모래 배터리 란 무엇입니까? 알아야 할 모든 것

핀란드의 모래 배터리에 대한 뉴스는 최근 헤드라인 뉴스가 되었지만 그 시스템은 열을 저장하고 방출하기만 했습니다.

열 저장은 새로운 기술은 아니지만 이 파일럿 프로젝트는 녹색 에너지 기술 및 시스템의 미래 가능성을 강조합니다.

이 게시물은 에너지 저장을 위한 모래를 둘러싼 기술과 유사한 기술, 그리고 이것이 세계에 어떤 의미를 갖는지 살펴봅니다.

모래의 에너지?

천연 모래는 열 에너지 저장에 이상적인 매체가 되는 많은 특성을 가지고 있습니다. 문제 없이 1,000°C(1,832°F) 이상의 온도로 가열할 수 있으며 최소한의 손실로 며칠, 몇 주, 심지어 몇 달 동안 열을 유지할 수 있습니다.

배터리가 특정 시간에 생성된 에너지를 저장하는 수단으로 다른 시간에 사용할 수 있다고 생각하면 전기 에너지로 가열하여 저장했다가 나중에 사용하는 모래가 배터리입니다.

핀란드의 바이러스 성 모래 배터리

Kankaanpaa의 서부 핀란드 지역에는 Polar Night가 개발한 특허받은 열 저장 에너지 시스템이 있습니다. 재생 가능한 자원의 초과 전기 에너지를 사용하여 높이 7m, 너비 4m 사일로의 모래를 최대 600°C(1,112°F)까지 가열하여 저장하고 나중에 지역 난방 네트워크에서 활용합니다.

여기서 명심해야 할 몇 가지 중요한 사항이 있습니다. 첫째, 사용되는 에너지는 풍력 및 태양열과 같은 재생 가능한 소스에서 초과 생성됩니다. 이것은 상업적 목적을 위한 다른 에너지 저장 시스템과의 객관적인 비교를 제거합니다.

둘째, 이 시스템은 열 저장 및 전달에만 사용됩니다. 즉, 전기 에너지가 열로 변환되어 모래에 저장됩니다. 그런 다음 필요할 때 열을 추출하여 필요한 가정과 공장으로 분배합니다.

셋째, 천연 모래는 상당한 양의 에너지를 보유할 수 있습니다. 예를 들어, 이 Finnish Polar Night 배터리는 약 섭씨 600도에서 100톤의 모래를 저장하고 100kW 가열 용량에서 총 8MWh의 에너지를 저장합니다. 이것은 멋진 기술, 설치 또는 위험한 요구 사항이 없는 모래를 엄청나게 저렴한 에너지 저장 매체로 만듭니다.

계절별 열에너지 저장에 대하여

계절별 열에너지 저장장치(STES)는 아주 오랫동안 사용되어 왔습니다. 가장 간단한 형태는 여름에 지붕에서 뜨거운 물을 모아 지하 탱크에 저장한 다음 겨울에 난방에 사용할 수 있다는 것입니다.

그러나 대부분의 STES 시스템은 100°C 미만에서 열을 저장하므로 가정과 사무실 난방에는 적합하지만 다른 산업용이나 발전에는 적합하지 않습니다.

방법은 간단합니다. 태양, 산업 열 폐기물 등과 같은 복사 소스에 열을 가둘 수 있는 매체를 노출시킵니다. 시스템의 효율은 열교환 방식과 그 효율에 따라 달라집니다.

다음으로 에너지 손실을 최소화하기 위해 가열된 매체를 절연된 인클로저에 보관해야 합니다. 일부 인클로저는 몇 달 동안 열을 잘 유지할 수 있습니다.

마지막으로, 저장 매체는 겨울 동안 펌핑되어 라디에이터 히터와 같은 다른 열교환기를 통과하여 가정과 사무실에 난방을 제공합니다. STES 저장 매체로 사용되는 일반적인 재료에는 물, 기름, 토양, 염수화물 등이 있습니다.

저장된 열 에너지의 대중적인 사용

저장된 열에너지는 용도에 따라 다양한 용도로 사용됩니다. 가장 인기 있는 것은 다음과 같습니다.

1. 가정 및 사무실 난방 – 저장된 열은 겨울에 생활 및 작업 공간에 난방을 쉽게 제공할 수 있습니다.
   
2. 온수 – 열을 전달하여 매일 사용할 수 있도록 항상 준비된 온수를 제공할 수도 있습니다.
   
3. 산업용 애플리케이션 – 온수는 혼합에서 세척, 식품 가공, 용제 제조, 살균 등에 이르기까지 광범위한 산업용 애플리케이션에 사용됩니다.
   
4. 전기 생산 – 또한 저장된 열 에너지를 사용하여 물을 증기로 가열하고 터빈을 구동하여 전력을 생산하는 교류 발전기를 구동할 수 있습니다.

모래 배터리의 경제성

물은 모래에 비해 더 많은 에너지를 저장할 수 있지만 100°C(212°F) 이상에서 불안정해지며 모래는 600°C(1112°F) 온도를 쉽게 포함할 수 있습니다.

물은 또한 모래보다 열 에너지를 더 오래 유지하므로 물을 계절 에너지 저장에 더 좋은 매체로 만듭니다. 그러나 몇 시간 또는 며칠 만에 열을 소모하는 응용 프로그램을 고려하고 있다면 모래가 다시 최고의 옵션이 됩니다. 태양광, 풍력 등 간헐적 에너지원을 보완하는 데 적합합니다.

핀란드 모래 배터리로 돌아가서 7미터 높이의 강철 컨테이너는 최대 8MWh의 에너지를 보유하는 100톤의 모래를 위해 설계되었습니다.

