Πώς αποθηκεύετε ενέργεια από ΑΠΕ όταν ο ήλιος δεν λάμπει και δε φυσάει άνεμος; Αυτό είναι ένα από τα πιο ενοχλητικά ερωτήματα που εμποδίζουν ένα πράσινο ηλεκτρικό δίκτυο να αναπτύξει την πλήρη δυναμική του. Οι μεγάλες συστοιχίες μπαταριών είναι μια απάντηση. Αλλά είναι ακριβές και ιδανικές για να αποθηκεύουν ενέργεια για λίγες ώρες, όχι για μέρες με συννεφιά ή νηνεμία.
Μια άλλη στρατηγική είναι να χρησιμοποιήσετε την πλεονάζουσα ενέργεια για να θερμάνετε μια μεγάλη μάζα υλικού σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και μετά να αξιοποιήσετε την ενέργεια όπως χρειάζεται. Ερευνητές αναφέρουν μια σημαντική βελτίωση σε ένα βασικό μέρος αυτού του σχεδίου: μια συσκευή που μετατρέπει την αποθηκευμένη θερμότητα ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια.
Μια ομάδα από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) και το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας πέτυχε σχεδόν 30% άλμα στην απόδοση ενός θερμοφωτοβολταϊκού (TPV), μιας δομής ημιαγωγών που μετατρέπει τα φωτόνια που εκπέμπονται από μια πηγή θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια, όπως η ηλιακή κυψέλη μετατρέπει το ηλιακό φως σε ενέργεια. «Είναι πολύ συναρπαστικά πράγματα», λέει ο Andrej Lenert, μηχανικός υλικών στο Πανεπιστήμιο του Michigan, Ann Arbor. «Είναι η πρώτη φορά που τα θερμοφωτοβολταϊκά έχουν φτάσει υποσχόμενα εύρη απόδοσης, κάτι που είναι τελικά αυτό που έχει σημασία για πολλές εφαρμογές».
Μαζί με άλλες σχετικές εξελίξεις στο ίδιο πεδίο, το νέο έργο δίνει μεγάλη ώθηση στις προσπάθειες για την εφαρμογή θερμικών μπαταριών σε μεγάλη κλίμακα ως ένα φθηνό, εφεδρικό μέσο αποθήκευση ενέργειας για συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η ιδέα είναι να τροφοδοτηθεί η πλεονάζουσα αιολική ή ηλιακή ηλεκτρική ενέργεια σε ένα θερμαντικό στοιχείο, το οποίο αυξάνει τη θερμοκρασία ενός λουτρού υγρού μετάλλου ή ενός μπλοκ γραφίτη σε επίπεδα χιλιάδων βαθμών. Η θερμότητα μπορεί να μετατραπεί ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια με την παραγωγή ατμού που κινεί έναν στρόβιλο, αλλά υπάρχουν περιορισμοί.
Οι υψηλές θερμοκρασίες αυξάνουν την απόδοση μετατροπής, αλλά τα υλικά του στροβίλου αρχίζουν να διασπώνται στους 1500°C περίπου. Τα θερμοφωτοβολταϊκά προσφέρουν μια εναλλακτική λύση: Η αποθηκευμένη θερμότητα διοχετεύεται σε μια μεταλλική μεμβράνη ή νήμα, το οποίο εκπέμπει φως όπως το σύρμα βολφραμίου σε έναν λαμπτήρα πυρακτώσεως και, στη συνέχεια, με τη χρήση θερμοφωτοβολταϊκών που απορροφούν το εκπεμπόμενο φως, γίνεται μετατροπή της θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια.
Όταν τα πρώτα θερμοφωτοβολταϊκά εφευρέθηκαν τη δεκαετία του 1960, μετέτρεπαν μόνο ένα μικρό ποσοστό της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Ο βαθμός απόδοσης εκτινάχθηκε σε περίπου 30% το 1980, όπου έχει μείνει σταθερή σε μεγάλο βαθμό από τότε. Ένας λόγος είναι ότι το βολφράμιο και άλλα μέταλλα τείνουν να ακτινοβολούν φωτόνια σε ένα ευρύ φάσμα, από το υπεριώδες υψηλής ενέργειας έως το μακρινό υπέρυθρο χαμηλής ενέργειας. Αλλά όλα τα φωτοβολταϊκά -συμπεριλαμβανομένων των TPV- είναι βελτιστοποιημένα για να απορροφούν φωτόνια σε στενό εύρος, που σημαίνει ότι το φως με υψηλότερες και χαμηλότερες συχνότητες τείνει να σπαταλάται.
Για τη νέα συσκευή, ο Asegun Henry, μηχανολόγος μηχανικός του MIT, ασχολήθηκε τόσο με τον πομπό όσο και με το ίδιο το TPV. Προηγούμενες λύσεις που περιείχαν TPV, θέρμαιναν τους πομπούς περίπου στους 1400°C, γεγονός που μεγιστοποιούσε τη φωτεινότητα τους στο εύρος μήκους κύματος για το οποίο βελτιστοποιήθηκαν τα TPV. Ο Henry είχε στόχο να ωθήσει τη θερμοκρασία 1000°C υψηλότερα, όπου το βολφράμιο εκπέμπει περισσότερα φωτόνια σε υψηλότερες ενέργειες, κάτι που θα μπορούσε να βελτιώσει τη μετατροπή της ενέργειας. Αλλά αυτό σήμαινε ότι και τα TPVs έπρεπε να επανασχεδιαστούν.
