แบตเตอรี่ทรายคืออะไร? ทุกสิ่งที่คุณต้องรู้

ข่าวเกี่ยวกับแบตเตอรี่ทรายจากฟินแลนด์เพิ่งทำข่าวพาดหัว แม้ว่าระบบดังกล่าวจะเก็บและปล่อยความร้อนเท่านั้น

การเก็บความร้อนด้วยความร้อนไม่ใช่เทคโนโลยีใหม่ แต่โครงการนำร่องนี้เน้นให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในอนาคตของเทคโนโลยีและระบบพลังงานสีเขียว

โพสต์นี้จะกล่าวถึงเทคโนโลยีที่ล้อมรอบทรายเพื่อกักเก็บพลังงาน ตลอดจนเทคโนโลยีที่คล้ายคลึงกัน และความหมายที่มีต่อโลก

พลังงานจากทราย?

ทรายธรรมชาติมีคุณสมบัติมากมายที่ทำให้เป็นสื่อในอุดมคติสำหรับการจัดเก็บพลังงานความร้อน คุณสามารถให้ความร้อนที่อุณหภูมิเกิน 1,000°C (1,832°F) ได้โดยไม่มีปัญหา และเก็บความร้อนนั้นได้เป็นเวลาหลายวัน สัปดาห์ และแม้แต่เดือนโดยสูญเสียเพียงเล็กน้อย

หากคุณพิจารณาว่าแบตเตอรี่เป็นวิธีกักเก็บพลังงานที่ผลิตในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่ง ดังนั้นจึงสามารถใช้ในเวลาอื่น ทรายที่ถูกทำให้ร้อนด้วยพลังงานไฟฟ้าสำหรับการจัดเก็บและใช้งานในภายหลัง ก็คือแบตเตอรี่

Viral Sand Battery จากฟินแลนด์

ในเขต Kankaanpaa ทางตะวันตกของฟินแลนด์มีระบบพลังงานเก็บความร้อนที่ได้รับการจดสิทธิบัตรซึ่งพัฒนาโดย Polar Night ใช้พลังงานไฟฟ้าส่วนเกินจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนเพื่อทำให้ทรายร้อนในไซโลสูง 7 เมตรและกว้าง 4 เมตรถึง 600 °C (1,112°F) สำหรับการจัดเก็บและนำไปใช้ในภายหลังในเครือข่ายการทำความร้อนแบบรวมศูนย์

สิ่งสำคัญที่ควรทราบที่นี่ ประการแรก พลังงานที่ใช้คือการผลิตส่วนเกินจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น ลมและแสงอาทิตย์ สิ่งนี้จะลบการเปรียบเทียบวัตถุประสงค์ใด ๆ กับระบบจัดเก็บพลังงานอื่น ๆ เพื่อวัตถุประสงค์ทางการค้า

ประการที่สอง ระบบนี้ใช้สำหรับการจัดเก็บและนำส่งความร้อนเท่านั้น กล่าวคือ พลังงานไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นความร้อนและเก็บไว้ในทราย จากนั้นเมื่อจำเป็น ความร้อนจะถูกดึงออกมาและกระจายไปยังบ้านและโรงงานที่มีความจำเป็น

ประการที่สาม ทรายธรรมชาติสามารถเก็บพลังงานไว้ได้ค่อนข้างน่าประทับใจ ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ Polar Night ของฟินแลนด์สามารถเก็บทรายได้ 100 ตันที่อุณหภูมิ 600 องศาเซลเซียส รวมเป็นพลังงานสะสม 8MWh ที่ความจุความร้อน 100kW ทำให้ทรายเป็นสื่อเก็บพลังงานราคาถูกอย่างเหลือเชื่อ โดยไม่ต้องใช้เทคโนโลยี การติดตั้ง หรือข้อกำหนดที่เป็นอันตราย

เกี่ยวกับการจัดเก็บพลังงานความร้อนตามฤดูกาล

การจัดเก็บพลังงานความร้อนตามฤดูกาลหรือโดยย่อ STES มีมานานแล้ว ในรูปแบบที่ง่ายที่สุด คุณสามารถเก็บน้ำร้อนจากหลังคาในช่วงฤดูร้อนและเก็บไว้ในถังใต้ดิน ซึ่งคุณสามารถใช้เพื่อให้ความร้อนได้ในช่วงฤดูหนาว

