Новый способ хранения возобновляемой энергии обеспечивает чистое тепло долгими скандинавскими ночами.А
В конце извилистой, усаженной деревьями проселочной дороги в западной Финляндии четыре молодых инженера считают, что у них есть возможный ответ на одну из самых больших проблем зеленой энергетики.
Задача состоит в том, чтобы обеспечить круглогодичное устойчивое электроснабжение от возобновляемых источников энергии при смене сезонов и переменных погодных условиях. Ответ, расположенный на электростанции Ватаянкоски, в 270 км (168 миль) к северо-западу от столицы Финляндии Хельсинки, удивительно прост, обилен и дешев: песок.
Электростанция Ватаянкоски является домом для первой в мире песчаной батареи промышленного масштаба. Полностью заключенная в стальной контейнер высотой 7 м (23 фута), батарея состоит из 100 тонн низкосортного строительного песка, двух труб централизованного теплоснабжения и вентилятора. Песок становится батареей после того, как он нагревается до 600°C с помощью электроэнергии, вырабатываемой ветряными турбинами и солнечными панелями в Финляндии, привезенными владельцами электростанции Ватаянкоски.
Возобновляемая энергия приводит в действие нагреватель сопротивления, который нагревает воздух внутри песка. Внутри батареи этот горячий воздух вентилятором циркулирует вокруг песка через теплообменные трубы.
Песок окружен толстой изоляцией, поддерживающей температуру внутри батареи на уровне 600°C (1112°F), даже когда снаружи мороз. «Мы не хотим терять тепло; средняя зимняя температура в Канканпяя ниже 0°C (32F)», — говорит Вилле Кивиоя, ведущий научный сотрудник Polar Night Energy, который следит за работой батареи в режиме онлайн.
Аккумулятор хранит 8 МВтч тепловой энергии при полном заряде. Когда потребность в энергии возрастает, батарея разряжает около 200 кВт мощности через теплообменные трубы: этого достаточно, чтобы обеспечить отопление и горячее водоснабжение около 100 домов и общественного бассейна в Канкаанпяя, дополняя электроэнергию из сети. Аккумулятор заряжается ночью, когда цены на электроэнергию ниже.
По словам Кивиойи, эта система не требует особого обслуживания. Компания использует дешевый некачественный песок, отвергнутый строителями, вместо высококачественного речного песка, который в огромных количествах используется для строительства, что приводит к глобальному дефициту .
«Трубы [теплообмена] и песок не изнашиваются. Вентилятор — единственная движущаяся часть, и при необходимости его легко заменить», — говорит Кивиоя.
Песок — очень эффективная среда для сохранения тепла в течение длительного периода времени , накапливая энергию в течение нескольких месяцев. Есть и другие преимущества. «Песок имеет очень долгий срок службы: он может нагреваться и остывать сколько угодно раз», — говорит Кивиоя. «Через некоторое время он станет более плотным, поэтому потребуется меньше места. В этот момент мы можем добавить больше песка».
Песчаная батарея, разработанная Томми Эроненом (справа) и Вилле Кивиоя (слева), обеспечивает теплом около 100 домов и бассейн в Канкаанпяя (Фото: Polar Night Energy)
Четверо молодых финских инженеров, изобретших эту песчаную батарею, имеют долгую историю. Томми Эронен, Маркку Юленен, Лииса Наскали и Вилле Кивиоя в детстве были связаны общей страстью к легкой атлетике. Спринтер, велосипедист, тройной прыгун и метатель диска состояли в одном клубе в Тампере на юге Финляндии, подбадривая друг друга на соревнованиях по легкой атлетике в подростковом возрасте.
Читая статью о традиционных финских каминах, сделанных из камня и песка, Эронен ощутил момент озарения.
Когда им исполнилось двадцать, их интересы переключились со спорта на науку. Более короткие и теплые зимы на юге Финляндии породили общую мотивацию для борьбы с изменением климата.
«Количество дней ледяного покрова на Нясиярви, озере, где мы катались на коньках в детстве, за последние несколько лет резко сократилось. Изменение климата происходит на наших глазах», — говорит Эронен.
В 2016 году, проводя исследования для получения степени магистра инженерных наук, Эронен изучал системы хранения на водной основе для возобновляемых источников энергии. Но, читая статью о традиционных финских каминах, сделанных из камня и песка, Эронен озарился.
«Это заставило меня задуматься: может ли твердый материал, а не вода, больше подходить для хранения солнечной и ветровой энергии?» — говорит Эронен.
ПОИСК СТАБИЛЬНЫХ ПОСТАВОК
Производство ветровой и солнечной энергии зависит от погоды и времени года и, следовательно, изменчиво. Это означает, что производство энергии не всегда соответствует спросу на энергию.
Это делает отсутствие дешевых, жизнеспособных и устойчивых технологий хранения одним из самых больших препятствий на пути перехода мира от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии.
