Gli ingegneri del MIT hanno escogitato un progetto concettuale per un sistema per immagazzinare energia rinnovabile, come l'energia solare ed eolica, e restituire quell'energia in una rete elettrica su richiesta. Il sistema può essere progettato per alimentare una piccola città non solo quando il sole è alto o il vento è alto, ma tutto il giorno.

Il nuovo design immagazzina il calore generato dall'elettricità in eccesso dall'energia solare o eolica in grandi serbatoi di silicio fuso incandescente, e poi converte la luce dal metallo incandescente in elettricità quando è necessaria. I ricercatori stimano che un tale sistema sarebbe molto più conveniente delle batterie agli ioni di litio, che sono stati proposti come praticabili, sebbene costoso, metodo per immagazzinare energia rinnovabile. Stimano inoltre che il sistema costerebbe circa la metà dell'accumulo idroelettrico pompato, la forma più economica di accumulo di energia su scala fino ad oggi.

"Anche se volessimo far funzionare la rete con le rinnovabili in questo momento non potremmo, perché avresti bisogno di turbine a combustibili fossili per compensare il fatto che la fornitura rinnovabile non può essere distribuita su richiesta, "dice Asegun Henry, il Professore Associato per lo Sviluppo della Carriera di Robert N. Noyce nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica. "Stiamo sviluppando una nuova tecnologia che, in caso di successo, risolverebbe questo problema importantissimo e critico nel campo dell'energia e del cambiamento climatico, vale a dire, il problema dell'archiviazione".

Henry e i suoi colleghi hanno pubblicato oggi il loro progetto sulla rivista Scienze energetiche e ambientali .

Registra temperature

Il nuovo sistema di accumulo nasce da un progetto in cui i ricercatori hanno cercato modi per aumentare l'efficienza di una forma di energia rinnovabile nota come energia solare a concentrazione. A differenza degli impianti solari convenzionali che utilizzano pannelli solari per convertire la luce direttamente in elettricità, l'energia solare concentrata richiede vasti campi di enormi specchi che concentrano la luce solare su una torre centrale, dove la luce viene convertita in calore che alla fine viene trasformato in elettricità.

"La ragione per cui la tecnologia è interessante è, una volta fatto questo processo di focalizzazione della luce per ottenere calore, puoi accumulare calore molto più a buon mercato di quanto tu possa immagazzinare elettricità, "Henry annota.

Gli impianti solari a concentrazione immagazzinano il calore solare in grandi serbatoi pieni di sale fuso, che viene riscaldato ad alte temperature di circa 1, 000 gradi Fahrenheit. Quando è necessaria l'elettricità, il sale caldo viene pompato attraverso uno scambiatore di calore, che trasferisce il calore del sale in vapore. Una turbina trasforma poi quel vapore in elettricità.

"Questa tecnologia è in circolazione da un po', ma il pensiero è stato che il suo costo non sarà mai abbastanza basso da competere con il gas naturale, " dice Henry. "Quindi c'era una spinta a operare a temperature molto più alte, in modo da poter utilizzare un motore termico più efficiente e ridurre i costi."

Però, se gli operatori dovessero riscaldare il sale molto oltre le temperature attuali, il sale corroderebbe i serbatoi di acciaio inossidabile in cui è immagazzinato. Quindi il team di Henry ha cercato un mezzo diverso dal sale che potesse immagazzinare calore a temperature molto più elevate. Inizialmente proposero un metallo liquido e alla fine si stabilirono sul silicio, il metallo più abbondante sulla Terra, che può resistere a temperature incredibilmente elevate di oltre 4, 000 gradi Fahrenheit.

L'anno scorso, il team ha sviluppato una pompa in grado di resistere a un calore così rovente, e potrebbe plausibilmente pompare silicio liquido attraverso un sistema di stoccaggio rinnovabile. La pompa ha la più alta tolleranza al calore mai registrata, un'impresa che viene annotata nel "Guinness dei primati". Da quello sviluppo, il team ha progettato un sistema di accumulo di energia che potrebbe incorporare una pompa ad alta temperatura.

"Sole in una scatola"

Ora, i ricercatori hanno delineato il loro concetto per un nuovo sistema di accumulo di energia rinnovabile, che chiamano TEGS-MPV, per Energia Termica Stoccaggio Rete-Fotovoltaico Multigiunzione. Invece di utilizzare campi di specchi e una torre centrale per concentrare il calore, propongono di convertire l'elettricità generata da qualsiasi fonte rinnovabile, come la luce del sole o il vento, in energia termica, tramite riscaldamento joule:processo mediante il quale una corrente elettrica passa attraverso un elemento riscaldante.

