Αυτή η τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας κέρδισε το βραβείο καλύτερης καινοτομίας της ΕΕ για το 2022, 40 φορές φθηνότερη από την μπαταρία ιόντων λιθίου

Η αποθήκευση θερμικής ενέργειας χρησιμοποιώντας πυρίτιο και σιδηροπυρίτιο ως μέσο μπορεί να αποθηκεύσει ενέργεια με κόστος λιγότερο από 4 ευρώ ανά κιλοβατώρα, που είναι 100 φορές

φθηνότερη από την τρέχουσα σταθερή μπαταρία ιόντων λιθίου.Μετά την προσθήκη του δοχείου και του μονωτικού στρώματος, το συνολικό κόστος μπορεί να είναι περίπου 10 ευρώ ανά κιλοβατώρα,

που είναι πολύ φθηνότερο από την μπαταρία λιθίου των 400 ευρώ την κιλοβατώρα.

Η ανάπτυξη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, η κατασκευή νέων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και η υποστήριξη της αποθήκευσης ενέργειας είναι ένα εμπόδιο που πρέπει να ξεπεραστεί.

Η εξωγενής φύση της ηλεκτρικής ενέργειας και η αστάθεια της παραγωγής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως τα φωτοβολταϊκά και η αιολική ενέργεια, καθιστούν την προσφορά και τη ζήτηση

ηλεκτρικής ενέργειας μερικές φορές αταίριαστα.Επί του παρόντος, μια τέτοια ρύθμιση μπορεί να προσαρμοστεί με παραγωγή ενέργειας άνθρακα και φυσικού αερίου ή υδροηλεκτρική ενέργεια για να επιτευχθεί σταθερότητα

και ευελιξία ισχύος.Αλλά στο μέλλον, με την απόσυρση της ορυκτής ενέργειας και την αύξηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, φθηνή και αποδοτική αποθήκευση ενέργειας

η διαμόρφωση είναι το κλειδί.

Η τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας χωρίζεται κυρίως σε φυσική αποθήκευση ενέργειας, ηλεκτροχημική αποθήκευση ενέργειας, αποθήκευση θερμικής ενέργειας και αποθήκευση χημικής ενέργειας.

Όπως η μηχανική αποθήκευση ενέργειας και η αντλούμενη αποθήκευση ανήκουν στην τεχνολογία αποθήκευσης φυσικής ενέργειας.Αυτή η μέθοδος αποθήκευσης ενέργειας έχει σχετικά χαμηλή τιμή και

υψηλή απόδοση μετατροπής, αλλά το έργο είναι σχετικά μεγάλο, περιορίζεται από τη γεωγραφική θέση και η περίοδος κατασκευής είναι επίσης πολύ μεγάλη.Ειναι δυσκολο να

προσαρμόζεται στη μέγιστη ζήτηση ξυρίσματος της ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές μόνο με αντλία αποθήκευσης.

Επί του παρόντος, η ηλεκτροχημική αποθήκευση ενέργειας είναι δημοφιλής και είναι επίσης η ταχύτερα αναπτυσσόμενη νέα τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας στον κόσμο.Ηλεκτροχημική ενέργεια

Η αποθήκευση βασίζεται κυρίως σε μπαταρίες ιόντων λιθίου.Μέχρι το τέλος του 2021, η σωρευτική εγκατεστημένη δυναμικότητα αποθήκευσης νέας ενέργειας στον κόσμο έχει ξεπεράσει τα 25 εκατομμύρια

κιλοβάτ, εκ των οποίων το μερίδιο αγοράς των μπαταριών ιόντων λιθίου έχει φτάσει το 90%.Αυτό οφείλεται στη μεγάλης κλίμακας ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχημάτων, η οποία παρέχει α

σενάριο εμπορικής εφαρμογής μεγάλης κλίμακας για αποθήκευση ηλεκτροχημικής ενέργειας με βάση μπαταρίες ιόντων λιθίου.

