Eine neue Festkörperbatterie erreicht die Marke für langfristige Energiespeicherung

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Die Klimanachrichten des Tages machen ziemlich deutlich, dass die politischen Entscheidungsträger aufhören müssen, sich an der Energiewende herumzuschleichen, und aktiv werden müssen. In den vergangenen Jahren fehlten die technischen Hilfsmittel, aber das ist keine Entschuldigung mehr. Wind- und Solarenergie sind weithin verfügbar, und es entstehen neue Technologien zur langfristigen Energiespeicherung, die dazu beitragen sollen, dass erneuerbare Energien Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen problemlos ersetzen.

Der Unterschied bei der Langzeitspeicherung von Energie

Lithium-Ionen-Batterie-Arrays sind derzeit das Energiespeichermedium der Wahl für Wind- und Solarenergie. Diese Systeme können tägliche Lücken in der Wind- oder Solarenergieerzeugung ausgleichen, jedoch jeweils nur für einige Stunden. Im Allgemeinen dauern sie etwa vier Stunden.

Die Technologie wird verbessert und Laufzeiten von 6-8 Stunden werden immer üblicher. Allerdings gehen praktisch täglich mehr Wind- und Solarkraftwerke ans Netz. Das US-Energieministerium blickt auf langlebigere Alternativen, die Netzdienstleistungen übernehmen können, wenn das Netz mit Wind- und Solarenergie gesättigt ist.

Um Innovatoren im Bereich der Langzeit-Energiespeicherung zu motivieren, startete das US-Energieministerium bereits 2018 ein Programm unter dem etwas forcierten Akronym DAYS, für Dauer Ergänzung zur Stromspeicherung.

Das Programm wird von ARPA-E verwaltet, der Finanzierungsstelle des Energieministeriums für Projekte mit hohem Risiko und hohem Ertrag. Die Belohnung sind Langzeit-Energiespeichersysteme, die mindestens 10 Stunden lang halten, bis zu 100 Stunden oder mehr.

„Während die meisten neuen Energiespeichersysteme heute Strom über begrenzte Zeiträume liefern, um beispielsweise Übertragungsüberlastungen zu lindern, Spannungs- und Frequenzniveaus zu stabilisieren oder Energieverschiebungen innerhalb eines Tages bereitzustellen, werden die verlängerten Entladezeiten von DAYS-Projekten eine Reihe neuer Anwendungen ermöglichen inklusive langanhaltender Notstromversorgung und noch mehr Integration heimischer, erneuerbarer Energiequellen„, erklärt ARPA-E.

Die USA verfügen tatsächlich über einen beträchtlichen Bestand an langfristiger Energiespeicherkapazität in Form von Pumpwasserkraftwerken. Die Technologie der Pumpspeicherkraftwerke gibt es schon seit etwa 100 Jahren, und daran ist nichts auszusetzen, außer dass sie ein gewisses Maß an Geoengineering und Wassersysteminfrastruktur erfordern kann. Das DAYS-Programm sucht nach alternativen Speichersystemen mit viel breiteren Einsatzmöglichkeiten.

Viele Wege zum Ziel der langfristigen Energiespeicherung

Einige der alternativen Speichersysteme, die den Hecht hinunterführen, nutzen ein durch Schwerkraft angetriebenes Prinzip, das dem von Pumpspeicherkraftwerken ähnelt, und ersetzen das Wasser durch verschiedene Arten von Gewichten. Andere erreichen die lange Lebensdauer mit Flow-Batterien, die Strom durch eine chemische Reaktion zwischen zwei wiederverwendbaren Flüssigkeiten erzeugen.

Neue, langlebige Energiespeichersysteme, die eingesetzt werden können Thermophotovoltaik (TPV)-Zellen beginnen ebenfalls zu entstehen. In diesen „Wärmebatterien“ wird ein Speichermaterial erhitzt und die TPV-Technologie wandelt die Wärme bei Bedarf in Strom um.

TPVs sind nicht so konstruiert, dass sie sichtbare Lichtwellen wie eine gewöhnliche Solarzelle in Elektrizität umwandeln. Stattdessen sind sie darauf ausgelegt, die sehr lange, energiearme Infrarotstrahlung, die durch Wärme entsteht, umzuwandeln.

Ein Innovator der Thermophotovoltaik-Technologie, der auf das gestoßen ist CleanTechnica Radar ist das kalifornische Startup Antora Energy. Das Unternehmen hat seinen Ursprung in der Forschung am MIT und wird von privaten Investoren sowie von ARPA-E und der California Energy Commission unterstützt.

ARPA-E hat Antora 2019 für eine Finanzierung im Rahmen des DAYS-Programms gewonnen und es mit der Entwicklung beauftragt:eine thermophotovoltaische Wärmekraftmaschine in der Lage, Hochtemperaturwärme effizient und dauerhaft in Strom umzuwandeln.“

„[The new battery] wird versuchen, die Paneleffizienz durch neue Materialien und intelligentes Systemdesign zu verdoppeln, um möglicherweise eine kostengünstige Netzspeicherlösung zu ermöglichen“, fügten sie hinzu und verwiesen auf Verbesserungen in der TPV-Technologie.

