Οι θερμικές μπαταρίες θα μπορούν να αποθηκεύσουν αιολική και ηλιακή ενέργεια σε δίκτυο ΑΠΕ

Πώς αποθηκεύεις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όταν ο Ήλιος δεν λάμπει και ο άνεμος δεν φυσάει; Αυτό είναι ένα από τα μεγάλα ερωτήματα που εμποδίζουν ένα πιο πράσινο ηλεκτρικό δίκτυο. Οι μεγάλες τράπεζες μπαταριών είναι μια απάντηση. Αλλά είναι ακριβές και είναι καλύτερα να αποθηκεύουν ενέργεια για λίγες ώρες, και όχι για μέρες με συννεφιά ή ηρεμία.

Μια άλλη στρατηγική είναι να χρησιμοποιηθεί η πλεονάζουσα ενέργεια για την θέρμανση μιας μεγάλης μάζα υλικού σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και μετά να αξιοποιηθεί η ενέργεια όπως χρειάζεται. Αυτή την εβδομάδα, οι ερευνητές ανακοίνωσανμια σημαντική βελτίωση σε ένα βασικό μέρος αυτού του σχεδίου: μια συσκευή που μετατρέπει την αποθηκευμένη θερμότητα ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια  σύμφωνα με το science.org.

Μια ομάδα από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) και το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας πέτυχε σχεδόν 30% άλμα στην απόδοση ενός θερμοφωτοβολταϊκού (TPV), μιας δομής ημιαγωγών που μετατρέπει τα φωτόνια που εκπέμπονται από μια πηγή θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια, όπως η ηλιακή κυψέλη μετατρέπει το ηλιακό φως σε ενέργεια.
«Είναι πολύ συναρπαστικά πράγματα», λέει ο Andrej Lenert, μηχανικός υλικών στο Πανεπιστήμιο του Michigan, Ann Arbor. «Είναι η πρώτη φορά που [ΤΡV] μπαίνουν σε πραγματικά πολλά υποσχόμενα εύρη απόδοσης, κάτι που είναι τελικά αυτό που έχει σημασία για πολλές εφαρμογές».
Μαζί με τις σχετικές προόδους, λέει ο ίδιος και άλλοι, το νέο έργο δίνει μεγάλη ώθηση στις προσπάθειες για την κυκλοφορία θερμικών μπαταριών σε μεγάλη κλίμακα, ως φθηνό εφεδρικό για συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

Η ιδέα είναι να τροφοδοτηθεί η πλεονάζουσα αιολική ή ηλιακή ηλεκτρική ενέργεια σε ένα στοιχείο θέρμανσης, το οποίο ενισχύει τη θερμοκρασία ενός υγρού μετάλλου ή ενός μπλοκ γραφίτη σε αρκετές χιλιάδες βαθμούς. Η θερμότητα μπορεί να μετατραπεί ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια με την παραγωγή ατμού που κινεί έναν στρόβιλο, αλλά υπάρχουν συμβιβασμούς. Οι υψηλές θερμοκρασίες αυξάνουν την απόδοση μετατροπής, αλλά τα υλικά του στροβίλου αρχίζουν να διασπώνται στους 1500°C περίπου. Τα TPV προσφέρουν μια εναλλακτική λύση: Διοχετεύουν την αποθηκευμένη θερμότητα σε μια μεταλλική μεμβράνη ή νήμα, φωτίζοντας όπως το σύρμα βολφραμίου σε έναν λαμπτήρα πυρακτώσεως και, στη συνέχεια, χρησιμοποιούν TPV για να απορροφήσουν το εκπεμπόμενο φως και να το μετατρέψει σε ηλεκτρική ενέργεια.

