Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben een nieuw concept ontwikkeld voor de opslag van energie uit duurzame bronnen: in grote tanks met gloeiend heet, gesmolten silicium. Deze opslagvorm zou aanzienlijk goedkoper zijn dan opslag in batterijen.
Windmolens en zonnepanelen wekken soms meer energie op dan meteen nodig is. Opslag van niet direct geconsumeerde energie blijkt lastig, maar is cruciaal voor een geslaagde energietransitie. Lithium-ionbatterijen worden steeds populairder, maar zijn relatief duur. Waterkrachtcentrales die water 's nachts, als de energiebehoefte kleiner is, omhoog pompen om het overdag langs een generator weer te laten vallen, zijn weliswaar goedkoper, maar kunnen niet zomaar overal worden aangelegd.
Gesmolten silicium
Het nu gepresenteerde ontwerp slaat de hitte gemaakt met niet direct geconsumeerde elektriciteit uit zon en wind op in grote tanks met witheet, gesmolten silicium. Op piekmomenten, wanneer de vraag naar elektriciteit het grootst is, wordt het licht van het gloeiende halfmetaal weer omgezet in elektriciteit. De onderzoekers stellen dat het systeem veel goedkoper is dan de vaak gepropageerde lithium-ionbatterijen. Het zou zelfs de helft minder kosten dan dan waterkrachtcentrales, de tot dusver goedkoopste vorm van grootschalige energieopslag.
Volgens ingenieur Asegun Henry, als assistent-hoogleraar verbonden aan de faculteit Werktuigbouwkunde van MIT, is de opslag van energie cruciaal om het klimaatprobleem het hoofd te kunnen bieden. 'Zelfs als we het zouden willen, kunnen we het elektriciteitsnet niet enkel op duurzame bronnen laten functioneren', zegt hij in een persbericht van MIT. Wind- en zonne-energie zijn immers niet op bestelling verkrijgbaar - je blijft afhankelijk van weersomstandigheden. Henry publiceerde zijn onderzoek woensdag in het wetenschappelijke blad Energy and Environmental Science.
Zonthermische centrales
De onderzoekers deden onderzoek naar de efficiëntie van geconcentreerde zonnestroom (CSP), oftewel zonthermische centrales. Die bestaan uit grote oppervlakten vol spiegels die het zonlicht naar een centrale toren sturen, waar het geconcentreerde licht wordt omgezet in hitte. Vervolgens wordt daar, net als bij de gebruikelijke cenrales, via stoomturbines elektriciteit van gemaakt. Om continu te kunnen draaien wordt in die zonthermische centrales warmte opgeslagen in grote tanks met gesmolten zout, dat wordt verhit tot meer dan 500 °C. Als de zon niet schijnt dan kan de centrale met die warmte van het zout toch elektriciteit produceren.
Die methode werkt prima, zegt Henry, maar zal wat kosten betreft nooit kunnen concurreren met aardgas. 'Wij gingen dus op zoek naar een manier om bij veel hogere temperaturen te werken, om het proces efficiënter te maken en zo de kosten te reduceren'.
Daarvoor was wel een andere drager nodig dan zout. Als dat te veel wordt verhit, dan zouden zelfs de roestvrijstalen opslagtanks gaan corroderen. Uiteindelijk kwamen de ingenieurs uit bij silicium, het meest voorkomende halfmetaal op aarde, dat temperaturen tot boven de 2000 °C probleemloos aankan.
Guinness Book of World Records
Vorig jaar slaagde het team erin een pomp te ontwikkelen die dergelijke temperaturen kan verwerken - wat ze nog een notering in het Guiness Book of World Records heeft opgeleverd. Nu is ook de rest van het opslagsysteem klaar.
De onderzoekers noemen hun systeem TEGS-MPV, een afkorting van Thermal Energy Grid Storage-Multi-Junction Photovoltaics. Volgens hen is de opslagmethode niet alleen geschikt voor zonthermische centrales, maar voor welke elektriciteit dan ook uit duurzame bronnen, of het nu wind is of zon. Die elektriciteit is met warmte-elementen simpel om te zetten in hitte die in het silicium kan worden opgeslagen.
Fotovoltaïsche cellen
De sterk geïsoleerde opslagtanks, met een diameter van tien meter en gemaakt van grafiet, worden gevuld met vloeibaar silicium dat op een 'lage' temperatuur van rond de 1900 °C wordt gehouden. Een reeks buizen verbindt deze tank via hitte-elementen met een tweede, hete tank. Als elektriciteit uit bijvoorbeeld zonnecellen het systeem binnenkomt, dan wordt de energie door die elementen omgezet in hitte. Tegelijkertijd wordt silicium uit de koele tank naar de hete tank doorgesluisd, waar de warmte-energie dan wordt opgeslagen bij circa 2400 °C.
Door de energie niet direct als elektriciteit, maar in de vorm van hitte op te slaan, gaat er bij omzettingen onderweg veel minder verloren, zeggen de ingenieurs. Door die hoge efficiëntie zouden de kosten per eenheid energie daarom extreem laag kunnen worden gehouden.
Voor de omzetting van die energie in elektriciteit kiezen de MIT-ingenieurs een bijzondere route: ze koppelen die niet aan een stoomturbine, maar gebruiken het licht dat het hete silicium produceert. Is er behoefte aan elektriciteit, dan wordt het witgloeiende hete silicium door een reeks buizen geleid. Fotovoltaïsche zonnecellen zetten dat licht weer om in elektriciteit.
Een enkel opslagsysteem zou een stad van 100.000 huishoudens volledig van duurzame stroom kunnen voorzien, aldus de ingenieurs. Het kan bovendien overal worden neergezet, ongeacht de geografische omstandigheden. 'In theorie is dit dé oplossing om het elektriciteitsnetwerk volledig duurzaam te maken.'
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.