تبدیل گرمای شدید به ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ | اخبار MIT

باتری های حرارتی می توانند به طور موثر انرژی را به عنوان گرما ذخیره کنند. اما ساخت آنها نیاز به یک سیستم با دقت طراحی شده با موادی دارد که بتواند چرخه های دمای بسیار بالا را بدون تسلیم شدن در برابر مشکلاتی مانند خوردگی، انبساط حرارتی و خستگی ساختاری تحمل کند.

بسیاری از سیستم های باتری حرارتی گازهای با دمای بالا یا نمک مذاب را از طریق لوله های فلزی به اطراف منتقل می کنند. Fourth Power که توسط پروفسور MIT Asegun Henry تأسیس شد، این مواد را به داخل تبدیل می کند و از فلز مذاب برای انتقال گرما استفاده می کند که در آجرهای کربنی ذخیره می شود.

Henry SM ’06, PhD ’09 می گوید: “ایده این بود که به جای ساختن سیستم از فلز، بیایید فلزات مایع را جابجا کنیم.”

رویکرد هنری در سال 2017 رکورد جهانی گینس را برای گرمترین پمپ مایع برای او به ارمغان آورد – زیرا وقتی دمای مطلق یک ماده را دوبرابر می کنید، تا جایی که سفید- داغ می درخشد، مقدار نوری که ساطع می کند نه تنها دو برابر می شود، بلکه 16 برابر (یا به توان چهارم) افزایش می یابد.

این شرکت در حال جمع آوری تمام آن نور با سلول های ترموفوتوولتائیک است که مانند سلول های خورشیدی برای تبدیل نور به برق کار می کنند. هنری و همکارانش با نمایش یک سلول ترموفوولتائیک که می‌تواند نور را با بازدهی بیش از 40 درصد به الکتریسیته تبدیل کند، رکورد دیگری را شکستند.

Fourth Power در تلاش است تا از این نوآوری‌های رکوردشکنی برای تامین انرژی برای شبکه‌های برق، تولیدکنندگان برق و شرکت‌های فناوری که زیرساخت‌های تشنه انرژی مانند مراکز داده را ایجاد می‌کنند، استفاده کند. هنری می‌گوید این باتری‌ها می‌توانند بین 10 تا 100 ساعت برق را با هزینه ذخیره‌سازی که به‌طور قابل‌توجهی ارزان‌تر از باتری‌های لیتیوم یونی در مقیاس شبکه تامین کنند. این شرکت در حال حاضر هر بخش از سیستم خود را از طریق دماهای عملیاتی مربوطه – که تقریباً نیمی از گرمای خورشید است – استفاده می کند و قصد دارد تا اواخر امسال یک واحد نمایشی کاملاً یکپارچه داشته باشد.

هنری که به عنوان فن‌شناس ارشد نیروی چهارم فعالیت می‌کند، توضیح می‌دهد: «توضیح اینکه چرا سیستم ما نسبت به هر چیز دیگری پیشرفت بزرگی دارد، حول محور چگالی توان است. “ما متوجه شدیم که اگر دما را بالاتر ببرید، گرما را با سرعت بیشتری منتقل می‌کنید و سیستم را کوچک می‌کنید. سپس همه چیز ارزان‌تر می‌شود. به همین دلیل است که ما چنین دماهای بالایی را در نیروی چهارم دنبال می‌کنیم. ما باتری حرارتی خود را بین 1900 تا 2400 درجه سانتی‌گراد کار می‌کنیم که به ما امکان می‌دهد تا مقدار زیادی در تعادل هزینه‌های سیستم صرفه‌جویی کنیم.”

حرفه ای در گرما

هنری مدرک کارشناسی ارشد و دکترای خود را از MIT قبل از کار در سمت های هیئت علمی در جورجیا تک و MIT به دست آورد. به عنوان استاد در هر دو مدرسه، تحقیقات او بر حمل و نقل حرارتی، ذخیره سازی، انرژی های تجدیدپذیر و سایر فناوری هایی که می تواند منجر به بهبود پایداری و کربن زدایی شود، متمرکز شده است. امروزه او استاد جورج ان. هاتسوپولوس در ترمودینامیک در گروه مهندسی مکانیک MIT است.

سیستم های انتقال حرارت معمولا از فلزاتی مانند آهن و نیکل ساخته می شوند. به طور کلی، هر چه دمای بالاتری را بخواهید به آن برسید، فلز گران‌تر است. هنری متوجه شد که سرامیک‌ها می‌توانند بسیار داغ‌تر از فلزات شوند، اما تقریباً به این اندازه مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. شروع کرد به پرسیدن دلیل.

هنری می گوید: «پاسخ اغلب بسیار ساده است: شما نمی توانید سرامیک را جوش دهید. سرامیک‌ها انعطاف‌پذیر نیستند. آنها عموماً به طرز فاجعه‌باری شکننده از کار می‌افتند، و ما دوست نداریم سیستم‌های بزرگ اینگونه رفتار کنند. اما من نتوانستم مشکلات زیادی را فراتر از آن پیدا کنم.»

پس از دریافت بودجه از وزارت انرژی و ابتکار انرژی MIT، هنری سال‌ها صرف ساخت پمپی از سرامیک و گرافیت (که شبیه به سرامیک است) کرد. در سال 2017، پمپ او با 1200 درجه سانتیگراد، رکورد بالاترین دمای کاری ثبت شده برای پمپ مایع را به نام خود ثبت کرد. پمپ از قلع مایع سفید و داغ به عنوان سوخت استفاده می کرد. او قلع را انتخاب کرد زیرا با کربن واکنش نمی دهد و خوردگی را از بین می برد. همچنین دارای نقطه ذوب نسبتا پایین و نقطه جوش بالایی است که آن را در محدوده دمایی زیاد مایع نگه می دارد.