Με τη συνεργασία ερευνητών από το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, η ομάδα του Henry, έβαλε πάνω από δύο δωδεκάδες λεπτές στρώσεις διαφορετικών ημιαγωγών για να δημιουργήσει δύο ξεχωριστές κυψέλες στοιβαγμένες το μία πάνω στην άλλη. Η επάνω κυψέλη απορροφά κυρίως ορατά και υπεριώδη φωτόνια, ενώ η κάτω κυψέλη απορροφά κυρίως υπέρυθρες ακτινοβολίες. Ένα λεπτό φύλλο χρυσού μετά την κάτω κυψέλη, αντανακλά φωτόνια χαμηλής ενέργειας που τα TPV δεν μπορούσαν να συλλέξουν. Το βολφράμιο επαναρροφά αυτή την ενέργεια, εμποδίζοντας την να χαθεί. Το αποτέλεσμα, αναφέρει η ομάδα στο περιοδικό Nature, είναι μια σειρά TPV που μετατρέπει το 41,1% της ενέργειας που εκπέμπεται από ένα νήμα βολφραμίου 2400°C σε ηλεκτρική ενέργεια.
Η ομάδα του Henry βλέπει τρόπους να τα πάει ακόμα καλύτερα. Στο τεύχος του Nature της 8ης Οκτωβρίου 2020, ο Lenert και οι συνεργάτες του ανέφεραν ένας καθρέπτη ικανό να αντανακλά σχεδόν το 99% των μη απορροφημένων υπέρυθρων φωτονίων πίσω στην πηγή θερμότητας. Η σύζευξη του καθρέφτη με τα βελτιωμένα TPV θα μπορούσε να δώσει άλλη μια μεγάλη ώθηση. «Πιστεύουμε ότι έχουμε έναν ξεκάθαρο δρόμο προς την απόδοση 50%,» λέει ο Henry.
Τα TPVs είναι κατασκευασμένα από ημιαγωγούς III-V, που ονομάζονται από το σημείο που τα συστατικά τους στοιχεία εμπίπτουν στον περιοδικό πίνακα, τα οποία είναι πιο ακριβά από το πυρίτιο που χρησιμοποιείται στα στα κλασσικά φωτοβολταϊκά. Αλλά τα άλλα μέρη μιας θερμικής μπαταρίας, συμπεριλαμβανομένου του γραφίτη, είναι φθηνά. Σε ένα έγγραφο του 2019, ο Henry και οι συνεργάτες του είχαν υπολογίσει ότι ακόμη και μια απόδοση 35% στη μετατροπή θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια θα καθιστούσε την τεχνολογία οικονομικά βιώσιμη.
Η ομάδα έχει δημιουργήσει επίσης κεραμικές αντλίες που μπορούν να χειριστούν τα υγρά μέταλλα εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας που απαιτούνται για τη μεταφορά θερμότητας σε μια εγκατάσταση αποθήκευσης θερμικής ενέργειας βιομηχανικής κλίμακας. «Έχουν χτίσει τα θεμέλια για την αποθήκευση και τη μετατροπή της θερμότητας σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες», λέει ο Lenert.
Αυτή η πρόοδος έχει προκαλέσει εμπορικό ενδιαφέρον. Η Antora Energy στην Καλιφόρνια ξεκίνησε μια εταιρεία θερμικής ενέργειας το 2016. Η Lenert και άλλοι κοιτάζουν τις δικές τους startups. Και ο Henry ξεκίνησε πρόσφατα μια επιχείρηση -την Thermal Battery Corp.- για την εμπορευματοποίηση της τεχνολογίας της ομάδας του, η οποία εκτιμά ότι θα μπορούσε να αποθηκεύσει ηλεκτρική ενέργεια για 10$ ανά κιλοβατώρα χωρητικότητας, λιγότερο από το ένα δέκατο του κόστους των μπαταριών ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούνται σε κλίμακα δικτύων ΑΠΕ.
«Η αποθήκευση ενέργειας ως θερμότητα μπορεί να είναι πολύ φθηνή, ακόμη και για πολλές μέρες κάθε φορά», λέει η Alina LaPotin, μεταπτυχιακή φοιτήτρια του MIT και βασική συγγραφέας της εργασίας στο Nature.
Ο Henry και άλλοι προσθέτουν ότι τα συστήματα θερμικής αποθήκευσης είναι αρθρωτά, σε αντίθεση με τα εργοστάσια ορυκτών καυσίμων, τα οποία είναι πιο αποδοτικά σε τεράστια κλίμακα, της τάξης των γιγαβάτ. «Αυτό κάνει τις θερμικές μπαταρίες εξίσου καλές στο να παρέχουν ενέργεια για ένα μικρό χωριό ή ένα μεγάλο εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής», λέει ο Alejandro Datas, ηλεκτρολόγος μηχανικός στο Πολυτεχνείο της Μαδρίτης, καθώς και για την αποθήκευση ενέργειας από ηλιακά και αιολικά πάρκα οποιουδήποτε μεγέθους. «Αυτή είναι η ομορφιά».
Με πληροφορίες από science.org