Μετατροπή ενέργειας

Όταν τα πρώτα TPV εφευρέθηκαν τη δεκαετία του 1960, μετέτρεψαν μόνο ένα μικρό ποσοστό της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Αυτή η αποτελεσματικότητα εκτινάχθηκε σε περίπου 30% το 1980, όπου έχει κολλήσει σε μεγάλο βαθμό από τότε. Ένας λόγος είναι ότι το βολφράμιο και άλλα μέταλλα τείνουν να ακτινοβολούν φωτόνια σε ένα ευρύ φάσμα, από το υπεριώδες υψηλής ενέργειας έως το μακρινό υπέρυθρο χαμηλής ενέργειας. Αλλά όλα τα φωτοβολταϊκά —συμπεριλαμβανομένων των TPV— είναι βελτιστοποιημένα για να απορροφούν φωτόνια σε στενό εύρος, που σημαίνει ότι το φως με υψηλότερες και χαμηλότερες συχνότητες τείνει να σπαταλάται.

Για τη νέα συσκευή, ο Asegun Henry, μηχανολόγος μηχανικός του MIT, ασχολήθηκε τόσο με τον πομπό όσο και με το ίδιο το TPV. Προηγούμενες ρυθμίσεις TPV θέρμαιναν τους εκπομπούς σε περίπου 1400°C, γεγονός που μεγιστοποίησε τη φωτεινότητά τους στο εύρος μήκους κύματος για το οποίο βελτιστοποιήθηκαν τα TPV. Ο Henry είχε στόχο να ωθήσει τη θερμοκρασία 1000°C υψηλότερα, όπου το βολφράμιο εκπέμπει περισσότερα φωτόνια σε υψηλότερες ενέργειες, κάτι που θα μπορούσε να βελτιώσει τη μετατροπή της ενέργειας. Αλλά αυτό σήμαινε ότι θα ξαναδουλέψουμε και τα TPV.

Με ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, η ομάδα του Henry έβαλε πάνω από δύο δωδεκάδες λεπτές στρώσεις διαφορετικών ημιαγωγών για να δημιουργήσει δύο ξεχωριστές κυψέλες στοιβαγμένες το ένα πάνω στο άλλο. Το επάνω κύτταρο απορροφά κυρίως ορατά και υπεριώδη φωτόνια, ενώ το κάτω κύτταρο απορροφά κυρίως υπέρυθρες. Ένα λεπτό φύλλο χρυσού κάτω από το κάτω στοιχείο αντανακλά φωτόνια χαμηλής ενέργειας που τα TPV δεν μπορούσαν να συλλέξουν. Το βολφράμιο επαναρροφά αυτή την ενέργεια, εμποδίζοντάς την να χαθεί.
Το αποτέλεσμα, αναφέρει η ομάδα σήμερα στο Nature, είναι μια σειρά TPV που μετατρέπει το 41,1% της ενέργειας που εκπέμπεται από ένα νήμα βολφραμίου 2400°C σε ηλεκτρική ενέργεια.

Εμπορικό ενδιαφέρον

Αυτή η πρόοδος έχει προκαλέσει εμπορικό ενδιαφέρον. Η Antora Energy στην Καλιφόρνια ξεκίνησε μια εταιρεία θερμικής ενέργειας το 2016. Και ο Henry ξεκίνησε πρόσφατα μια επιχείρηση - Thermal Battery Corp. - για να εμπορευματοποιήσει την τεχνολογία του ομίλου του, η οποία εκτιμά ότι θα μπορούσε να αποθηκεύσει ηλεκτρική ενέργεια για 10 $ ανά κιλοβατώρα χωρητικότητας, λιγότερο από το ένα δέκατο του κόστους των μπαταριών ιόντων λιθίου κλίμακας δικτύου. «Η αποθήκευση ενέργειας ως θερμότητα μπορεί να είναι πολύ φθηνή», ακόμη και για πολλές μέρες κάθε φορά, λέει η Alina LaPotin, μεταπτυχιακή φοιτήτρια του MIT και πρώτη συγγραφέας της τρέχουσας εργασίας Nature.

Ο Henry και άλλοι προσθέτουν ότι τα συστήματα θερμικής αποθήκευσης είναι αρθρωτά, σε αντίθεση με τα εργοστάσια ορυκτών καυσίμων, τα οποία είναι πιο αποτελεσματικά σε τεράστια κλίμακα, γιγαβάτ.

www.worldenergynews.gr