«Хранение возобновляемых источников энергии — одна из самых важных задач, которые мы должны решить, чтобы достичь цели по полному нулевому выбросу CO2 к 2050 году, что, по мнению Межправительственной группы экспертов ООН по изменению климата (МГЭИК), имеет решающее значение для ограничения глобального потепления до 1,5°C . — говорит Юлонг Дин, директор Бирмингемского центра хранения энергии в Великобритании.
Вместе с Юлененом он начал разработку прототипа песчаной батареи. Успешно протестировав экспериментальную батарею в саду деда Эронена недалеко от Тампере, пара наняла своих друзей детства из спортивного клуба для запуска Polar Night Energy. В июле они установили первую коммерческую песчаную батарею на электростанции Ватаянкоски в Канкаанпяя.
Хранение зеленой энергии
Нововведение вызвало шквал ажиотажа по всему миру. «Мой телефон постоянно звонит, и у меня тысячи непрочитанных электронных писем», — говорит Эронен.
Небольшое коммерческое применение новой системы накопления энергии редко становится горячей темой, но песочная батарея привлекла внимание своим потенциалом выравнивания энергоснабжения от возобновляемых источников (см . «Поиск ящика с постоянным источником питания»).
Жизнеспособное хранение солнечной и ветровой энергии особенно важно для скандинавских стран, в которых долгие часы темноты и повышенная потребность в тепле зимой, но больше часов солнечного света летом.
После войны на Украине Финляндия призывает ЕС увеличить производство возобновляемой энергии. «Единственный выход из энергетического кризиса — вкладывать значительные средства в производство возобновляемой и экологически чистой энергии», — заявила в сентябре премьер-министр Финляндии Санна Марин .
Изобретатели песчаной батареи надеются, что именно здесь и появится их решение.
«Моей первой мыслью было: «Почему я до этого не додумалась?» — смеется Ева Понграц, вице-руководитель отдела исследований водных, энергетических и экологических технологий Университета Оулу на севере Финляндии. «Такая простая, свежая и инновационная идея. Может ли это быть решением для непрерывного снабжения зеленой энергией? Я не думаю, что будет один единственный ответ, но это часть решения».
Отсутствие дешевых, жизнеспособных и устойчивых технологий хранения — одно из самых больших препятствий на пути перехода мира на возобновляемые источники энергии (Фото: Getty Images)
Но как именно батарея отличается производительностью по сравнению с другими батареями, в частности с ее электрохимическим аналогом: литий-ионными батареями?
«Одна большая проблема с литий-ионными батареями , которые мы используем для питания наших ноутбуков, телефонов и электромобилей, заключается в том, что они постоянно разлагаются , даже когда не используются», — говорит Понграч. «В песчаных батареях нет химической реакции, поэтому они не подвергаются аналогичному процессу старения», — говорит Понграч.
Недостатки литиевых батарей означают, что они «не подходят для крупномасштабных приложений», — говорит Юлонг Дин, директор Бирмингемского центра хранения энергии в Великобритании, добавляя, что они также легко воспламеняются.
Тогда есть экологические проблемы. «Литий оказывает гораздо большее воздействие на окружающую среду, чем песок», — говорит Понграц. На каждую произведенную тонну рафинированного лития выбрасывается от трех до девяти тонн CO2, в зависимости от способа его извлечения.
Но команда Polar Night Energy сталкивается с рядом серьезных проблем: смогут ли они масштабировать свою технологию, чтобы действительно изменить ситуацию, и смогут ли они использовать ее для выработки значительного количества электроэнергии в дополнение к теплу?
Есть, конечно, ограничения, отмечают эксперты. «Песчаная батарея хранит в 5–10 раз меньше энергии [на единицу объема], чем традиционные химические батареи», — говорит Дэн Гладвин из отдела электронной и электротехники Шеффилдского университета в Великобритании.
Команда Polar Night Energy признает это, но утверждает, что песочная батарея является гораздо более экономичным решением. Команда подсчитала, что их батарея в восемь-десять раз дешевле, чем литиевая батарея, которая хранит такое же количество энергии. По словам Эронена, выработка 8 МВтч энергии с использованием песчаной батареи Канкаанпяя стоит около 200 000 долларов (174 000 фунтов стерлингов). По его словам, литий-ионная батарея, хранящая 8 МВтч энергии, будет стоить не менее 1 600 000 долларов (1 391 000 фунтов стерлингов).
Хранение возобновляемой энергии особенно важно для скандинавских стран, которым требуется много отопления зимой и долгие часы солнечного света летом (Фото: Alamy)
Глэдвин говорит, что песчаная батарея отлично подходит для обогрева домов в странах с холодным климатом, но предупреждает, что эффективность падает, когда она используется для возврата энергии в электросеть.
«Чтобы сделать его более широко применимым, им нужно разработать способ преобразования тепла батареи обратно в электричество с эффективностью 75–80%. Это изменит правила игры», — говорит он.