อย่างไรก็ตาม ระบบ STES ส่วนใหญ่เก็บความร้อนไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100°C ซึ่งทำให้สามารถใช้ทำความร้อนในบ้านและสำนักงานได้ แต่ไม่เหมาะสำหรับการใช้ในอุตสาหกรรมหรือการผลิตไฟฟ้าอื่นๆ

วิธีการนั้นง่ายมาก คุณเปิดเผยสื่อใดๆ ก็ตามที่สามารถดักจับและกักเก็บความร้อนไว้กับแหล่งกำเนิดรังสี เช่น ดวงอาทิตย์ ของเสียจากความร้อนจากอุตสาหกรรม และอื่นๆ ประสิทธิภาพของระบบขึ้นอยู่กับวิธีการแลกเปลี่ยนความร้อนและประสิทธิภาพของระบบ

ถัดไป คุณจะต้องเก็บตัวกลางที่ให้ความร้อนไว้ในกล่องหุ้มฉนวน เพื่อลดการสูญเสียพลังงานให้เหลือน้อยที่สุด เปลือกบางสามารถเก็บความร้อนได้ดีเป็นเวลาหลายเดือน

ในที่สุด สื่อสำหรับจัดเก็บจะถูกสูบออกในช่วงฤดูหนาวเพื่อให้ความร้อนแก่บ้านและสำนักงานโดยผ่านการแลกเปลี่ยนความร้อนอื่น เช่น เครื่องทำความร้อนหม้อน้ำ วัสดุทั่วไปที่ใช้เป็นสื่อในการเก็บรักษา STES ได้แก่ น้ำ น้ำมัน ดิน เกลือไฮเดรต และอื่นๆ

การใช้พลังงานความร้อนที่เก็บไว้ที่เป็นที่นิยม

พลังงานความร้อนที่เก็บไว้มีประโยชน์หลายอย่าง ขึ้นอยู่กับการใช้งานที่ต้องการ นี่คือสิ่งที่ได้รับความนิยมมากที่สุด:

1. เครื่องทำความร้อนในบ้านและ ที่ทำงาน – ความร้อนที่เก็บไว้สามารถให้ความร้อนแก่พื้นที่อยู่อาศัยและพื้นที่ทำงานได้อย่างง่ายดายในฤดูหนาว
   
2. น้ำร้อน – ความร้อนยังสามารถถ่ายเทเพื่อให้มีน้ำร้อนที่พร้อมสำหรับใช้ในชีวิตประจำวัน
   
3. การใช้งานใน อุตสาหกรรม – น้ำร้อนใช้สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมที่หลากหลาย ตั้งแต่การผสมไปจนถึงการทำความสะอาด การแปรรูปอาหาร การทำตัวทำละลาย การฆ่าเชื้อ และอื่นๆ อีกมากมาย
   
4. การผลิตไฟฟ้า – คุณยังสามารถใช้พลังงานความร้อนที่สะสมไว้เพื่อทำให้น้ำร้อนเป็นไอน้ำและขับเคลื่อนกังหัน ซึ่งจะขับกระแสสลับที่ผลิตพลังงานไฟฟ้า

เศรษฐศาสตร์ของแบตเตอรี่ทราย

น้ำสามารถเก็บพลังงานได้มากกว่าทราย แต่จะไม่เสถียรตั้งแต่ 100°C (212°F) ขึ้นไป ในขณะที่ทรายสามารถเก็บกักอุณหภูมิได้อย่างง่ายดาย 600°C (1112°F)

น้ำจะเก็บพลังงานความร้อนไว้ได้นานกว่าทราย ซึ่งทำให้น้ำเป็นตัวกลางที่ดีกว่าสำหรับการจัดเก็บพลังงานตามฤดูกาล อย่างไรก็ตาม หากคุณกำลังพิจารณาแอปพลิเคชันที่ใช้ความร้อนจนหมดภายในไม่กี่ชั่วโมงหรือเพียงไม่กี่วัน ทรายก็กลายเป็นตัวเลือกอันดับต้นๆ อีกครั้ง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเสริมแหล่งพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และลมจากเซลล์แสงอาทิตย์

