Svako ko ga je ikada prešao bosi po plaži po sunčanom danu, odlazi sa boljim razumevanjem koliko toplote pesak može zadržati. Očekuje se da će ta sposobnost igrati vitalnu ulogu u budućnosti, jer tehnologija koja uključuje zagrejani pesak postaje deo odgovora na potrebe skladištenja energije.
Baterije su verovatno ono o čemu većina ljudi razmišlja u smislu skladištenja energije za kasniju upotrebu, ali postoje i druge tehnologije. Hidroenergija sa pumpama je jedna uobičajena metoda, iako ona zahteva rezervoare na različitim nadmorskim visinama i ograničena je geografijom. Drugi pristup se oslanja na ono što je poznato kao skladištenje toplotne energije, ili TES, koji koristi rastopljenu so ili čak pregrejane stene.
TES obećava kao jeftina alternativa postojećim tehnologijama skladištenja, a skladištenje energije u čvrstim česticama kao što je pesak daje spreman odgovor, bez geoloških ograničenja.
Na kraju krajeva, pesak, poput vazduha i vode, ima svuda.
„Pesku je lako pristupiti. Ekološki je. Stabilan je, prilično stabilan, u širokom temperaturnom opsegu. Takođe je niska cena“, rekao je Zhiven Ma, mašinski inženjer u laboratorijskoj Grupi za sisteme za termičku energiju.
Patentirana tehnologija razvijena i prototipizovana u NREL-u otkriva kako grejači napajani obnovljivim izvorima energije poput vetra i sunca mogu podići temperaturu čestica peska do željene temperature. Pesak se zatim odlaže u silos za skladištenje i kasnije korišćenje, bilo za proizvodnju električne energije ili za procesnu toplotu u industrijskim primenama. Prototip u laboratorijskim razmerama potvrdio je tehnologiju i omogućio istraživačima da stvore kompjuterski model koji pokazuje da bi uređaj komercijalnog razmera zadržao više od 95% svoje toplote najmanje pet dana.
„Litijum-jonske baterije su zaista zauzele tržište sa dva do četiri sata skladištenja, ali ako želimo da postignemo svoje ciljeve smanjenja ugljenika, biće nam potrebni uređaji za skladištenje energije dugog trajanja — stvari koje mogu da skladište energiju danima“, rekao je Džefri Giford, postdoktorski istraživač na NREL-u.
Giford, koji već deli dva patenta sa Maom o izmenjivačima toplote koji pretvaraju uskladištenu toplotnu energiju u električnu, rekao je da upotreba peska ili drugih čestica za skladištenje toplotne energije ima još jednu prednost u odnosu na baterije. „Skladištenje toplotne energije čestica se ne oslanja na materijale retkih zemalja ili materijale koji imaju složene i neodržive lance snabdevanja. Na primer, u litijum-jonskim baterijama, postoji mnogo priča o izazovu etičkog iskopavanja kobalta.“
Pored TES-a, Giffordova ekspertiza je u računarskoj dinamici fluida. To znanje je važno jer pesak treba da protiče kroz uređaj za skladištenje. Ostali TES mediji uključuju beton i kamenje, koji lako zadržavaju toplotu, ali ostaju čvrsto na mestu. „Vaš prenos toplote je mnogo veći i mnogo brži i mnogo efikasniji ako pomerate svoje medije“, rekao je Giford.
TES takođe ima još jednu ključnu prednost: cenu. Ma je izračunao da je pesak najjeftinija opcija za skladištenje energije u poređenju sa četiri rivalske tehnologije, uključujući skladištenje energije komprimovanog vazduha (CAES), pumpnu hidroelektranu i dve vrste baterija. CAES i pumpna hidroelektrana mogu da skladište energiju samo desetinama sati.
Cena po kilovat-satu za CAES se kreće od 150 do 300 dolara, dok je za pumpnu hidroelektranu oko 60 dolara. Litijum-jonska baterija koštala bi 300 dolara po kilovat-satu i imala bi samo kapacitet za skladištenje energije od jednog do četiri sata. Sa trajanjem koje traje stotine sati, pesak kao medij za skladištenje koštao bi od 4 do 10 dolara po kilovat-satu. Da bi se osigurali niski troškovi, toplota bi se generisala korišćenjem električne energije po niskoj ceni van vršnog opterećenja.
