Społeczeństwa na całym świecie nadal się elektryfikują. Przewiduje się, że zapotrzebowanie na akumulatory do przechowywania energii będzie ogromne. Do 2030 r. osiągnie ono około 2 do 10 terawatogodzin [TWh] pojemności rocznej produkcji akumulatorów – z mniej niż 0,5 TWh obecnie (USA).
Ponieważ bateria litowo-jonowa jest dominującą technologią przechowywania energii elektrycznej i tak pozostanie w najbliższej przyszłości, kluczowym problemem jest ograniczona dostępność surowców, w tym litu, kobaltu i niklu – niezbędnych składników dzisiejszej baterii litowej. Chociaż Berkeley Lab aktywnie pracuje nad rozwiązaniem tego ograniczenia, potrzebne są również alternatywne formy magazynowania energii.
– Baterie litowe znajdują się teraz pod ogromną presją ze względu na zakłócone dostawy surowców – powiedział Ravi Prasher, Associate Lab Director w Berkeley Lab ds. technologii energetycznych. – Wierzymy, że magazynowanie energii cieplnej może być realną, zrównoważoną i opłacalną alternatywą dla innych form magazynowania energii.
Magazynowanie energii cieplnej można wdrażać na różną skalę, w tym w budynkach takich jak dom, biuro fabryka, lub na poziomie dystryktu lub regionu. Podczas gdy najbardziej powszechna forma magazynowania energii cieplnej wykorzystuje duże zbiorniki gorącej lub zimnej wody, istnieją inne sposoby tzw. jawnego magazynowania ciepła. Należy do nich wykorzystanie piasku lub skał do przechowywania energii cieplnej. Podejścia te wymagają jednak dużej przestrzeni, co ogranicza ich przydatność wykorzystania w zasobach mieszkaniowych.
Aby obejść to ograniczenie, naukowcy opracowali zaawansowane technologicznie materiały zmiennofazowe do przechowywania energii cieplnej. Takie materiały w przemianie fazowej pochłaniają i uwalniają energię podczas przechodzenia między fazami, np. z fazy ciekłej w stałą i z powrotem.
Materiały zmiennofazowe mają wiele potencjalnych zastosowań. Potrafią regulować temperaturę baterii, dzięki czemu zapobiegają jej nadmiernemu nagrzewaniu się lub schładzaniu. Ponadto umożliwiają odzieży wykonanej z zaawansowanych technologicznie materiałów automatyczne dostarczanie ciepła lub chłodu, zapewniając w ten sposób komfort termiczny użytkownikowi. Zastosowane do suchego chłodzenia w elektrowni, mogą znacząco przyczynić się do zmniejszenia zużycia wody.
W budynkach i obiektach kubaturowych można do ścian dodawać materiały zmiennofazowe, które działają jak bateria termiczna budynku. Gdy temperatura otoczenia wzrośnie powyżej temperatury topnienia materiału, zmienia on fazę (stan skupienia) i pochłania ciepło, ochładzając w ten sposób budynek. I odwrotnie, gdy temperatura spada poniżej temperatury topnienia, materiał zmienia fazę i uwalnia ciepło.
Głównym problemem związanym z materiałami o przemianie fazowej jest to, że zazwyczaj działają one tylko w jednym zakresie temperatur. Oznacza to, że na lato i zimę potrzebne byłyby dwa różne materiały, co znacząco zwiększałoby koszty zastosowania takiego rozwiązania. Berkeley Lab postanowiło rozwiązać ten problem poprzez opracowanie dynamicznej przestrajalności fazowej temperatury przejścia.
– Ta nowa technologia jest naprawdę wyjątkowa, ponieważ łączy energię cieplną i elektryczną w jednym urządzeniu – powiedział Gao Liu, współautor badania, lider grupy Applied Energy Materials.– Działa jak bateria termiczna i elektryczna. Co więcej, ta zdolność zwiększa potencjał magazynowania ciepła dzięki możliwości dostosowania temperatury topnienia materiału w zależności od różnych temperatur otoczenia. To znacznie zwiększy wykorzystanie materiałów przemiany fazowej – dodał Liu.
W budownictwie wielkoskalowym ta połączona zdolność magazynowania energii cieplnej
i elektrycznej pozwoliłaby materiałowi na przechowywanie nadmiaru energii elektrycznej wytworzonej przez lokalne działania słońca lub wiatru, aby zaspokoić potrzeby zarówno cieplne (ogrzewanie i chłodzenie), jak i elektryczne.
– Jeśli myślisz o tym, w jakiej postaci najwięcej energii zużywa się na całym świecie, powszechnie panującym przekonaniem jest energia elektryczna. W rzeczywistości najwięcej energii zużywa się głównie w postaci ciepła – powiedział Noel Bakhtian, dyrektor wykonawczy Centrum Magazynowania Energii w Berkeley Lab. – Jeśli chcesz zdekarbonizować świat, musisz zdekarbonizować budynki i przemysł. Oznacza to, że musisz zdekarbonizować ciepło. Magazynowanie energii cieplnej może odegrać kluczową rolę.
O LBNL
Założone w 1931 roku w przekonaniu, że największe naukowe wyzwania są najlepiej rozwiązywane przez zespoły, Lawrence Berkeley National Laboratory i jego naukowcy zostali uhonorowani 14 Nagrodami Nobla.
Źródło: newscenter.lbl.gov
Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
