Thermische batterijen die zonne- en windenergie opslaan

Thermische batterijen zijn weer een andere manier om een teveel aan zonne- en windenergie op te slaan. Volgens de wetten van de fysica gaan ze gepaard met flinke energieverliezen. Maar aan de andere kant zouden ze erg goedkoop en flexibel kunnen zijn.

thermische batterijen
Hoe kunnen we een overschot aan windenergie opslaan? Te Apti Windfarm. Foto Geoff McKay, Wikimedia Commons.

Opslag, een sleutel-technologie

Op deze site hebben we al een aantal keren de vraag behandeld hoe we een teveel aan zonne- en windenergie moeten opslaan; zodat we deze kunnen gebruiken wanneer het aanbod laag is. Een artikel in science vestigde onze aandacht op een onwaarschijnlijke optie: thermische batterijen die duurzame energie opslaan. Niet iets waaraan je direct zou denken. Want hoewel we elektriciteit vrijwel zonder energieverlies kunnen omzetten in warmte, geeft de omzetting in de tegenovergestelde richting toch problemen.

We kunnen daarvoor de Carnotcyclus gebruiken, zoals in fossiele en kerncentrales. Met een rendement van zo’n 40%, iets meer als we een gasturbine voorschakelen bij de gebruikelijke omzetting. Maar een aantal onderzoekers heeft nu een oud idee nieuw leven ingeblazen. Ze zetten het teveel aan elektriciteit om in warmte; deze slaan zij op en gebruiken dan de straling die door hete voorwerpen wordt uitgestraald, met behulp van een soort foto-elektrische cel. Ze sturen de opgeslagen warmte door een wolfraam draad; deze begint te gloeien als een gloeidraad in een gloeilamp. En die straling wordt omgezet in elektriciteit.

thermische batterijen
Hoe kunnen we een overschot aan zonne-energie opslaan? Foto Ismoon, Wikimedia Commons.

De opkomst van thermische batterijen

En zo breiden we ons arsenaal van energieopslagtechnieken opnieuw uit. Ook deze optie heeft zijn sterke en zwakke punten. The thermische batterijen of thermofotovoltaïsche apparaten (TPV’s) zoals ze worden genoemd, kunnen energie langer opslaan dan batterijen. Hun rendement zal altijd matig zijn, zoals gezegd. Maar misschien is dit geen probleem als de apparatuur heel goedkoop is.

Toen TPV’s in de zestiger jaren werden uitgevonden, konden ze een paar procent van de warmte-energie omzetten in elektriciteit. Dat rendement sprong naar 30% in 1980; maar tot voor kort bleef het daarbij. Want hete voorwerpen stralen over een breed spectrum fotonen uit, van ultraviolet tot infrarood. Maar alle fotovoltaïsche apparaten kunnen alleen in een smal gebied fotonen absorberen. Licht met hogere en lagere frequenties wordt dan niet benut.

Beter rendement

Maar kort geleden heeft een team van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en het National Renewable Energy Laboratory in de Vs een rendement gehaald van ongeveer 40% met een verbeterd apparaat. Het nieuwe apparaat heeft zowel een andere straler als een andere ontvanger. Vroeger waren stralende objecten ongeveer 1400oC heet. Daardoor zonden ze het meeste licht uit in de golflengten waarvoor de ontvangers het meest gevoelig waren. Het nieuwe apparaat is 1000oC warmer; wolfraam zendt dan meer fotonen uit met een hogere energie, waardoor de energie-omzetting in principe beter wordt. Maar daarvoor moest ook de TPV worden vernieuwd.

Daartoe legden de onderzoekers meer dan twintig lagen van verschillende halfgeleiders over elkaar heen, waarmee ze twee aparte cellen maakten. De topcel absorbeert zichtbare en ultraviolette fotonen, de bodemcel infrarode fotonen. Een dunne goudlaag onder de bodemcel stuurt de laag-energetische fotonen die de TPV niet heeft opgevangen, terug. Het wolfraam vangt die energie weer op, hij gaat daardoor niet verloren. De onderzoekers schrijven in een stuk in Nature dat hun TPV meer dan 40% van de uitgestraalde energie omzet in elektriciteit. En volgens hen kan het nog beter. Met een spiegel die bijna 99% van de ongebruikte infrarode fotonen terugstuurt naar de warmtebron. Ze denken dat ze 50% rendement kunnen halen.

Veel belangstelling voor thermische batterijen

De TPV’s zijn gemaakt van III-V halfgeleiders, duurder dan het silicium gebruikt in zonnepanelen op het dak. Maar de andere delen van de batterijen, waaronder grafiet, zijn goedkoop. Het team maakte ook keramische pompen die vloeibare metalen van zeer hoge temperatuur kunnen verplaatsen in een warmte-opslag op industriële schaal.

Er is veel belangstelling van het bedrijfsleven voor deze technologie. Onderzoekers denken dat we hiermee elektriciteit kunnen opslaan voor minder dan $10 per kWh capaciteit, minder dan een tiende van de kosten van netgekoppelde lithium-ion batterijen. Bovendien zijn thermische batterijen modulair. Ze hoeven niet te werken op een enorme schaal. Ze kunnen ook een dorp van elektriciteit voorzien. Daardoor zijn thermische batterijen ongewoon flexibel. Wordt vervolgd, daarom.

Interessant? Lees dan ook:
Systeemveranderingen die duurzame energie gaan helpen
Systeemkosten van duurzame energie – het niet-vertelde verhaal
Batterijtechnologie ontwikkelt zich snel

(Visited 8 times, 1 visits today)

Plaats een reactie