Ma, koja poseduje nekoliko patenata o ovoj tehnologiji, ranije je bila glavni istraživač na projektu koji je finansirao ARPA-E, poznatom kao ENDURING, za ekonomsko dugotrajno skladištenje električne energije korišćenjem jeftinog skladištenja toplotne energije i ciklusa električne energije visoke efikasnosti . Prototip je došao iz ovog projekta.
Sledeće je izvođenje temelja 2025. godine na sistemu za skladištenje električne toplotne energije (ETES) u NREL-ovom Flatirons kampusu izvan Bouldera u Koloradu, koji će biti dizajniran da skladišti energiju između 10 i 100 sati. Samostalni sistem je slobodan od bilo kakvih ograničenja lokacije koja ograničavaju gde se mogu uspostaviti CAES ili akumulirana hidroelektrana.
Demonstracijski projekat koji finansira DOE, rekao je Ma, ima za cilj da pokaže komercijalni potencijal peska za TES.
Rastopljene soli se već koriste za privremeno skladištenje energije, ali se smrzavaju na oko 220°C (428°F) i počinju da se razlažu na 600°C. Pesak koji Ma namerava da koristi izlazi iz zemlje na srednjem zapadu Sjedinjenih Država, ne treba ga čuvati od „smrzavanja“ i može zadržati znatno više toplote, u rasponu od 1.100°C (2.012°F) koliko iznosi može da skladišti toplotu za proizvodnju električne energije ili da zameni sagorevanje fosilnih goriva za industrijsku toplotu.
„Ovo predstavlja novu generaciju skladišta izvan rastopljene soli“, rekao je Ma.
Ali da li će biti dobar bilo koji stari pesak? Ne prema istraživačima NREL-a, koji su ispitivali različite čvrste čestice na njihovu sposobnost da teku i zadržavaju toplotu. U radu objavljenom prošle jeseni u časopisu Solarna energija, Ma i drugi su eksperimentisali na osam kandidata čvrstih čestica. Među česticama koje se razmatraju bili su veštački keramički materijali koji se koriste za fraking, kalcinisana kremena glina, smeđi topljeni aluminijum i silicijum pesak. Glina i topljena glinica su odbačeni zbog termičke nestabilnosti na ciljnoj temperaturi od 1.200°C (2.192°F).
Keramički materijali su nadmašili pesak u svim kategorijama, ali se smatralo da su marginalne performanse nedovoljne da opravdaju veći trošak. Dok pesak košta od 30 do 80 dolara po toni, cene keramičkih materijala bile su oko dve magnitude više. Pesak je u ultra čistom obliku alfa kvarca i lako dostupan na Srednjem zapadu.
Proširenje količine energije koja se može uskladištiti u pesku je jednostavno kao dodavanje više peska, rekao je Kreg Turči, menadžer istraživačke grupe za nauku i tehnologiju termalne energije u NREL-u.
„To je marginalni trošak za dodavanje dodatnog kapaciteta za skladištenje“, rekao je on. „Potreban nam je prostor za skladištenje u rasponu od minuta do meseci. Baterije su zaista dobro radile na prostoru od minuta do sati u smislu kako se povećavaju. A kada uđete u mesece skladištenja, obično tražite da napravite gorivo poput vodonika da biste to obezbedili dugotrajno skladištenje. Ali u periodu između više sati i dve nedelje, trenutno se ne uklapa dobro. Vodonik je preskup za to. Baterije su preskupe za to.“
Komponente potrebne za pretvaranje pregrejanog peska nazad u električnu energiju zahtevaju unapred troškove. „Ali kada jednom platite za to“, rekao je Turči, „ako samo želite da imate duže trajanje svoje struje, mnogo je, mnogo jeftinije dodati više peska nego alternativa, a to je da nastavite sa dodavanjem baterija.“