Ωστόσο, η τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας ιόντων λιθίου, ως ένα είδος μπαταρίας αυτοκινήτου, δεν είναι μεγάλο πρόβλημα, αλλά θα υπάρξουν πολλά προβλήματα όταν πρόκειται για

υποστήριξη μακροπρόθεσμης αποθήκευσης ενέργειας σε επίπεδο δικτύου.Το ένα είναι το πρόβλημα της ασφάλειας και του κόστους.Εάν οι μπαταρίες ιόντων λιθίου στοιβάζονται σε μεγάλη κλίμακα, το κόστος θα πολλαπλασιαστεί,

και η ασφάλεια που προκαλείται από τη συσσώρευση θερμότητας είναι επίσης ένας τεράστιος κρυφός κίνδυνος.Το άλλο είναι ότι οι πόροι λιθίου είναι πολύ περιορισμένοι και τα ηλεκτρικά οχήματα δεν επαρκούν,

και η ανάγκη για μακροπρόθεσμη αποθήκευση ενέργειας δεν μπορεί να ικανοποιηθεί.

Πώς να λύσετε αυτά τα ρεαλιστικά και επείγοντα προβλήματα;Τώρα πολλοί επιστήμονες έχουν επικεντρωθεί στην τεχνολογία αποθήκευσης θερμικής ενέργειας.Έχουν γίνει καινοτομίες

σχετικές τεχνολογίες και έρευνα.

Τον Νοέμβριο του 2022, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή ανακοίνωσε το βραβευμένο έργο του «EU 2022 Innovation Radar Award», στο οποίο το «AMADEUS»

Το έργο μπαταριών που αναπτύχθηκε από την ομάδα του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μαδρίτης στην Ισπανία κέρδισε το Βραβείο Καλύτερης Καινοτομίας της ΕΕ το 2022.

Το "Amadeus" είναι ένα επαναστατικό μοντέλο μπαταρίας.Το έργο αυτό, που στοχεύει στην αποθήκευση μεγάλης ποσότητας ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, επιλέχθηκε από την Ευρωπαϊκή

Επιτροπή ως μία από τις καλύτερες εφευρέσεις το 2022.

Αυτό το είδος μπαταρίας που σχεδιάστηκε από την ομάδα Ισπανών επιστημόνων αποθηκεύει την περίσσεια ενέργειας που παράγεται όταν η ηλιακή ή η αιολική ενέργεια είναι υψηλή με τη μορφή θερμικής ενέργειας.

Αυτή η θερμότητα χρησιμοποιείται για τη θέρμανση ενός υλικού (το κράμα πυριτίου μελετάται σε αυτό το έργο) σε περισσότερους από 1000 βαθμούς Κελσίου.Το σύστημα περιέχει ένα ειδικό δοχείο με το

θερμική φωτοβολταϊκή πλάκα στραμμένη προς τα μέσα, η οποία μπορεί να απελευθερώσει μέρος της αποθηκευμένης ενέργειας όταν η ζήτηση ισχύος είναι υψηλή.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια αναλογία για να εξηγήσουν τη διαδικασία: «Είναι σαν να βάζεις τον ήλιο σε ένα κουτί».Το σχέδιό τους μπορεί να φέρει επανάσταση στην αποθήκευση ενέργειας.Έχει μεγάλες δυνατότητες να

επιτύχει αυτόν τον στόχο και έχει γίνει βασικός παράγοντας για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής, γεγονός που κάνει το έργο «Amadeus» να ξεχωρίζει από περισσότερα από 300 έργα που υποβλήθηκαν

και κέρδισε το EU Best Innovation Award.

Ο διοργανωτής του EU Innovation Radar Award εξήγησε: «Το πολύτιμο σημείο είναι ότι παρέχει ένα φτηνό σύστημα που μπορεί να αποθηκεύσει μεγάλη ποσότητα ενέργειας για

πολύς καιρός.Έχει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, υψηλή συνολική απόδοση και χρησιμοποιεί επαρκή και χαμηλού κόστους υλικά.Είναι ένα αρθρωτό σύστημα, που χρησιμοποιείται ευρέως και μπορεί να προσφέρει

καθαρή θερμότητα και ηλεκτρικό ρεύμα κατά παραγγελία.»

