Os engenheiros do MIT criaram um projeto conceitual para um sistema de armazenamento de energia renovável, como energia solar e eólica, e entregar essa energia de volta em uma rede elétrica sob demanda. O sistema pode ser projetado para fornecer energia a uma pequena cidade não apenas quando o sol está alto ou o vento está forte, mas o tempo todo.

O novo design armazena o calor gerado pelo excesso de eletricidade da energia solar ou eólica em grandes tanques de silício fundido incandescente, e então converte a luz do metal brilhante de volta em eletricidade quando necessário. Os pesquisadores estimam que tal sistema seria muito mais acessível do que baterias de íon-lítio, que foram propostas como viáveis, embora caro, método para armazenar energia renovável. Eles também estimam que o sistema custaria cerca da metade do que o armazenamento hidrelétrico bombeado - a forma mais barata de armazenamento de energia em escala de rede até hoje.

"Mesmo se quiséssemos operar a rede de energias renováveis ​​agora, não poderíamos, porque você precisaria de turbinas movidas a combustível fóssil para compensar o fato de que o fornecimento renovável não pode ser despachado sob demanda, "diz Asegun Henry, Robert N. Noyce Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira no Departamento de Engenharia Mecânica. "Estamos desenvolvendo uma nova tecnologia que, se bem sucedido, resolveria este problema mais importante e crítico em energia e mudanças climáticas, nomeadamente, o problema de armazenamento. "

Henry e seus colegas publicaram seu projeto hoje na revista Energia e Ciência Ambiental .

Temps recordes

O novo sistema de armazenamento é fruto de um projeto em que os pesquisadores buscavam formas de aumentar a eficiência de uma forma de energia renovável conhecida como energia solar concentrada. Ao contrário das usinas solares convencionais que usam painéis solares para converter a luz diretamente em eletricidade, a energia solar concentrada requer vastos campos de grandes espelhos que concentram a luz do sol em uma torre central, onde a luz é convertida em calor que é eventualmente transformado em eletricidade.

"A razão pela qual a tecnologia é interessante é, depois de fazer esse processo de focalizar a luz para obter calor, você pode armazenar calor muito mais barato do que armazenar eletricidade, "Henry observa.

Plantas solares concentradas armazenam calor solar em grandes tanques cheios de sal fundido, que é aquecido a altas temperaturas de cerca de 1, 000 graus Fahrenheit. Quando a eletricidade é necessária, o sal quente é bombeado através de um trocador de calor, que transforma o calor do sal em vapor. Uma turbina então transforma esse vapor em eletricidade.

"Esta tecnologia já existe há algum tempo, mas o pensamento é que seu custo nunca ficará baixo o suficiente para competir com o gás natural, "Henry diz." Então, houve um impulso para operar em temperaturas muito mais altas, para que você pudesse usar um motor térmico mais eficiente e reduzir os custos. "

Contudo, se os operadores aquecessem o sal muito além das temperaturas atuais, o sal corroeria os tanques de aço inoxidável em que é armazenado. Portanto, a equipe de Henry procurou um meio diferente do sal que pudesse armazenar calor em temperaturas muito mais altas. Eles inicialmente propuseram um metal líquido e eventualmente se estabeleceram no silício, o metal mais abundante na Terra, que pode suportar temperaturas incrivelmente altas de mais de 4, 000 graus Fahrenheit.

Ano passado, a equipe desenvolveu uma bomba que poderia suportar esse calor escaldante, e poderia, concebivelmente, bombear silício líquido por meio de um sistema de armazenamento renovável. A bomba tem a maior tolerância ao calor já registrada - uma façanha observada em "The Guiness Book of World Records". Desde aquele desenvolvimento, a equipe está projetando um sistema de armazenamento de energia que poderia incorporar uma bomba de alta temperatura.

"Sol em uma caixa"

Agora, os pesquisadores delinearam seu conceito para um novo sistema de armazenamento de energia renovável, que eles chamam de TEGS-MPV, para Fotovoltaicos de Multi-Junção de Rede de Energia Térmica. Em vez de usar campos de espelhos e uma torre central para concentrar o calor, eles propõem converter eletricidade gerada por qualquer fonte renovável, como a luz do sol ou vento, em energia térmica, via aquecimento por joule - um processo pelo qual uma corrente elétrica passa por um elemento de aquecimento.

