Re-Thinking Συγκεντρώνοντας ηλιακή ενέργεια με αποθήκευση θερμικής ενέργειας

Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά (PV) αυξάνονται με εκθετικό ρυθμό, υπερδιπλασιάζοντας τα τελευταία 3 χρόνια για να φτάσουν τα 300 GW δυναμικότητας παραγωγής ενέργειας [1]. Αυτό οφείλεται στη μείωση του κόστους, καθιστώντας την ηλιακή ενέργεια στον τελευταίο όροφο πιο ελκυστική για τους ιδιοκτήτες κατοικιών και καθιστώντας τις εγκαταστάσεις σε κλίμακα κοινής χρήσης ανταγωνιστικές έναντι των συμβατικών σταθμών παραγωγής ενέργειας ορυκτών καυσίμων.

Από την άλλη πλευρά, η συγκεντρωτική ηλιακή ενέργεια (CSP) γνώρισε μικρότερη ανάπτυξη. Σε παγκόσμιο επίπεδο, μόλις 1,5 GW νέας ισχύος CSP τέθηκε σε λειτουργία από το 2015-2017. Οι Ηνωμένες Πολιτείες δεν έχουν εγκαταστήσει καμία νέα χωρητικότητα CSP από τον Σεπτέμβριο του 2015 [2].

Τα συμβατικά σχέδια CSP χρησιμοποιούν μεγάλα μεγέθη εγκαταστάσεων, με μεγάλες ποσότητες αποθήκευσης θερμικής ενέργειας, για να αξιοποιήσουν οικονομίες κλίμακας και να αυξήσουν τον συντελεστή χωρητικότητας. Αυτό έχει νόημα ως στρατηγική για την ελαχιστοποίηση του κόστους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε βάση ανά kWh, αλλά δεν λαμβάνει υπόψη την αξία της ηλεκτρικής ενέργειας που παρέχεται από το εργοστάσιο ή την κερδοφορία του εργοστασίου που προκύπτει. Επιπλέον, τα μεγάλα μεγέθη εγκαταστάσεων απαιτούν τεράστιες επενδύσεις κεφαλαίου (>$1 δις). Αυτό περιορίζει το συμβατικό CSP μόνο σε αγορές κλίμακας χρησιμότητας που αυξάνει τον οικονομικό κίνδυνο και δεν επιτρέπει στο CSP να προοδεύει μαθαίνοντας μέσω της επανάληψης (όπως έχει κάνει το PV).

Επομένως, εάν το CSP υστερεί τώρα, τι μπορεί να γίνει με το CSP στο μέλλον;

Το κύριο όφελος του CSP είναι ότι με την αποθήκευση θερμικής ενέργειας χαμηλού κόστους, μπορεί να παρέχει υψηλής αξίας ηλεκτρική ενέργεια και ανταγωνίζονται μπαταρίες για παραγωγή ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όταν ο ήλιος δεν είναι λάμπει (το κόστος αποθήκευσης θερμικής ενέργειας είναι κοντά στα 20 $/kWh, ενώ οι μπαταρίες είναι απίθανο να πέσει κάτω από 150 $/kWh [3-5]). Αυτό είναι σίγουρα σημαντικό για τις επιχειρήσεις κοινής ωφελείας που ασχολούνται με την αξιοπιστία του δικτύου καθώς μεγαλώνει τα Φ/Β (έχετε ακούσει για την «Καμπύλη πάπιας»; [6]), αλλά θα μπορούσε επίσης να παρέχει μια πιο αξιόπιστη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας για μικροδίκτυα ή άλλες εφαρμογές με μικρότερες απαιτήσεις ηλεκτρικής ενέργειας.

Νέα εργασία από το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (NREL) και τη Σχολή Ορυχείων του Κολοράντο (CSM) προτείνει ένα νέο είδος προσέγγισης που διαφέρει ριζικά από τα συμβατικά σχέδια CSP. Η ιδέα τους είναι να μειώσουν το τυπικό μέγεθος της μονάδας CSP κατά 1000 φορές – από 100 MW_e έως 100 kW_e – και χρησιμοποιήστε φθηνά υλικά και μηχανισμούς παθητικής μεταφοράς θερμότητας για να μειώσετε το κόστος. Σε αυτή τη μικρή κλίμακα, έχουν σχεδιάσει έναν πύργο ηλιακής ενέργειας με ολόκληρο το σύστημα, συμπεριλαμβανομένης της αποθήκευσης θερμικής ενέργειας και ενός μπλοκ ισχύος, που συγκρατείται στην κορυφή του πύργου.

