Många processer som genererar el producerar också värme, en potent energiresurs som ofta förblir outnyttjad överallt från fabriker till fordon till kraftverk. Ett innovativt system som för närvarande utvecklas vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory kan snabbt lagra värme och frigöra den för användning vid behov, överträffar konventionella förvaringsmöjligheter i både flexibilitet och effektivitet.

Argonnes termiska energilagringssystem, eller TESS, utvecklades ursprungligen för att fånga och lagra överskottsvärme från koncentrerad solenergianläggningar. Den är också lämplig för en mängd olika kommersiella tillämpningar, inklusive avsaltningsanläggningar, kraftvärmesystem (CHP), industriella processer, och tunga lastbilar.

Att kunna återvinna och använda spillvärme kan öka effektiviteten och sänka kostnaderna genom att utvinna mer energi från samma mängd bränsle. När det gäller en el- eller avsaltningsanläggning som drivs med koncentrerad solenergi, TESS kan fånga upp värme under dagen och släppa ut den på natten för att hålla anläggningen igång. Argonnes arbete med att utveckla systemet finansieras av DOE:s Solar Energy Technologies Office.

"Varje gång du har en förbränningsprocess, du slösar bort cirka 60 procent av energin som värme, sa Dileep Singh, en senior materialvetare på Argonne som har lett utvecklingen av TESS. "På sätt och vis, detta är en termisk version av ett batteri, där du laddar och släpper ut värme snarare än el."

Argonnes TESS är en form av latent värmelagring, där energin finns i ett fasförändringsmaterial såsom smält salt. Även om sådana material är bra på att hålla värmen, de är vanligtvis dåliga ledare, så det tar för lång tid för dem att absorbera och frigöra energi.

För att komma runt denna begränsning, forskare vid Argonne utarbetade ett sätt att bädda in fasförändringsmaterial i porösa, mycket värmeledande skum. De förseglar sedan skummet med inert gas inuti en modul, förhindrar att fukt eller syre kommer in i och förstör komponenterna. Lagrad värme inuti en enhet kan sedan överföras till vatten, till exempel, där det blir ånga som förflyttar en turbin. TESS kan också anpassas till en specifik applikation genom att välja olika fasförändringsmaterial.

"En av de stora fördelarna med vår teknik är att den är modulär, så du behöver inte en stor lagringsstruktur, ", sa Singh. "Du kan göra dessa moduler av en viss hanterbar storlek, som en 55-liters fat eller mindre, och installera dem i vilket antal du än behöver."

Forskare har visat att TESS fungerar i temperaturer över 700°C (1, 292°F). Dess höga energitäthet gör den mindre och mer flexibel än vanliga förnuftiga värmelagringssystem, som är beroende av att höja och sänka ett materials temperatur. Tekniken vann en 2019 R&D 100-pris, och forskare arbetar nu med att integrera det i kraftvärmesystem från Capstone Turbine Corporation för att öka värmeåtervinningen.

Med hjälp av industripartners, Singh och kollegor fortsätter att förfina TESS-tekniken, och de har utvecklat en egen testanläggning för att testa prestanda med upprepad laddning och urladdning. Förutom att förbättra kraftvärmesystemen och utöka leveransbarheten för avsaltning och kraftverk, TESS kan omvandla spillvärme till mekanisk energi i tunga lastbilar eller till kupévärme för elfordon. Och precis som TESS kan fungera som ett batteri för värme, det kan göra samma sak för kyla, möjligen erbjuda ett kylalternativ för kommersiella byggnader.