Λοιπόν, πώς λειτουργεί αυτή η τεχνολογία;Ποια είναι τα μελλοντικά σενάρια εφαρμογής και οι προοπτικές εμπορευματοποίησης;

Για να το θέσω απλά, αυτό το σύστημα χρησιμοποιεί την πλεονάζουσα ενέργεια που παράγεται από διαλείπουσες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (όπως η ηλιακή ενέργεια ή η αιολική ενέργεια) για να λιώσει φθηνά μέταλλα,

όπως πυρίτιο ή σιδηροπυρίτιο, και η θερμοκρασία είναι υψηλότερη από 1000 ℃.Το κράμα πυριτίου μπορεί να αποθηκεύσει μεγάλη ποσότητα ενέργειας στη διαδικασία σύντηξής του.

Αυτό το είδος ενέργειας ονομάζεται «λανθάνουσα θερμότητα».Για παράδειγμα, ένα λίτρο πυριτίου (περίπου 2,5 κιλά) αποθηκεύει πάνω από 1 κιλοβατώρα (1 κιλοβατώρα) ενέργειας με τη μορφή

λανθάνουσας θερμότητας, που είναι ακριβώς η ενέργεια που περιέχεται σε ένα λίτρο υδρογόνου σε πίεση 500 bar.Ωστόσο, σε αντίθεση με το υδρογόνο, το πυρίτιο μπορεί να αποθηκευτεί κάτω από την ατμόσφαιρα

πίεση, που καθιστά το σύστημα φθηνότερο και ασφαλέστερο.

Το κλειδί του συστήματος είναι ο τρόπος μετατροπής της αποθηκευμένης θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια.Όταν το πυρίτιο λιώνει σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από 1000 º C, λάμπει σαν τον ήλιο.

Ως εκ τούτου, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μετατροπή της ακτινοβολούμενης θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια.

Η λεγόμενη θερμική φωτοβολταϊκή γεννήτρια είναι σαν μια μικροσκοπική φωτοβολταϊκή συσκευή, η οποία μπορεί να παράγει 100 φορές περισσότερη ενέργεια από τις παραδοσιακές ηλιακές μονάδες παραγωγής ενέργειας.

Με άλλα λόγια, εάν ένα τετραγωνικό μέτρο ηλιακών συλλεκτών παράγει 200 ​​watt, ένα τετραγωνικό μέτρο θερμικών φωτοβολταϊκών θα παράγει 20 κιλοβάτ.Και όχι μόνο

η ισχύς, αλλά και η απόδοση μετατροπής είναι υψηλότερη.Η απόδοση των θερμικών φωτοβολταϊκών κυψελών είναι μεταξύ 30% και 40%, η οποία εξαρτάται από τη θερμοκρασία

της πηγής θερμότητας.Αντίθετα, η απόδοση των εμπορικών φωτοβολταϊκών ηλιακών συλλεκτών κυμαίνεται μεταξύ 15% και 20%.

Η χρήση θερμικών φωτοβολταϊκών γεννητριών αντί των παραδοσιακών θερμικών κινητήρων αποφεύγει τη χρήση κινητών μερών, υγρών και πολύπλοκων εναλλακτών θερμότητας.Με αυτόν τον τρόπο,

ολόκληρο το σύστημα μπορεί να είναι οικονομικό, συμπαγές και αθόρυβο.

Σύμφωνα με την έρευνα, τα λανθάνοντα θερμικά φωτοβολταϊκά κύτταρα μπορούν να αποθηκεύσουν μεγάλη ποσότητα υπολειμματικής ανανεώσιμης ενέργειας.

Ο Alejandro Data, ένας ερευνητής που ηγήθηκε του έργου, δήλωσε: «Ένα μεγάλο μέρος αυτής της ηλεκτρικής ενέργειας θα παραχθεί όταν υπάρχει πλεόνασμα στην παραγωγή αιολικής και αιολικής ενέργειας.

