan 3, 500 grader Fahrenheit. En bank med rör, utsatt för värmeelement, ansluter sedan denna kalla tank till en sekund, "het" tank. När el från stadens solceller kommer in i systemet, denna energi omvandlas till värme i värmeelementen. Under tiden, flytande kisel pumpas ut ur den kalla tanken och värms ytterligare när den passerar genom rören som utsätts för värmeelementen, och in i den heta tanken, där termisk energi nu lagras vid en mycket högre temperatur på cirka 4, 300 F.

När el behövs, säga, efter att solen gått ner, det heta flytande kislet - så varmt att det lyser vitt - pumpas genom en rad rör som avger det ljuset. Specialiserade solceller, känd som multijunction photovoltaics, gör sedan ljuset till elektricitet, som kan levereras till stadens nät. Det nu kylda kislet kan pumpas tillbaka i den kalla tanken fram till nästa lagringsomgång-fungerar effektivt som ett stort uppladdningsbart batteri.

"Ett av de kärleksfulla namn som människor har börjat kalla vårt koncept, är solen i en låda, 'som myntades av min kollega Shannon Yee på Georgia Tech, "Säger Henry." Det är i grunden en extremt intensiv ljuskälla som finns i en låda som fångar värmen. "

En lagringsnyckel

Henry säger att systemet skulle kräva tankar tjocka och tillräckligt starka för att isolera den smälta vätskan inuti.

"Sakerna är glödande hett på insidan, men det du rör vid på utsidan ska vara rumstemperatur, Säger Henry.

Han har föreslagit att tankarna ska vara gjorda av grafit. Men det finns farhågor om att kisel, vid så höga temperaturer, skulle reagera med grafit för att producera kiselkarbid, som kan korrodera tanken.

För att testa denna möjlighet, laget tillverkade en miniatyrgrafitank och fyllde den med flytande kisel. När vätskan hölls vid 3, 600 F i cirka 60 minuter, kiselkarbid bildades, men istället för att fräta tanken, det skapade en tunn, skyddsfoder.

"Den fastnar på grafiten och bildar ett skyddande lager, förhindrar ytterligare reaktion, "Säger Henry." Så du kan bygga denna tank av grafit och den kommer inte att korroderas av kislet. "

Gruppen fann också en väg runt en annan utmaning:Eftersom systemets tankar skulle behöva vara mycket stora, det skulle vara omöjligt att bygga dem av en enda bit grafit. Om de istället var gjorda av flera bitar, dessa måste tätas på ett sådant sätt att den smälta vätskan inte läcker ut. I deras papper, forskarna visade att de kunde förhindra läckage genom att skruva ihop bitar av grafit med kolfiberbultar och försegla dem med grafoil-flexibel grafit som fungerar som ett högtemperatur-tätningsmedel.

Forskarna uppskattar att ett enda lagringssystem kan möjliggöra en liten stad på cirka 100, 000 bostäder som helt drivs av förnybar energi.

Henry betonar att systemets design är geografiskt obegränsad, vilket betyder att den kan placeras var som helst, oavsett platsens landskap. Detta är i motsats till pumpade vattenkraftverk - för närvarande den billigaste formen av energilagring, som kräver platser som rymmer stora vattenfall och dammar, för att lagra energi från fallande vatten.

"Detta är geografiskt obegränsat, och är billigare än pumpad vattenkraft, vilket är väldigt spännande, "Säger Henry." I teorin, detta är grunden för att möjliggöra förnybar energi för att driva hela nätet. "