Termofotovoltaikus panelekkel kombinált hőtárolót dob piacra egy amerikai cég

Az utóbbi években az időjárásfüggő megújuló energia térnyerése és a dekarbonizációs törekvések erősödése nyomán megnőtt az érdeklődés az ipari léptékű hőtárolás iránt. Ez a technológia viszonylag olcsó, könnyen skálázható, és mivel az ipar energiafogyasztásának egy döntő részét egyébként is a hőfelhasználás teszi ki, kézenfekvő megoldás, hogy a váltakozó termelésű megújuló energiát hő formájában tároljuk el. Erre a célra sokféle hőtároló közeg alkalmas, a kohósalakot, a kőzúzalékot és a homokot alkalmazó termikus akkumulátorokról már mi is írtunk, egy amerikai startup, az Antora Energy azonban a szén mellett tette le a voksát.

A világ fémipara évente 30 millió tonnányi grafittömböt használ fel, amihez képest az energiatárolás igénye elenyésző, még akkor is, ha terawattórás nagyságrendet érne el. Az Antora választása azonban nem csak a könnyű hozzáférhetőség miatt esett grafitra, ez az anyag számos más előnyös tulajdonsággal rendelkezik, így például arra is lehetőséget nyújt, hogy mozgó alkatrészek nélkül, termofotovoltaikus (TPV) panelek segítségével állítsanak elő villamos energiát az izzásig hevített grafittömbökből.

Mikroszkóp alatt az Antora termofotovoltaikus cellája.

Egy olcsó, bőségesen rendelkezésre álló anyag felmelegítése egyszerű feladat, és olcsóbb, mint az energia tárolásának bármely más módja, de ahhoz, hogy a technológia elterjedjen, két nagy problémát is meg kellett oldaniuk a mérnököknek.

Az első kihívást a hőtároló közegek jelentették: milyen anyagok felelnének meg a költséghatékonyság, a teljesítmény, a tartósság és a méretezhetőség követelményeinek?

A második kihívás a hővisszanyerés volt: hogyan lehet a tárolt hőt a fogyasztó számára hasznos energiává alakítani?

„Miután a lehetséges tárolóanyagok és hővisszanyerési rendszerek széles skáláját vizsgáltuk meg, amit találtunk, az meglepett minket” – írja Andrew Ponec, a vállalat alapítója és ügyvezető igazgatója egy blogbejegyzésében.

Az első megállapításuk az volt, hogy a szén több szempontból is rendkívüli anyag. Egyrészt olcsón elérhető, és hatalmas meglévő ellátási lánccal, illetve széles körű ipari felhasználással rendelkezik, másrészt pedig kiemelkedő fizikai tulajdonságai vannak.

Ez utóbbiak közé tartozik a magas hővezető képesség, a magas emissziós tényező (az energia hősugárzásként történő kibocsátásának hatékonysága), a kiváló hőállóság, és a nagy mechanikai szilárdság, amely magas hőmérsékleten még növekszik is. E tulajdonságoknak köszönhetően gyorsan képes hatalmas mennyiségű energiát felvenni, és gyakorlatilag korlátlan élettartamú.

A grafit több mint 3000 °C-ig szilárd marad. Hogy ezt perspektívába helyezzük, ez körülbelül kétszerese annak a hőmérsékletnek, amelyen az acél megolvad, és körülbelül fele a Nap felszíni hőmérsékletének. Ez az egyedülálló tulajdonság egy másik kulcsfontosságú előnyt rejt magában.

A magas maximális üzemi hőmérséklet hatalmas energiasűrűséget tesz lehetővé, így a szén magas hőmérsékleten sokkal nagyobb hőtároló kapacitással rendelkezik, mint a legtöbb hagyományos hőtároló közeg, ami az anyag tömegére vetítve lényegesen több tárolt energiát eredményez. A nagy energiasűrűség kisebb helyigényt jelent, és csökkenti a rendszerszintű költségeket is (szigetelés, alapozás stb.).

Lehet, hogy a kőzúzalék vagy a homok olcsóbb a grafitnál, de az alacsonyabb energiasűrűségük miatt több kell belőlük, ezért fajlagosan a grafit sem lesz drágább náluk.

„Mivel a szén ilyen nagy hőmérséklet-tartományban stabil, a mi tárolórendszerünk 2-5-ször nagyobb ΔT-t [a teljesen feltöltött és a teljesen lemerült állapot közötti hőmérsékletingadozás] képes elviselni, mint más hőtároló rendszerek. … Az alacsony nyersanyagköltség, a nagy hőkapacitás és a hatalmas hőmérsékletingadozás kombinációja azt eredményezi, hogy a szén tároló közeg ára akár 1 $/kWh is lehet. Ez körülbelül 90%-kal alacsonyabb, mint a sóolvadékos, és 98%-kal alacsonyabb, mint a lítium-ion-akkumulátorok költsége, ami lehetővé teszi, hogy rendszereink többnapos kitárolási időtartamokkal rendelkezzenek, amelyek szükségesek az ipar folyamatos energiaigényének kielégítéséhez” – írja Andrew Ponec.