οπότε θα πωλείται σε πολύ χαμηλή τιμή στην αγορά ηλεκτρικής ενέργειας.Είναι πολύ σημαντικό να αποθηκεύουμε αυτό το πλεόνασμα ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα πολύ φθηνό σύστημα.Έχει πολύ νόημα να

αποθηκεύστε το πλεόνασμα ηλεκτρικής ενέργειας με τη μορφή θερμότητας, γιατί είναι ένας από τους φθηνότερους τρόπους αποθήκευσης ενέργειας».

2. Είναι 40 φορές φθηνότερη από την μπαταρία ιόντων λιθίου

Συγκεκριμένα, το πυρίτιο και το σιδηροπυρίτιο μπορούν να αποθηκεύσουν ενέργεια με κόστος λιγότερο από 4 ευρώ ανά κιλοβατώρα, το οποίο είναι 100 φορές φθηνότερο από το τρέχον σταθερό ιόν λιθίου

μπαταρία.Μετά την προσθήκη του δοχείου και του μονωτικού στρώματος, το συνολικό κόστος θα είναι υψηλότερο.Ωστόσο, σύμφωνα με τη μελέτη, εάν το σύστημα είναι αρκετά μεγάλο, συνήθως περισσότερο

από 10 μεγαβατώρες, πιθανότατα θα φτάσει στο κόστος περίπου 10 ευρώ ανά κιλοβατώρα, γιατί το κόστος της θερμομόνωσης θα είναι ένα μικρό μέρος του συνόλου

κόστος του συστήματος.Ωστόσο, το κόστος της μπαταρίας λιθίου είναι περίπου 400 ευρώ ανά κιλοβατώρα.

Ένα πρόβλημα που αντιμετωπίζει αυτό το σύστημα είναι ότι μόνο ένα μικρό μέρος της αποθηκευμένης θερμότητας μετατρέπεται ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια.Ποια είναι η απόδοση μετατροπής σε αυτή τη διαδικασία;Πως να

η χρήση της υπολειπόμενης θερμικής ενέργειας είναι το βασικό πρόβλημα.

Ωστόσο, οι ερευνητές της ομάδας πιστεύουν ότι δεν πρόκειται για προβλήματα.Εάν το σύστημα είναι αρκετά φθηνό, μόνο το 30-40% της ενέργειας χρειάζεται να ανακτηθεί με τη μορφή

ηλεκτρικής ενέργειας, κάτι που θα τις κάνει ανώτερες από άλλες πιο ακριβές τεχνολογίες, όπως οι μπαταρίες ιόντων λιθίου.

Επιπλέον, το υπόλοιπο 60-70% της θερμότητας που δεν μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί απευθείας σε κτίρια, εργοστάσια ή πόλεις για τη μείωση του άνθρακα και του φυσικού

κατανάλωση αερίου.

Η θερμότητα ευθύνεται για περισσότερο από το 50% της παγκόσμιας ενεργειακής ζήτησης και το 40% των παγκόσμιων εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα.Με αυτόν τον τρόπο, αποθηκεύεται η αιολική ή η φωτοβολταϊκή ενέργεια σε λανθάνουσα κατάσταση

Οι θερμικές φωτοβολταϊκές κυψέλες μπορούν όχι μόνο να εξοικονομήσουν πολλά έξοδα, αλλά και να καλύψουν την τεράστια ζήτηση θερμότητας της αγοράς μέσω ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

3. Προκλήσεις και μελλοντικές προοπτικές

Η νέα θερμική τεχνολογία θερμικής αποθήκευσης φωτοβολταϊκών που σχεδιάστηκε από την ομάδα του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου της Μαδρίτης, η οποία χρησιμοποιεί υλικά από κράμα πυριτίου, έχει

πλεονεκτήματα σε κόστος υλικού, θερμοκρασία θερμικής αποθήκευσης και χρόνο αποθήκευσης ενέργειας.Το πυρίτιο είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της γης.Το κόστος