กลับไปที่แบตเตอรี่ทรายของฟินแลนด์ คอนเทนเนอร์เหล็กสูง 7 เมตรได้รับการออกแบบสำหรับทราย 100 ตัน ซึ่งเก็บพลังงานได้ถึง 8MWh

ในมุมมองนี้ บ้านในสหรัฐอเมริกาโดยเฉลี่ยใช้พลังงานประมาณ 10 เมกะวัตต์ชั่วโมงต่อปี ในขณะที่จำนวนดังกล่าวแตกต่างกันไปในยุโรปตั้งแต่ 2 เมกะวัตต์ชั่วโมงในโรมาเนียไปจนถึง 9 เมกะวัตต์ชั่วโมงในสวีเดน นอกจากนี้ ยังใช้พลังงาน 30-50% เพื่อให้ความร้อนตลอดฤดูหนาว

ซึ่งหมายความว่าอ่างเก็บน้ำทรายสูง 7 เมตรสามารถผลิตไฟฟ้าเพียงพอสำหรับให้ความร้อนแก่บ้านสองสามหลังตลอดฤดูหนาว และขึ้นอยู่กับตำแหน่งของคุณ แต่มันจะเป็นการใช้งานที่ทำไม่ได้ในใจกลางเมืองที่มีประชากรหนาแน่น เมื่อพิจารณาจากขนาดของมัน

การแปลงความจุความร้อน 100kW เป็นไฟฟ้าที่ 30% ในทางกลับกัน สามารถผลิตพลังงานเพียงพอสำหรับบ้านมากกว่า 20 หลังในระหว่างวัน และอีกหลายบ้านในตอนกลางคืน

ดังนั้น หากปรับให้เหมาะสมอย่างเหมาะสม แบตเตอรี่ทรายที่มีราคาประมาณ 5 เหรียญสหรัฐต่อความจุกิโลวัตต์ชั่วโมง อาจเป็นทางเลือกที่ดีสำหรับต้นทุนปัจจุบันที่ 100 เหรียญขึ้นไปต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงสำหรับระบบแบตเตอรี่ตะกั่วกรดและลิเธียมไอออน ใช่ มันอาจจะเทอะทะกว่า แต่ราคาถูกกว่ามาก

แบตเตอรี่ทรายสำหรับการผลิตไฟฟ้า

การจัดเก็บพลังงานความร้อนเพื่อใช้ในภายหลังในการผลิตไฟฟ้าเป็นเทคโนโลยีที่พิสูจน์แล้วและเชื่อถือได้ซึ่งได้นำไปใช้ในโครงการพลังงานแสงอาทิตย์เข้มข้น (CSP) มานานหลายทศวรรษ

พลังงานในระบบ CSP สมัยใหม่ถูกกักขังโดยการรวมกระจกหลายร้อยหรือหลายพันตัวในเตาเดียว กระจกเหล่านี้จะติดตามดวงอาทิตย์ตลอดทั้งวันเพื่อรับประกันความร้อนคงที่ที่เตาเผาสูงถึง 565 ° C (1,049 ° F)

การติดตั้ง CSP มักจะมีขนาดใหญ่มาก โดยครอบคลุมพื้นที่หลายล้านตารางฟุต (~1+km2) โดยมีตัวรับพลังงานแสงอาทิตย์อยู่ตรงกลางและกำลังการผลิตไฟฟ้าในช่วง 100+ เมกะวัตต์

ส่วนผสมของเกลือหลอมเหลวที่มีโซเดียมไนเตรต 60% และโพแทสเซียมไนเตรต 40% ใช้สำหรับเก็บพลังงานในระบบ CSP สำหรับการผลิตในเวลากลางคืน อย่างไรก็ตาม เกลือนี้ต่างจากแบตเตอรีทรายตรงที่ส่วนผสมของเกลือจะละลายที่อุณหภูมิสูงเพื่อให้ไหลเหมือนของเหลว

ทั้งระบบ CSP และระบบแบตเตอรี่ทรายแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานความร้อนโดยมีประสิทธิภาพเท่ากันประมาณ 15-20% แต่ในขณะที่ระบบเกลือหลอมเหลวของ CSP มีประสิทธิภาพประมาณ 50% ในการแปลงความร้อนที่เก็บไว้เป็นไฟฟ้า แบตเตอรี่ทรายของฟินแลนด์มีประสิทธิภาพตามทฤษฎี 20-25%