Il sistema potrebbe essere abbinato a sistemi di energia rinnovabile esistenti, come le celle solari, per catturare l'elettricità in eccesso durante il giorno e conservarla per un uso successivo. Tener conto di, ad esempio, una piccola città dell'Arizona che riceve una parte della sua elettricità da un impianto solare.

"Dì che tutti stanno andando a casa dal lavoro, accendendo i condizionatori, e il sole sta tramontando, ma fa ancora caldo, " dice Henry. "A quel punto, il fotovoltaico non avrà molto rendimento, quindi dovresti aver immagazzinato un po' dell'energia della prima parte della giornata, come quando il sole era a mezzogiorno. L'elettricità in eccesso potrebbe essere indirizzata al sistema di accumulo che abbiamo inventato qui".

Il sistema consisterebbe in un grande, fortemente isolato, Serbatoio largo 10 metri realizzato in grafite e riempito con silicio liquido, mantenuto ad una temperatura "fredda" di quasi 3, 500 gradi Fahrenheit. Una banca di tubi, esposto a elementi riscaldanti, quindi collega questo serbatoio freddo a un secondo, serbatoio "caldo". Quando l'elettricità proveniente dalle celle solari della città entra nel sistema, questa energia viene convertita in calore negli elementi riscaldanti. Nel frattempo, il silicio liquido viene pompato fuori dal serbatoio freddo e si riscalda ulteriormente mentre passa attraverso il banco di tubi esposto agli elementi riscaldanti, e nel serbatoio caldo, dove l'energia termica è ora immagazzinata ad una temperatura molto più alta di circa 4, 300 F.

Quando è necessaria l'elettricità, dire, dopo che il sole è tramontato, il silicio liquido caldo, così caldo da diventare bianco incandescente, viene pompato attraverso una serie di tubi che emettono quella luce. Celle solari specializzate, noto come fotovoltaico multigiunzione, poi trasforma quella luce in elettricità, che può essere fornito alla rete cittadina. Il silicio ora raffreddato può essere pompato di nuovo nel serbatoio freddo fino al prossimo ciclo di stoccaggio, agendo efficacemente come una grande batteria ricaricabile.

"Uno dei nomi affettuosi che le persone hanno iniziato a chiamare il nostro concetto, c'è il sole in una scatola, ' che è stato coniato dal mio collega Shannon Yee alla Georgia Tech, "Dice Henry. "In pratica è una fonte di luce estremamente intensa che è tutta contenuta in una scatola che intrappola il calore".

Una chiave di archiviazione

Henry dice che il sistema richiederebbe serbatoi spessi e abbastanza forti da isolare il liquido fuso all'interno.

"La roba è incandescente bianca calda all'interno, ma quello che tocchi all'esterno dovrebbe essere a temperatura ambiente, " dice Enrico.

Ha proposto che i serbatoi siano fatti di grafite. Ma ci sono preoccupazioni che il silicio, a temperature così alte, reagirebbe con la grafite per produrre carburo di silicio, che potrebbe corrodere il serbatoio.

Per testare questa possibilità, il team ha fabbricato un serbatoio di grafite in miniatura e lo ha riempito di silicio liquido. Quando il liquido è stato mantenuto a 3, 600 F per circa 60 minuti, il carburo di silicio si è formato, ma invece di corrodere il serbatoio, ha creato un sottile, fodera protettiva.

"Si attacca alla grafite e forma uno strato protettivo, impedendo ulteriori reazioni, " dice Henry. "Così puoi costruire questo serbatoio di grafite e non verrà corroso dal silicio."

Il gruppo ha anche trovato un modo per aggirare un'altra sfida:poiché i serbatoi del sistema dovrebbero essere molto grandi, sarebbe impossibile costruirli da un unico pezzo di grafite. Se fossero invece costituiti da più pezzi, questi dovrebbero essere sigillati in modo tale da impedire la fuoriuscita del liquido fuso. Nella loro carta, i ricercatori hanno dimostrato di poter prevenire eventuali perdite avvitando pezzi di grafite insieme a bulloni in fibra di carbonio e sigillandoli con grafite flessibile che funge da sigillante per alte temperature.

I ricercatori stimano che un singolo sistema di stoccaggio potrebbe consentire a una piccola città di circa 100, 000 abitazioni da alimentare interamente con energia rinnovabile.

Henry sottolinea che il design del sistema è geograficamente illimitato, il che significa che può essere posizionato ovunque, indipendentemente dal paesaggio di un luogo. Questo è in contrasto con l'idroelettrico pompato, attualmente la forma più economica di accumulo di energia, che richiede luoghi in grado di ospitare grandi cascate e dighe, per immagazzinare energia dall'acqua che cade.

"Questo è geograficamente illimitato, ed è più economico dell'idropulitrice, che è molto eccitante, " dice Henry. "In teoria, questo è il fulcro per consentire alle energie rinnovabili di alimentare l'intera rete".