Az ultramagas hőmérséklet másik előnye a hőátadással kapcsolatos. A hőmérséklet átadásának egyik formája a hőmérsékleti sugárzás, melynek során egy test belső energiája átalakul elektromágneses energiává, főként infravörös és látható fény formájában, és ezt a sugárzást egy alacsonyabb hőmérsékletű test elnyeli. A hőmérsékleti sugárzás arányos a forrástárgy negyedik hatványra emelt hőmérsékletével (T⁴), tehát ha megduplázzuk a hőmérsékletet, a sugárzó hőátadás 16-szorosára nő.

E skálázási tényező miatt 1500°C feletti hőmérsékleten a hőátadás teljesen másképp működik, mint ahogyan azt szobahőmérsékleten megszoktuk: a sugárzás dominál a hővezetéssel és a hőáramlással (konvekció) szemben.

Az Antora szerint az energia fény útján történő mozgatása sokkal egyszerűbb, olcsóbb és megbízhatóbb, mint az alternatívák, amelyek többnyire valamilyen ventillációs rendszert jelentenek.

A vállalat tárolói az izzásig hevített széntömbök által kibocsátott nagy energiájú fényt kétféleképpen is képesek hasznosítani.

Az egyik felhasználási mód során folyadékot vagy gázt tartalmazó csöveket melegítenek fel az adott ipari folyamat által megkövetelt hőfokra.

A másik lehetőség, hogy termofotovoltaikus paneleket világítanak meg, amelyek villamos energiát állítanak elő a hőmérsékleti sugárzásból.

A termofotovoltaikus cella hasonlóan működik, mint egy normál napelem, de arra hangolták, hogy az izzó tárgyak által kibocsátott nagy energiájú fotonokat alakítsa át villamos energiává. A legjobb TPV panelek hatásfoka már 40% felett jár – ami a duplája a hagyományos napelemek hatékonyságának –, ám ez nem jelenti azt, hogy a maradék közel 60 százaléknyi energia mind kárba vész. A mindössze néhány mikron vastagságú napelemek mögött ugyanis egy tükör található, amely visszaveri a TPV cellák által el nem nyelt fotonok nagy részét, amelyek így visszatérnek a forrásukhoz, és melegen tartják a grafittömböt.

De a TPV panelek alkalmazása nemcsak a hatékonyság miatt elegáns megoldás, hanem azért is, mert – más hőerőművekkel szemben – lényegében mozgó, kopó alkatrészek nélkül képesek áramot biztosítani, ami alacsonyabb üzemeltetési, illetve karbantartási költségeket jelent.

A „karbonakkumulátor” működési elve egyetlen mondatban összefoglalva: a napfényt bezárják egy nagy dobozba, hogy éjszaka is tudjanak fűteni és villamos energiát termelni a melegével.

Ez a két kitárolási mód, (hő és áram) teljesen függetlenül működik egymástól, így az erőmű üzemeltetői rugalmasan elégíthetik ki az igényeiket. Ezt úgy érik el, hogy különböző ajtók kinyitásával-becsukásával szabályozzák, mikor mennyi hősugárzás éri a csöveket és a termofotovoltaikus paneleket. Ez utóbbiak egyébként csak opcionális elemei a rendszernek, és el is hagyhatóak, ha a felhasználó nem igényli a villamos-energia előállítását.

A tároló napi energiavesztesége 1%, így akár több napos, több hetes időszakok áthidalására is alkalmas.

Az Antora tavaly átadott, megawattórás léptékű demonstrációs projektje.

Andrew Ponec elmondása szerint egy konténer méretű modul 1 megawatt hőmennyiséget képes biztosítani 50 órán keresztül, vagy 200 kilowatt villamos energiát 100 órán át. Ez 50, illetve 20 MWh-nak felel meg, ám ezeket a számokat érdemes fenntartásokkal kezelni, mivel az energiatárolási kapacitást a legmagasabb alkalmazható hőmérséklet határozza meg, amit pedig a hőszigetelés korlátoz. Minél nagyobb a hőfok, annál drágább hőszigetelésre lesz szükség, és mint Ponec egy podcastban elmondta,  2000 °C-nál húzták meg a határt, ami fölé már nem érdemes menni. Hogy ezen a hőmérsékleten mekkora a berendezés energiatárolási kapacitása, arról nem találtam adatot, de a cég egyik prezentációs anyagában egy 10 MWh-s kapacitással rendelkező konténer szerepelt. Csak összehasonlításként: egy Tesla Megapack 3,9 MWh-t képes eltárolni.

Az Antora első gyára Kaliforniában épül, ahol a tervek szerint jövőre kezdődhet meg az energiatároló egységek gyártása.

Ipari hőtárolás: egy pofonegyszerű megoldás a megújuló energia problémáira

dr. Papp László (Sol Invictus)

Technológiai elemző, és a Villanyautosok.hu csapatának megújuló energiákkal, energiatárolással, illetve piaci trendekkel foglalkozó szakértője. Célja, hogy minél többek számára tegye egyértelművé, hogy a fenntartható jövő gazdaságilag is a legracionálisabb választás.