O sistema pode ser emparelhado com os sistemas de energia renovável existentes, como células solares, para capturar o excesso de eletricidade durante o dia e armazená-lo para uso posterior. Considerar, por exemplo, uma pequena cidade no Arizona que obtém parte de sua eletricidade de uma usina solar.

"Digamos que todo mundo está voltando do trabalho para casa, ligando seus condicionadores de ar, e o sol está se pondo, mas ainda esta quente, "Henry diz." Nesse ponto, os fotovoltaicos não vão ter muita saída, então você teria que ter armazenado um pouco da energia do início do dia, como quando o sol estava ao meio-dia. Esse excesso de eletricidade pode ser encaminhado para o sistema de armazenamento que inventamos aqui. "

O sistema consistiria em um grande, fortemente isolado, Tanque de 10 metros de largura feito de grafite e preenchido com silício líquido, mantido a uma temperatura "fria" de quase 3, 500 graus Fahrenheit. Um banco de tubos, exposto a elementos de aquecimento, em seguida, conecta este tanque frio a um segundo, tanque "quente". Quando a eletricidade das células solares da cidade entra no sistema, esta energia é convertida em calor nos elementos de aquecimento. Enquanto isso, o silício líquido é bombeado para fora do tanque frio e aquece ainda mais à medida que passa pelo banco de tubos exposto aos elementos de aquecimento, e no tanque quente, onde a energia térmica agora é armazenada a uma temperatura muito mais alta de cerca de 4, 300 F.

Quando a eletricidade é necessária, dizer, depois que o sol se põe, o silício líquido quente - tão quente que tem um brilho branco - é bombeado por uma série de tubos que emitem essa luz. Células solares especializadas, conhecido como fotovoltaico multifuncional, então transforme essa luz em eletricidade, que pode ser fornecido à rede da cidade. O silício agora resfriado pode ser bombeado de volta para o tanque frio até a próxima rodada de armazenamento - agindo efetivamente como uma grande bateria recarregável.

"Um dos nomes afetuosos que as pessoas começaram a chamar nosso conceito, é 'sol em uma caixa, 'que foi cunhado por meu colega Shannon Yee da Georgia Tech, "Henry diz." É basicamente uma fonte de luz extremamente intensa que está contida em uma caixa que retém o calor.

Uma chave de armazenamento

Henry diz que o sistema exigiria tanques grossos e fortes o suficiente para isolar o líquido derretido dentro deles.

"A coisa está brilhando muito quente por dentro, mas o que você toca do lado de fora deve estar em temperatura ambiente, "Henry diz.

Ele propôs que os tanques sejam feitos de grafite. Mas há preocupações de que o silício, em tais altas temperaturas, reagiria com o grafite para produzir carboneto de silício, o que pode corroer o tanque.

Para testar essa possibilidade, a equipe fabricou um tanque de grafite em miniatura e o encheu com silício líquido. Quando o líquido foi mantido em 3, 600 F por cerca de 60 minutos, carboneto de silício se formou, mas em vez de corroer o tanque, criou um fino, forro de proteção.

“Ele adere ao grafite e forma uma camada protetora, prevenindo reações futuras, "Henry diz." Então você pode construir este tanque de grafite e ele não será corroído pelo silício. "

O grupo também encontrou uma maneira de contornar outro desafio:como os tanques do sistema teriam que ser muito grandes, seria impossível construí-los com uma única peça de grafite. Se eles fossem feitos de várias peças, estes teriam que ser selados de forma a evitar que o líquido derretido vazasse. Em seu jornal, os pesquisadores demonstraram que poderiam evitar qualquer vazamento aparafusando pedaços de grafite com parafusos de fibra de carbono e selando-os com grafoil - grafite flexível que age como um selante de alta temperatura.

Os pesquisadores estimam que um único sistema de armazenamento pode permitir uma pequena cidade de cerca de 100, 000 casas totalmente alimentadas por energia renovável.

Henry enfatiza que o design do sistema é geograficamente ilimitado, o que significa que pode ser localizado em qualquer lugar, independentemente da paisagem de um local. Isso contrasta com a hidrelétrica bombeada - atualmente a forma mais barata de armazenamento de energia, que requer locais que possam acomodar grandes cachoeiras e represas, a fim de armazenar energia da queda d'água.

"Isso é geograficamente ilimitado, e é mais barato do que a energia hidráulica bombeada, o que é muito emocionante, "Henry diz." Em teoria, este é o elemento fundamental para permitir que a energia renovável forneça energia a toda a rede. "