Magazyny energii wykorzystujące piasek (sand energy storage)

Wstęp

Pomysł wybudowania magazynu energii wykorzystującego piasek, powstał w Finlandii i jest projektem Tommiego Eronena i Markku Ylönena, założycieli firmy Polar Night Energy. Efektem ich pracy była pilotażowa instalacja o mocy 100kW i pojemności 3 MWh w fińskim mieście Tampere, która rozpoczęła działalność zimą 2020–2021. System wykorzystuje energię elektryczną do ogrzewania powietrza, które następnie krąży w wymienniku wypełnionym piaskiem, Inny wymiennik podgrzewa wodę i rozprowadza ją do wielu budynków w dzielnicy Hiedanranta (Rysunki).

Rys.1 Praca magazynu w dzień. Energia słoneczna produkuje energię elektryczną, która zamieniana jest w elementach rezystancyjnych w energię cieplną, podgrzewając powietrze do wysokiej temperatury rzędu 600-650°C. Gorące powietrze krąży następnie w obiegu rurowym, poprzez zbiornik wypełniony piaskiem, ogrzewając go do bardzo wysokiej temperatury. Zbiornik jest dobrze zaizolowany, tym samym akumuluje energię. W obiegu powietrza umieszczony jest też drugi wymiennik ciepła połączony z ogrzewanymi budynkami, tym samym cześć energii od razu zużywana jest na ogrzewanie pomieszczeń lub przygotowanie c.w.u.
 

Rys.2 Praca magazynu w nocy. Przy braku nasłonecznienia, energia zgromadzona w zasobniku piasku wykorzystywana jest do ogrzewania krążącego w układzie powietrza.

Fińscy inżynierowie doceniają magazynowanie energii w wodzie, ale jednocześnie pokazują jej wady. Woda pozwala się ogrzać tylko do temperatury 100C, potem zamienia się w parę. Piasek zapewnia wielokrotnie większą zdolność magazynowania energii niż woda. Jest łatwy w pozyskaniu, ogólnie dostępny i dość tani. 

Piasek ma pojemność cieplną około 880 J/kgK (0,244×10-3 kWh/kgK) i gęstość (w stanie suchym) około 1520 kg/m3. Magazyn jest w stanie podgrzać piasek do temperatury około 600°C z temperatury otoczenia 20°C, czyli w każdym metrze sześciennym można zgromadzić:

0,244×10-3 x 1520 x (600-20) = 215 kWh

Woda ma pojemność 4190 J/kgK (1,163×10-3 kWh/kgK) i gęstość 1000 kg/m3. Przy podgrzaniu od 20-100 stopni ilość możliwej do zgromadzenia energii wynosi:

1,163×10-3 x 1000 x (100-20) = 93 kWh

Pierwsza komercyjna bateria piasku na świecie znajduje się w mieście o nazwie Kankaanpää w zachodniej Finlandii. Jest podłączona do sieci ciepłowniczej i ogrzewa budynki mieszkalne i komercyjne, takie jak domy jednorodzinne i basen miejski. Sieć ciepłownicza jest obsługiwana przez zakład energetyczny Vatajankoski. Magazyn został wykonany w postaci stalowego silosa, o zaizolowanych ścianach, wypełnionego wewnątrz piaskiem i przewodami ciepłowniczymi.

Fot. Magazyn energii w Finlandii.

Całość ma wysokość 7m i mieści około 100 ton piasku.  Magazyn przechowuje 8 MWh energii cieplnej, gdy jest pełny. Gdy zapotrzebowanie na energię wzrasta, rozładowuje około 200 kW mocy przez rury wymiennika ciepła: to wystarczy do ogrzewania i ciepłej wody dla około 100 domów i publicznego basenu w Kankaanpää, uzupełniając energię z sieci. Magazyn jest ładowany w okresie nocnym, gdy ceny energii elektrycznej są niższe.
To system o niewielkich wymaganiach konserwacyjnych. Firma używa taniego, niskiej jakości piasku, który został odrzucony przez budowniczych, zamiast wysokiej jakości piasku rzecznego. Piasek jest bardzo skutecznym medium do zatrzymywania ciepła przez długi czas, magazynując energię przez wiele miesięcy. Ma też inne korzyści: może się nagrzewać i ochładzać dowolną liczbę razy. Po pewnym czasie staje się gęstszy, więc potrzebuje mniej miejsca. W tym momencie możemy nawet dodać go do zbiornika.

MGTES system firmy Magaldi

Pomysł Finów nie jest jedynym dostępnym rozwiązaniem na rynku wykorzystującym piasek. Włoska firma Magaldi opracowała system Magaldi Green Thermal Energy Storage (MGTES) do produkcji ekologicznej energii cieplnej – pary lub gorącego powietrza – którą można wykorzystać bezpośrednio w zakładach przemysłowych lub do wytwarzania energii elektrycznej za pomocą turbin parowych. Ten system, którego przewidywany okres użytkowania wynosi ponad 30 lat, ma wszelkie kwalifikacje, aby odgrywać kluczową rolę w globalnym procesie dekarbonizacji. 

Zaprojektowany z myślą o krótkich (<4 godzin), jak i długich (4+ godzin do dni i tygodni) zastosowaniach, do magazynowania energii na dużą skalę, system składa się z izolowanych modułów zawierających piasek krzemionkowy, nagrzany  do temperatury powyżej 600°C. System działa w trzech krokach:

  1. Ładowanie. Nadwyżki energii produkowanej ze źródeł odnawialnych wykorzystywane są do ładowania systemu. Szereg rezystorów elektrycznych (w przypadku energii elektrycznej) lub zintegrowany wymiennik ciepła (w przypadku energii cieplnej) zanurzony jest w fluidyzowanym złożu piasku. Fluidyzacja cząstek piasku znacznie zwiększa współczynnik wymiany ciepła i czas reakcji całego układu. Magazyn bardzo szybko ładuje energię.
  2. Magazynowanie. Ekspansja złoża piasku jest wyłączona. Gorący piasek gromadzi się na dnie modułu. Brak konwekcji oraz izolacja zbiornika ograniczają wymianę ciepła z otoczeniem, minimalizując w ten sposób straty energii.
  3. Rozładowanie. Przy poborze energii system odwraca przepływ ciepła w zintegrowanym wymienniku ogrzewając powietrze, lub produkując gorącą parę. Energia może być dalej wykorzystana w bloku parowym lub przekazana do zewnętrznego wymiennika w obiegu grzewczym. 

Rys. Magazyn energii w piasku firmy Magaldi.

Według danych firmy straty energii w magazynie nie przekraczają 2% w skali doby, a sama energia może być magazynowa przez wiele dni. Przy magazynie pracującym w układzie ciepło/ciepło, czyli magazynującym energię termiczną i zamieniającym ją na energię cieplną, sprawność magazynu wynosi >90%. Magazyn jest skalowalny i produkowany w kilku wielkościach. Moduły, w zależności od zawartości piasku posiadają moce od 1-20 MW i pojemności magazynowe energii od 5-100MWh. Pozwalają się łączyć szeregowo i równolegle zapewniając dużą elastyczność ,w zależności od potrzeb energetycznych. 

Rys. Moduły Magaldi produkowane są o pojemnościach od 40-500 ton piasku. Połączone w zespoły potrafią stworzyć magazyn o pojemności energii rzędu 1GWh, na obszarze mniejszym niż 1 hektar.

Przy połączeniu równoległym maksymalna temperatura zmagazynowanego piasku waha się od 100-400°C. Przy szeregowym istnieje możliwość podniesienie końcowej temperatury do 600°C. Ponizej dwa filmy obrazujące system.