ανά τόνο πυριτικής άμμου είναι μόνο 30-50 δολάρια, που είναι το 1/10 του λιωμένου αλατιού.Επιπλέον, η θερμική διαφορά θερμοκρασίας αποθήκευσης της πυριτικής άμμου

τα σωματίδια είναι πολύ υψηλότερα από αυτό του λιωμένου αλατιού και η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας μπορεί να φτάσει περισσότερο από 1000 ℃.Υψηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας επίσης

συμβάλλει στη βελτίωση της συνολικής ενεργειακής απόδοσης του συστήματος φωτοθερμικής παραγωγής ενέργειας.

Η ομάδα του Datus δεν είναι η μόνη που βλέπει τις δυνατότητες των θερμικών φωτοβολταϊκών κυψελών.Έχουν δύο ισχυρούς αντιπάλους: το διάσημο Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης

Technology και η νεοφυής εταιρεία Antola Energy από την Καλιφόρνια.Το τελευταίο εστιάζει στην έρευνα και ανάπτυξη μεγάλων μπαταριών που χρησιμοποιούνται στη βαριά βιομηχανία (ένα μεγάλο

καταναλωτή ορυκτών καυσίμων) και έλαβε 50 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ για να ολοκληρώσει την έρευνα τον Φεβρουάριο του τρέχοντος έτους.Το Breakthrough Energy Fund του Bill Gates παρείχε κάποια

επενδυτικά κεφάλαια.

Ερευνητές στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης δήλωσαν ότι το μοντέλο των θερμικών φωτοβολταϊκών κυψελών τους κατάφερε να επαναχρησιμοποιήσει το 40% της ενέργειας που χρησιμοποιείται για τη θέρμανση

τα εσωτερικά υλικά της πρωτότυπης μπαταρίας.Εξήγησαν: «Αυτό δημιουργεί έναν δρόμο για μέγιστη απόδοση και μείωση του κόστους της αποθήκευσης θερμικής ενέργειας,

καθιστώντας δυνατή την απανθρακοποίηση του ηλεκτρικού δικτύου».

Το έργο του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μαδρίτης δεν μπόρεσε να μετρήσει το ποσοστό ενέργειας που μπορεί να ανακτήσει, αλλά είναι ανώτερο από το αμερικανικό μοντέλο

σε μια πτυχή.Ο Alejandro Data, ο ερευνητής που ηγήθηκε του έργου, εξήγησε: «Για να επιτευχθεί αυτή η αποτελεσματικότητα, το έργο του MIT πρέπει να αυξήσει τη θερμοκρασία σε

2400 μοίρες.Η μπαταρία μας λειτουργεί στους 1200 βαθμούς.Σε αυτή τη θερμοκρασία, η απόδοση θα είναι χαμηλότερη από τη δική τους, αλλά έχουμε πολύ λιγότερα προβλήματα θερμομόνωσης.

Εξάλλου, είναι πολύ δύσκολο να αποθηκεύσετε υλικά στους 2400 βαθμούς χωρίς να προκαλείτε απώλεια θερμότητας».

Φυσικά, αυτή η τεχνολογία χρειάζεται ακόμα πολλές επενδύσεις πριν βγει στην αγορά.Το τρέχον πρωτότυπο εργαστηρίου έχει λιγότερο από 1 kWh αποθήκευσης ενέργειας

χωρητικότητα, αλλά για να καταστήσει αυτή την τεχνολογία κερδοφόρα, χρειάζεται περισσότερο από 10 MWh χωρητικότητας αποθήκευσης ενέργειας.Επομένως, η επόμενη πρόκληση είναι να επεκταθεί η κλίμακα του

την τεχνολογία και να δοκιμάσουν τη σκοπιμότητά της σε μεγάλη κλίμακα.Για να επιτευχθεί αυτό, ερευνητές από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μαδρίτης έχουν δημιουργήσει ομάδες

για να το κάνει δυνατό.