Αυτό το σύστημα, που ονομάζεται "STEALS", αποθηκεύει θερμική ενέργεια μέσω της λανθάνουσας θερμότητας του ανακυκλωμένου αλουμινίου, η οποία μπορεί να κοστίσει λιγότερο από 2 $/kg (~12 $/kWh). Χρησιμοποιεί επίσης μια νέα μέθοδο ελέγχου ροής θερμότητας, έναν θερμοσύφωνα με βαλβίδες, ο οποίος μπορεί να ενεργοποιήσει και να απενεργοποιήσει τη μεταφορά θερμότητας ανοίγοντας ή κλείνοντας απλώς μια βαλβίδα για να τροποποιήσει τη ροή του ρευστού μεταφοράς θερμότητας. Για να ολοκληρώσει το σύστημα, το STEALS χρησιμοποιεί έναν κινητήρα Stirling για να μετατρέψει τη θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια, σε σχετικά υψηλή απόδοση, δεδομένης της μικρής του κλίμακας.

Στη νέα τους εργασία, η ομάδα NREL-CSM προβλέπει ότι το STELS θα έχει ετήσια απόδοση 24%. Αυτό περιλαμβάνει υψηλότερη από τη συνηθισμένη οπτική απόδοση πεδίου ηλιοστάτη λόγω του μικρού μεγέθους του (71% σε ετήσια βάση), αλλά χαμηλότερη απόδοση μετατροπής μπλοκ ισχύος (30%) επειδή ένας κινητήρας Stirling μικρής κλίμακας έχει χαμηλότερη απόδοση από τους μεγάλους κύκλους Rankine.

Η ανάλυση κόστους που παρουσιάζεται σε αυτό το έγγραφο δείχνει επίσης ότι το STEALS έχει τη δυνατότητα να ανταγωνιστεί τόσο τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (φωτοβολταϊκά με μπαταρίες) όσο και τις μη ανανεώσιμες (σταθμοί στροβίλων καύσης φυσικού αερίου) για την παραγωγή ενέργειας αιχμής. Το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας από το STEALS είναι σχεδόν ανεξάρτητο από το μέγεθος, πράγμα που σημαίνει ότι θα μπορούσε εύκολα να σχεδιαστεί για συγκεκριμένες εφαρμογές με ποικίλες απαιτήσεις ισχύος. Με την προσθήκη του STEAL στο μείγμα παραγωγής, η τεχνολογία θα μπορούσε να βοηθήσει στη βαθύτερη διείσδυση της ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές από αιολικά και φωτοβολταϊκά και θα μπορούσε να επιταχύνει την πρόοδο στην επιδίωξη ενός 100% ανανεώσιμου δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Modular concentrated solar power with latent heat storage, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Applied Energy . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Jonathan Rea, Christopher Oshman, Corey Hardin και Eric Toberer από το Colorado School of Mines, μαζί με τους Michele Olsen, Greg Glatzmaier, Philip Parilla και David Ginley από το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και Nathan Siegel από το Bucknell. Πανεπιστήμιο.

Αναφορές:

1. ΙΡΕΝΑ. Στατιστικά στοιχεία δυναμικότητας ανανεώσιμων πηγών ενέργειας 2017. Διεθνής Οργανισμός Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (IRENA), 2017.
2. Lilliestam J, Labordena M, Patt, A,  Pfenninger S. Παρατήρησαν εμπειρικά τα ποσοστά μάθησης για τη συγκέντρωση της ηλιακής ενέργειας και τις αντιδράσεις τους στην αλλαγή καθεστώτος. Nature Energy 2017; 2:17094.
3. Mehos M, Turchi C, Jorgenson J, Denholm P, Ho C, Armijo K. On the Path to SunShot:Advancing Concentrating Solar Power Technology, Performance, and Dispatchability. NREL/TP-5500-65688, 2016.
4. Schmidt O, Hawkes A, Gambhir A, Staffell I. Το μελλοντικό κόστος αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας με βάση τα ποσοστά εμπειρίας. Nature Energy 2017; 2:17110. https://www.nature.com/articles/nenergy2017110?error=cookies_not_supported&code=4624cecb-7237-4d20-baf6-109bd806d15d.
5. Wood III DL, Li J, Daniel C. Προοπτικές για τη μείωση του κόστους επεξεργασίας των μπαταριών ιόντων λιθίου. Journal of Power Sources 2015;275:234-242. https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S037877531401845X.
6. Denholm P, O'Connell M, Brinkman G, Jorgenson J. Overgeneration from Solar Energy in California:A Field Guide to the Duck Chart. NREL/TP-6A20-65023, 2015.