سپس چالش به طراحی سیستم تبدیل شد.

هنری می‌گوید: «معمولاً، یک مهندس مکانیک طرحی ارائه می‌کند و می‌گوید: «بهترین مواد را برای انجام این کار به من بدهید». ما مشکل را تغییر دادیم، بنابراین می‌گفتیم، ما می‌دانیم چه موادی کار می‌کنند، حالا باید بفهمیم که چگونه می‌توان از آن یک سیستم ساخت.»

در سال 2023، هنری با آروین گانسان، که قبلاً کار انرژی جهانی در اپل را رهبری کرده بود، ملاقات کرد. گانسان در ابتدا علاقه ای به پیوستن به یک استارتاپ نداشت – او دو فرزند خردسال داشت و می خواست خانواده اش را در اولویت قرار دهد – اما او شیفته پتانسیل این فناوری بود. در اولین ملاقات، این دو بر سر ارزش‌های مشترک و پدر بودن به هم متصل شدند، زیرا هنری با آوردن فرزندان کوچک خود، گانسان را غافلگیر کرد.

گانسان که اکنون مدیر عامل شرکت چهارم قدرت است، می‌گوید: «احساس می‌کردم که این فناوری این وعده را دارد که همزمان با بحران‌های مقرون‌به‌صرفه و تغییرات آب و هوایی مقابله کند. همانطور که تقاضای انرژی بیشتر می شود، یا باید فناوری سخت تر و عمیق تری را به کار بگیریم، که این نیز مهم است، یا فناوری موجود را بهبود ببخشیم. Fourth Power در تلاش است تا اصول فیزیک و ترمودینامیکی را ساده کند تا رویکردی را ارائه دهد که برای مدت بسیار طولانی به خوبی مطالعه شده است.

از سال 2023، Fourth Power تحقیقات حمایت شده را در مرکز تحقیقات و مهندسی LNS Bates انجام داده است تا دوام و قابلیت اطمینان اجزای خود را قبل از یک نمایش کاملاً یکپارچه تأیید کند.

سیستمی که Fourth Power طراحی شده است، الکتریسیته اضافی را از منابعی مانند شبکه می گیرد و از آن برای گرم کردن یک سری آجر گرافیتی به طول 6 فوت و ضخامت 20 اینچ استفاده می کند تا زمانی که به حدود 2400 درجه سانتیگراد برسد. در آن نقطه سیستم کاملاً شارژ در نظر گرفته می شود.

هنگامی که مشتری می خواهد برق را بازگرداند، آجرها برای گرم کردن قلع مایع استفاده می شود که از طریق یک سری لوله های گرافیتی، پمپ ها و جریان سنج ها به سلول های ترموفوتوولتائیک جریان می یابد، که نور زیرساخت داغ درخشان را به برق تبدیل می کند.

هنری توضیح می‌دهد: «شما می‌توانید اساساً سلول‌ها را در نور فرو کنید و برق بگیرید، یا می‌توانید آنها را بیرون بکشید و خاموش کنید. فلز مایع در دمای 2400 درجه سانتیگراد شروع می شود و سپس در حین عبور از سیستم سرد می شود زیرا دسته ای از انرژی خود را به فتوولتائیک می دهد و سپس از طریق بلوک های گرافیتی که به عنوان یک کوره عمل می کنند برای بازیابی گرمای بیشتر به گردش در می آید.

از مفهوم تا شرکت

اواخر امسال، Fourth Power قصد دارد یک سیستم 1 مگاوات ساعتی را در مقر جدید خود در بدفورد، ماساچوست روشن کند. یک سیستم در مقیاس کامل 25 مگاوات برق و 250 مگاوات ساعت ذخیره سازی ارائه می دهد و حدود نیمی از زمین فوتبال را اشغال می کند.

هنری توضیح می‌دهد: «بیشتر فناوری‌هایی که در فضای ذخیره‌سازی می‌بینید حدود 10 مگاوات در هکتار یا کمتر هستند. قدرت چهارم بیشتر شبیه به 100 مگاوات در هر هکتار است. بسیار متراکم است.

واحدهای قدرت و ذخیره‌سازی سیستم چهارم قدرت ماژولار هستند، که به مشتریان اجازه می‌دهد با یک سیستم کوچک‌تر شروع کنند و واحدهای ذخیره‌سازی را برای افزایش طول ذخیره‌سازی بعداً اضافه کنند. این شرکت انتظار دارد حدود 1 درصد از کل گرمای ذخیره شده در روز را از دست بدهد.

هنری توضیح می‌دهد: «مشتریان می‌توانند یک ذخیره‌سازی و یک ماژول برق بخرند، و این یک باتری 10 ساعته است. اما اگر آنها یک ماژول برق و دو ماژول ذخیره سازی می خواهند، این یک باتری 20 ساعته است.

این سیستم همچنین می تواند به عنوان یک نیروگاه کار کند و سوخت را به الکتریسیته تبدیل کند یا از سوخت برای شارژ باتری های خود در طول کشش با باد یا خورشید کم استفاده کند. همچنین می توان از آن برای تامین گرمای صنعتی استفاده کرد.

اما در حال حاضر، Fourth Power بر روی کاربرد باتری متمرکز شده است.

هنری می‌گوید: «سازمان‌های برق به چیزی ارزان نیاز دارند و به چیزی قابل اعتماد نیاز دارند. “تنها فناوری که توانسته حداقل به یکی از این الزامات برسد، یون لیتیوم است. اما جهان منتظر چیزی است که بسیار ارزان تر از یون لیتیوم و به همان اندازه قابل اعتماد است، اگر نگوییم بهتر. این چیزی است که ما روی نشان دادن آن به جهان متمرکز شده ایم.”