In den neuesten Nachrichten von Antora heißt es, dass das Unternehmen Anfang dieser Woche insgesamt mehr als 4 Millionen US-Dollar an neuen Zuschüssen von der ARPA-E und der California Energy Commission erhalten hat, die auf den Ausbau seiner Langzeit-Energiespeichertechnologie abzielen.

„Mit TPV ist Antora dazu in der Lage Dekarbonisierung des gesamten Energiebedarfs „Der Bau großer Industrieanlagen – sowohl Wärme- als auch Stromanlagen – eröffnet dem Industriesektor den schnellsten und kostengünstigsten Weg, Netto-Null zu erreichen“, sagte Andrew Ponec, Mitbegründer und CEO des Unternehmens, in einer Pressemitteilung.

Wie – und warum – funktioniert es?

Wenn Sie sich fragen, welchen Vorteil TPV gegenüber herkömmlichen dampferzeugenden Wärmeenergiesystemen hat, ist das eine gute Frage. Befürworter der TPV-Technologie unterstreichen das Potenzial, dampfbetriebene Turbinen hinsichtlich Kosten, Effizienz, Komplexität und Skalierbarkeit zu schlagen.

Das klingt einfach, aber der Teufel steckt im Detail. Antora weist darauf hin, dass die Verbesserung der Effizienz der TPV-Technologie ein jahrzehntelanger Prozess war.

Das Unternehmen begann 2018 mit dem National Renewable Energy Laboratory des Energieministeriums bei der TPV-Entwicklung zusammenzuarbeiten, als seine Langzeit-Energiespeichertechnologie für die erste Kohorte eines neuen Energietechnologie-Beschleunigers namens Shell ausgewählt wurde GameChanger-Beschleuniger Unterstützt von NREL.

In einer Zusammenfassung seiner Arbeit mit Antora aus dem Jahr 2021 führte NREL die frühe TPV-Forschung bis zu einem von der US-Marine finanzierten Projekt aus den 1990er-Jahren zurück. Die Idee scheint in den frühen 2000er-Jahren wieder auf Eis gelegt worden zu sein, aber TPV erregte weiterhin Interesse bei der Forschungs- und Entwicklungsgemeinschaft, da es in der Lage ist, sowohl Wärme als auch Strom ohne bewegliche Teile zu liefern.

Das Herzstück der Wärmebatterie von Antora ist eine Anordnung isolierter massiver Kohlenstoffblöcke als Wärmespeichermedium. „Während die meisten chemischen Batterietechnologien nur über eine mittelfristige Speicherung verfügen, kann die von Antora tagelang Strom liefern“, berichtete der GameChanger Accelerator und fügte hinzu: „Antora schätzt, dass dieses Projekt zu einer Energiespeicherung geführt hat, die weniger als 1/20 kostet.“^Th anderer konventioneller Batterietechnologien.“

Das bleibt abzuwarten, aber die Räder sind in Bewegung. Antoras erste Arbeit mit NREL führte zu einem System mit einer Umwandlungseffizienz von 35 %. Kürzlich haben sie den Wert auf den wichtigen Schwellenwert von 40 % angehoben, der als wichtiger Meilenstein für die kommerzielle Anwendung gilt. Im September gab das Unternehmen außerdem bekannt, dass die Temperatur 1.800 °C und mehr erreicht habe Wärmemarkierung für industrielle Anwendungen.

Die Entwicklung eines fertigungsfreundlichen Systems ist ein weiterer Teil der Herausforderung bei Wärmebatterien. Auch das hat Antora im Griff. Im Januar letzten Jahres wurde das Unternehmen gegründet Produktion von TPV-Zellen an seinem Hauptsitz in Sunnyvale, Kalifornien, und im Oktober kündigte das Unternehmen Baupläne an eine Batteriefabrik im kommerziellen Maßstab in San Jose, Kalifornien, um ein modulares, transportables System von der Suppe bis zur Nuss zu entwickeln.

„Antoras werkseitig hergestellte Thermobatterien bestehen nicht nur aus einem Speichermedium – Kohlenstoffblöcken –, sondern auch aus Isolierung, Gehäusen, Lade- und Entladegeräten und anderen Komponenten, die ein integriertes Modul bilden“, erklärt das Unternehmen.

„Diese thermischen Batterien werden die Anlage fertig zum Straßentransport und zur Installation an Industriestandorten im ganzen Land verlassen und bieten eine Drop-in-Dekarbonisierungslösung, die den Einsatz fossiler Brennstoffe vor Ort direkt ersetzt“, fügen sie hinzu.

Antora hat versuchsweise ein System in einer Industrieanlage in Fresno in Betrieb genommen. CleanTechnica kontaktiert das Unternehmen für Einzelheiten, also bleiben Sie dran, um mehr darüber zu erfahren.

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Bild: Langzeit-Energiespeicher mit freundlicher Genehmigung von ARPA-E.