Piaskowy magazyn ciepła dla prosumenta? Nowe rozwiązanie z Indii
Indyjscy naukowcy opracowali system podgrzewania wody, który wykorzystuje energię elektryczną z fotowoltaiki do nagrzewania piasku i magazynowania ciepła. Rozwiązanie ma się wyróżniać niskim kosztem, wysoką sprawnością i możliwością działania nawet przy ograniczonym nasłonecznieniu.
Naukowcy z Narodowego Instytutu Technologii (NIT) Kurukshetra oraz Narodowego Instytutu Energii Słonecznej (NISE) w Gurugram w Indiach, opracowali eksperymentalny system podgrzewania wody użytkowej, który wykorzystuje piasek jako medium magazynujące ciepło.
Integracja z PV i wysoka wydajność
Prototyp systemu opracowanego w Indiach, nazwany Fine Sand Solar Geyser (FSG), integruje się z instalacją fotowoltaiczną (PV) i stanowi ekonomiczne, przyjazne środowisku rozwiązanie mogące znaleźć zastosowanie między innymi w gospodarstwach domowych. W konstrukcji zastosowano pręt grzejny z drutu nichromowego (NHR), zasilany energią elektryczną z trzech paneli fotowoltaicznych o mocy 300 W każdy. Pręt przekształca energię elektryczną w ciepło, które magazynowane jest w 120 kg drobnoziarnistego piasku. Ten z kolei przekazuje ciepło do wody dzięki okrągłemu wymiennikowi ciepła z aluminiowymi żebrami.
Podczas testów systemu temperatura piasku wzrosła z 25,2 st. C do 164,2 st. C pierwszego dnia i z 94,7 st. C do 211,9 st. C drugiego dnia. W tym czasie system zmagazynował odpowiednio 14,39 MJ i 13,02 MJ ciepła, osiągając imponującą sprawność ładowania rzędu 97,41 i 90,76 proc.
W fazie rozładowania zimna woda przepływała przez wymiennik ciepła z prędkością 0,67 litra na minutę, odbierając energię z nagrzanego piasku. Temperatura piasku spadła z 150,2 st. C do 74,6 st. C (dzień 1) oraz z 168,5 st. C do 79,7 st. C (dzień 2). System dostarczył 140 litrów i 152 litry gorącej wody, z średnim wzrostem temperatury wody o 11,7 st. C i 13,75 st. C. Wydajność rozładowania wyniosła około 90 proc. w obu dniach testowych.
Jak z opłacalnością?
Z techniczno-ekonomicznej analizy grupy badaczy wynika, że FSG jest ekonomicznie opłacalny dla zastosowań domowych. Koszt początkowy systemu to 278 dolarów (około 1040 zł), a jego przewidywana żywotność wynosi aż 25 lat. FSG, jak wyliczają naukowcy, oferuje koszt energii na poziomie zaledwie 0,0233 dolarów/kWh (około 0,087 zł/kWh), a szacowany czas zwrotu inwestycji to 4,5 roku.
Jak podkreśla współautor projektu, Dinesh Kumar Saini, system „oferuje zrównoważone, przyjazne dla środowiska i opłacalne rozwiązanie do podgrzewania wody poprzez magazynowanie energii cieplnej w drobnym piasku, przezwyciężając niestabilność promieniowania słonecznego”.
Wyniki swoich dotychczasowych badań, grupa naukowców przedstawiła w artykule pt.: “Thermal performance analysis of a fine sand solar geyser integrated with photovoltaic technology” opublikowanym w czasopiśmie Energy Source.
Piasek zyskuje popularność
Zastosowanie piasku jako magazynu energii cieplnej pozwala na ciągłe korzystanie z ciepłej wody, również w godzinach wieczornych lub przy ograniczonym nasłonecznieniu. Dzięki prostocie konstrukcji, niskim kosztom eksploatacyjnym i dużej dostępności materiałów (piasku i paneli PV), system może być interesującą alternatywą dla klasycznych bojlerów słonecznych i elektrycznych, nie tylko w rejonach o wysokim nasłonecznieniu.
Fiński startup Polar Night Energy od 2022 r. rozwija technologię Sand Battery, która umożliwia długoterminowe przechowywanie energii odnawialnej w postaci ciepła. Ich pierwszy komercyjny projekt o mocy 100 kW i pojemności 8 MWh został uruchomiony w Kankaanpää, dostarczając ciepło do lokalnej sieci ciepłowniczej . W 2024 r. firma rozpoczęła budowę większego systemu o mocy 1 MW i pojemności 100 MWh w miejscowości Pornainen, wykorzystując jako medium magazynujące 2000 ton zmielonego steatytu, produktu ubocznego z produkcji kominków. Szerzej na ten temat pisaliśmy w artykule: Długoterminowe magazynowanie nadwyżek energii. Finowie znaleźli rozwiązanie.
Piaskowy magazyn w systemie Power-to-Heat-to-Power
Najnowszy projekt, realizowany we współpracy z Valkeakosken Energia, zakłada stworzenie pilotażowego systemu zdolnego nie tylko do magazynowania ciepła, ale także do konwersji zgromadzonej energii cieplnej z powrotem na elektryczność (Power-to-Heat-to-Power).
Budowa tej instalacji ma rozpocząć się jesienią 2025 r. Autorzy projektu chcą osiągnąć efektywność elektryczną na poziomie 30–35%, co czyni go pionierskim krokiem w dążeniu do opracowania efektywnych i elastycznych systemów magazynowania energii odnawialnej.
Radosław Błoński
redakcja@gramwzielone.pl
© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy Gramwzielone.pl Sp. z o.o.
Kolektory próżniowe takich wyników nie osiągają bo mogą nagrzewać wodny magazyn do max 90 stopni C. PV z grzałkami nawet w pochmurne dni radzi sobie dużo lepiej.
P.S. poza tym piasek można grzać bezkarnie do wysokich temperatur i tu ten patent zyskuje największą przewagę.
Studentom z Koła Naukowego Grzała na AGH udało się osiągnąć 310 st. C w takim magazynie i to było już ze dwa lata temu…
Z mielony steatyt który używają Finowie jest rakotwórczy jest podobny do azbestu.
Do krótkoterminowego magazynowania piasek może się nadawać. Do magazynowania w dłuższych okresach (tygodnie, miesiące) woda jest lepszym medium bo energia gromadzona jest przy niższych temperaturach, więc przy danej izolacji będzie mieć mniejsze straty. Pojemność cieplna wody jest 3x większa od piasku czyli piasek przy 270°C zgromadzi tyle energii co woda przy 90°C. Zaletą piasku jest to, że nie wycieknie więc zbiornik może mieć mniejsze wymagania.