미국 가정은 연간 약 10MWh의 에너지를 사용하는 반면 유럽에서는 루마니아의 약 2MWh에서 스웨덴의 9MWh까지 다양합니다. 또한 30~50%의 에너지를 겨울철 난방에 사용합니다.

이것은 7미터 높이의 모래 저장소가 위치에 따라 겨울 동안 몇 가구를 데우기에 충분한 전력을 생산할 수 있음을 의미합니다. 그러나 크기를 감안할 때 인구 밀도가 높은 도심에서는 비실용적입니다.

반면에 100kW 난방 용량을 30%로 전기로 변환하면 낮에는 20가구 이상, 밤에는 더 많은 가정에 충분한 전력을 생산할 수 있습니다.

따라서 적절하게 최적화되면 kWh 용량당 약 5달러의 비용이 드는 모래 배터리가 현재 납산 및 리튬 이온 배터리 시스템의 kWh당 100달러 이상의 비용에 대한 훌륭한 대안이 될 수 있습니다. 예, 부피가 더 커질 수 있지만 훨씬 저렴합니다.

발전용 모래전지

나중에 발전에 사용하기 위한 열 에너지 저장은 수십 년 동안 집중 태양열 발전(CSP) 프로젝트에서 구현된 입증되고 신뢰할 수 있는 기술입니다.

현대 CSP 시스템의 에너지는 수백 또는 수천 개의 거울을 단일 용광로에 집중시킴으로써 갇히게 됩니다. 그런 다음 이 거울은 하루 종일 태양을 추적하여 용광로에서 최대 565°C(1,049°F)의 일정한 열을 보장합니다.

CSP 설치는 수백만 평방 피트(~1+km2)에 이르는 매우 큰 경우가 많으며 중앙에 태양열 수신기가 있고 100+ 메가와트 범위의 발전 용량이 있습니다.

60% 질산나트륨과 40% 질산칼륨이 포함된 용융염 혼합물은 야간 발전을 위해 CSP 시스템에 에너지를 저장하는 데 사용됩니다. 그러나 이 소금 혼합물은 모래 전지와 달리 고온에서 녹아서 액체처럼 흐릅니다.

CSP와 모래 배터리 시스템은 모두 15-20%의 거의 동일한 효율로 태양열 발전을 열 에너지로 변환합니다. 그러나 CSP 용융염 시스템은 저장된 열을 전기로 변환하는 효율이 약 50%인 반면 핀란드 모래 배터리는 이론적으로 20-25% 효율을 보입니다.

CSP 시스템은 상업적으로 실행 가능하므로 이 핀란드 배터리를 30% 이상의 열-전기 변환 효율로 조정할 수 있다면 재생 가능한 전기를 저렴하게 저장하고 공급하는 실행 가능한 기술이 될 수 있습니다.

유사한 스토리지 기술

각기 장단점이 있는 다른 형태의 에너지 저장 장치가 많이 있습니다. 가장 인기 있는 유형은 다음과 같습니다.

1. 전기화학 에너지 저장 – 배터리에서 볼 수 있는 것처럼 가역적 전기화학 반응을 사용하여 에너지를 저장하고 방출하기 위해 두 요소 간의 전위차를 활용합니다.
   
2. 기계적 에너지 저장 – 여기에는 플라이휠과 스프링의 사용을 비롯한 다양한 방법과 물체를 감아 올리고 고도를 높여 물체에 에너지를 저장하는 중력 시스템이 포함됩니다.
   
3. 용융염 에너지 저장(MSES) – 여기의 저장은 예를 들어 60% 질산나트륨과 40% 질산칼륨의 조합을 사용하는 것과 같이 열적입니다.
   
4. 열 온수 – 이 방법은 50갤런 온수 탱크에 최대 6kWh의 에너지를 저장할 수 있습니다.
   
5. Pumped Hydro – 가장 저렴한 형태의 에너지 저장. 그러나 주요 문제는 구현할 수 있는 위치가 제한되어 있다는 것입니다.
   
6. 압축 공기 – 수력과 유사하게 이 방법은 단순히 공기를 압축하여 에너지를 저장합니다. 그런 다음 에너지가 필요할 때 압축 공기를 방출하여 터빈에 동력을 공급합니다.
   
7. 플라이휠 – 균형이 잘 잡힌 휠을 회전시키기 위해 에너지를 사용하여 운동이나 발전에 사용할 수 있는 운동 에너지로 저장합니다.
   
8. 플로우 배터리 – 이것은 전해질이 다른 탱크에 있고 완전히 충전된 탱크에서 빈 충전 탱크로 흘러야 하는 전기화학 저장 시스템입니다. 그런 다음 전해질을 충전하려면 흐름을 반대로 하면 됩니다. 이 방법은 두 전해질이 광범위하게 확장할 수 있는 막을 통해 상호 작용하기 때문에 매우 강력한 배터리를 생산할 수 있습니다.
   
9. 상 변화 재료 – 이 재료는 녹을 때 에너지를 흡수한 다음 응고되면서 에너지를 방출합니다. 정확한 온도에서 열 에너지를 저장하는 데 이상적입니다.

자주 묻는 질문(FAQ)

결론

우리는 모래 배터리와 그 경제적 잠재력에 대한 탐구의 끝에 도달했습니다. 그리고 당신이 깨달은 것처럼, 그것들은 많은 가능성을 제공합니다.

지역 사회에 열을 제공하는 것부터 전력 생산에 이르기까지 규사의 먼지 값이 저렴하기 때문에 미래 에너지 프로젝트를 위한 유망한 매개체가 됩니다.