Эронен говорит, что с доступной в настоящее время технологией процесс преобразования тепла обратно в электричество имеет коэффициент полезного действия всего 30%. Но он не считает это серьезной проблемой. «В такой холодной стране, как Финляндия, мы сбрасываем 70% тепла, остающегося после преобразования, в сети централизованного теплоснабжения, которые почти все время нуждаются в подаче тепла», — говорит он.
Следующим шагом в расширении использования аккумуляторов для выработки электроэнергии является добавление турбины для обратного преобразования тепла в сеть. «Через пару лет у нас будет работающая система, позволяющая делать именно это», — говорит Эронен.
Polar Night Energy находится в процессе подписания контракта на строительство второй батареи для другой компании централизованного теплоснабжения в Финляндии.
«Это для значительно большей системы: 2 МВт тепловой мощности и 500 МВтч емкости хранения. Это в 10 раз больше, чем у нас в Канкаанпяя», — говорит Эронен.
По словам Понграча, на данный момент песчаная батарея остается скандинавским решением. «Это очень полезно в Финляндии, где у нас холодные зимы и отопление нужно в значительной степени с сентября по май, [из-за] среднегодовой температуры ниже 10°C (50F)», — говорит она, добавляя, что половина из 5,5 миллионов жителей Финляндии подключена к Интернету. к сети централизованного теплоснабжения.
Но теоретически решение по хранению энергии можно воспроизвести в любой точке мира, где есть инфраструктура централизованного теплоснабжения, включая Нью-Йорк, Сан-Франциско и Копенгаген.
«В любом случае у него гораздо больший потенциал [помимо] отопления домов», — говорит руководитель проекта компании Лийза Наскали. «При увеличении масштаба он будет доступен для использования во всех видах промышленных процессов, требующих высокой температуры: пекарнях, прачечных [и] сталелитейных заводах».
Эронен говорит, что к 2023 году Polar Night Energy стремится стать «по-настоящему глобальной компанией, строящей песчаные батареи по всему миру». Огромный бум оффшорной ветроэнергетики — к 2025 году энергия ветра будет покрывать 25% потребления электроэнергии в Финляндии — поможет сделать это возможным, но предстоит еще «много работы».
«Нам потребуются огромные складские мощности, чтобы сбалансировать колебания производства», — говорит он.
Маркку Юленен и Томми Эронен, соучредители Polar Night Energy, — друзья детства, которых объединяет общая любовь к спорту и науке (Источник: Polar Night Energy)
Чтобы помочь планам международного расширения, Polar Night Energy рассматривает возможность замены песка другими гранулированными негорючими материалами в местах, где песка не хватает. «Идея состоит в том, чтобы осмотреться и найти подходящий материал на месте: мы можем, например, протестировать побочные продукты промышленных процессов и посмотреть, сможем ли мы их использовать», — говорит Эронен.
Безусловно, самой большой проблемой для расширения является нежелание компаний и муниципалитетов инвестировать в новые технологии. «В Финляндии у компаний централизованного теплоснабжения есть обязательства по поставке тепла, и они должны платить штраф, если они не выполняют эти обязательства. Вот почему они предпочитают проявлять осторожность, прежде чем одобрять крупные инвестиции в новую технологию», говорит Наскали.
Исключение составляет финская энергетическая компания Vatajankoski. «Мы хотим найти способы борьбы с изменением климата. Мы искали технологии для производства тепла без сжигания ископаемого топлива и наткнулись на энергию полярной ночи… Это надежная технология», — говорит Пекка Пасси, управляющий директор Vatajankosi, который, как и Наскали, считает, что самый большой потенциал батареи заключается в промышленном использовании.
«Некоторым отраслям промышленности требуется очень горячий воздух, 300°C (572F), например, для сушки чего-либо. Сейчас мы рассматриваем возможность сотрудничества с промышленными компаниями в районе Канкаанпяя, которые используют электричество для производства тепла. Наличие песочной батареи, которую они могут заряжать за ночь, было бы предоставьте им гибкость и защитите от колебаний цен», — говорит он.
Указывая на экстремальные температуры, засуху и лесные пожары, охватившие мир, молодые финские инженеры говорят, что мы не можем позволить себе роскошь ждать, чтобы перейти на новые технологии. «Сейчас нам нужно принимать смелые решения, чтобы избежать [климатического] кризиса», — говорит Кивиоя.
«На нас, ученых и инженеров, оказывается большое давление, чтобы разобраться с изменением климата», — говорит он. «Я превращаю это давление в вдохновение, как делал это, когда участвовал в соревнованиях по метанию диска. Когда ты находишься в поле, готовясь к следующему метанию, ты не можешь замереть под давлением. работа.»
Эронен говорит, что «создание компании немного похоже на соревнования в спорте: вы хотите победить». Вместе с Илоненом он решил проехать 170 км (106 миль) от их родного города Тампере, чтобы посетить энергетическую конференцию в Хельсинки в 2018 году. «Все остальные участники прибыли на машине или самолете. оказать влияние’.»
Источник:https://www.bbc.com/future/article/20221102-how-a-sand-battery-could-transform-clean-energy