ระบบ CSP ใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์ ดังนั้นหากคุณสามารถปรับแต่งแบตเตอรี่ฟินแลนด์ให้มีประสิทธิภาพการแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้าสูงกว่า 30% ก็จะกลายเป็นเทคโนโลยีที่ใช้งานได้จริงในการจัดเก็บและจ่ายไฟฟ้าทดแทนในราคาถูก

เทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูลที่คล้ายกัน

มีการจัดเก็บพลังงานในรูปแบบอื่นๆ อีกมากมาย ซึ่งแต่ละแบบก็มีข้อดีและข้อเสีย ประเภทที่นิยมมากที่สุด ได้แก่ :

1. การจัดเก็บพลังงานเคมีไฟฟ้า – ดังที่คุณจะพบในแบตเตอรี่ สิ่งนี้ใช้ประโยชน์จากความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างสององค์ประกอบเพื่อเก็บและปล่อยพลังงานโดยใช้ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีแบบย้อนกลับได้
   
2. การจัดเก็บพลังงานกล – เกี่ยวข้องกับวิธีการต่างๆ รวมถึงการใช้มู่เล่และสปริง ตลอดจนระบบแรงโน้มถ่วงที่เก็บพลังงานไว้ในวัตถุโดยการดึงขึ้นและเพิ่มระดับความสูง
   
3. การจัดเก็บพลังงานเกลือหลอมเหลว (MSES) – การจัดเก็บที่นี่เป็นแบบใช้ความร้อน เช่น โดยใช้โซเดียมไนเตรต 60% และโพแทสเซียมไนเตรต 40% ร่วมกัน
   
4. น้ำร้อน – วิธีนี้สามารถเก็บพลังงานได้มากถึง 6kWh ในถังน้ำร้อนขนาด 50 แกลลอน
   
5. Pumped Hydro – รูปแบบการจัดเก็บพลังงานที่ถูกที่สุด อย่างไรก็ตาม ปัญหาหลักของมันคือสถานที่จำกัดที่สามารถนำไปปฏิบัติได้
   
6. อากาศอัด – คล้ายกับพลังน้ำ วิธีนี้จะบีบอัดอากาศเพื่อเก็บพลังงาน จากนั้นเมื่อคุณต้องการพลังงาน คุณจะต้องปล่อยอากาศอัดเพื่อให้พลังงานแก่กังหัน
   
7. มู่เล่ – คุณเพียงแค่ใช้พลังงานเพื่อหมุนล้อที่มีความสมดุล โดยเก็บไว้เป็นพลังงานจลน์ ซึ่งสามารถใช้สำหรับการเคลื่อนที่หรือการผลิตพลังงานไฟฟ้าก็ได้
   
8. Flow Battery – นี่คือระบบจัดเก็บไฟฟ้าเคมีที่อิเล็กโทรไลต์อยู่ในถังต่าง ๆ และต้องไหลจากถังที่มีประจุเต็มไปยังถังประจุที่ว่างเปล่า จากนั้นเพื่อชาร์จอิเล็กโทรไลต์ คุณเพียงแค่ย้อนกลับการไหล วิธีนี้สามารถผลิตแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพสูงได้ เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์ทั้งสองโต้ตอบผ่านเมมเบรนซึ่งคุณสามารถปรับขนาดได้อย่างกว้างขวาง
   
9. วัสดุเปลี่ยนเฟส - วัสดุเหล่านี้ดูดซับพลังงานในขณะที่ละลาย จากนั้นให้ออกไปเมื่อแข็งตัว เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการจัดเก็บพลังงานความร้อนที่อุณหภูมิที่แม่นยำ

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

บทสรุป

เราได้มาถึงจุดสิ้นสุดของการสำรวจแบตเตอรีทรายและศักยภาพทางเศรษฐกิจของพวกมันแล้ว และอย่างที่คุณต้องตระหนัก สิ่งเหล่านี้มีความเป็นไปได้มากมาย

ตั้งแต่การให้ความร้อนแก่ชุมชนไปจนถึงการผลิตกระแสไฟฟ้า ความสกปรกของทรายซิลิกาทำให้เป็นสื่อกลางที่น่าสนใจสำหรับโครงการพลังงานในอนาคต