Jednym z największych wyzwań energii słonecznej jest jej niestabilność. Panele fotowoltaiczne produkują energię tylko wtedy, gdy świeci słońce, a wiatraki wtedy, kiedy wieje, więc przy niesprzyjającej pogodzie tego typu sposoby pozyskiwania energii stają się bardzo problematyczne. Aby przezwyciężyć ten problem, naukowcy od lat testują różne sposoby magazynowania energii, a teraz na horyzoncie pojawiła się nowa, obiecująca koncepcja, bo wykorzystanie piasku jako medium magazynującego energię cieplną.
W świecie nieustannych innowacji w energetyce odnawialnej niektóre z najbardziej przełomowych pomysłów opierają się na najprostszych materiałach. Podczas gdy główny nurt jest zdominowany przez wysokotechnologiczne akumulatory i złożone systemy, pewien zespół naukowców zwrócił się ku czemuś, co nie tylko zdobi plaże i pustynie, ale też stanowi dziś podstawę każdej budowy, a nawet krzemowego układu, bo… piasku.
Urok prostoty, czyli jak piasek może zrewolucjonizować magazynowanie energii cieplnej
Badacze z Indyjskiego Narodowego Instytutu Technologii (NIT) w Kurukshetrze oraz Narodowego Instytutu Energii Słonecznej (NISE) w Gurugram opracowali prototypowy system solarnego podgrzewacza wody, który magazynuje ciepło w drobnym piasku. System ten, nazwany Fine Sand Solar Geyser (FSG), łączy panele fotowoltaiczne z jednostką magazynującą ciepło w piasku, oferując tanie i trwałe rozwiązanie do podgrzewania wody. Jego działanie jest z kolei dosyć proste.
Czytaj też: Elektrody na wypasie. Naukowcy ponownie zaskoczyli z akumulatorową rewolucją
FSG przetwarza energię słoneczną w elektryczność za pomocą trzech paneli polikrystalicznych o mocy 300 watów. Energia ta zasila pręt grzewczy z drutu nichromowego, który podgrzewa zbiornik z 120 kilogramami drobnego piasku. Dlaczego akurat piasku, a nie np. wody? Ano dlatego, że piach odznacza się wysoką pojemnością cieplną, równomiernym przewodnictwem, wysoką odpornością termiczną, niską ceną czy nawet po prostu powszechną dostępnością. W efekcie, gdy tylko potrzebna jest ciepła woda, ciepło z piasku przekazywane jest przez aluminiowy wymiennik ciepła do wody przepływającej przez rurki zatopione w złożu piasku.
Czytaj też: Zasili elektronikę, a później naturę. Czy to bateria idealna?
W testach prototypu pierwszego dnia temperatura piasku wzrosła z 25,2°C do 164,2°C, a drugiego dnia z 94,7°C do 211,9°C. System zmagazynował odpowiednio 14,02 MJ i 11,81 MJ energii cieplnej, osiągając sprawność ładowania na poziomie 97,41% i 90,76%. W praktyce oznacza to, że system dostarczył 140 litrów i 152 litry ciepłej wody w ciągu dwóch dni przy stałym przepływie 0,67 litra na minutę. Średni przyrost temperatury wody między wlotem a wylotem wynosił 11,7°C i 13,75°C, a sprawność rozładowania ciepła wynosiła około 90%. Poczyniona na podstawie tych testów analiza wykazała koszt energii na poziomie 0,0233 USD/kWh, okres zwrotu inwestycji wynoszący 4,45 roku oraz szacowaną żywotność systemu na 25 lat.
Piasek jako magazyn energii cieplnej
Koncepcja użycia piasku jako magazynu ciepła nie jest nowa. Amerykański Narodowy Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) prowadzi również testy systemu zdolnego do przechowywania ciepła przez nawet 100 godzin, dążąc do kosztu 0,05 USD/kWh. Z kolei fińska firma Polar Night Energy zbudowała już komercyjną “piaskową baterię” do magazynowania ciepła na potrzeby sieci ciepłowniczych.
Czytaj też: To odkrycie może zmienić rynek samochodów elektrycznych. Jest jednak pewien haczyk
Chociaż woda ma wyższą pojemność cieplną (4200 J/kg·K) niż piasek (ok. 800 J/kg·K), to piasek lepiej znosi wysokie temperatury i wielokrotne cykle nagrzewania i chłodzenia. Nadal jednak inżynierowie muszą postarać się o odpowiedni projekt izolacji oraz jeszcze efektywniejszy transfer ciepła, bo te czynniki są kluczowe, aby wdrażać takie magazyny energii cieplnej do zastosowań na większą skalę. Najnowsze dzieło zapowiada się jednak obiecująco.