Θερμικές Μπαταρίες Αναπτύσσονται Γρήγορα Χωρίς την Ανάγκη Εξόρυξης Μετάλλων

Απαιτείται Αποθήκευση Ενέργειας Μεγάλων Διαστάσεων

Υπάρχει μια αυξανόμενη ανάγκη για συστήματα μπαταριών που μπορούν να διατηρούν μεγάλη ποσότητα ενέργειας για πολλές ώρες ή ημέρες. Αυτό οφείλεται στο ότι η ηλιακή και η αιολική ενέργεια είναι διακοπτόμενες, μεταβάλλονται κατά τη διάρκεια της ημέρας και από ημέρα σε ημέρα.

Ένας ακόμη παράγοντας είναι η ενεργειακή ζήτηση των βιομηχανικών διαδικασιών, όπως η μεταλλουργία. Αυτά τα εργοστάσια χρειάζονται ενέργεια 24/7, συνήθως για την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων θερμότητας στην περιοχή των 1.000‑1500 °C.

Η χρήση μπαταριών λιθίου‑ιόντων όπως για τα ηλεκτρικά οχήματα είναι απίθανο να αποτελέσει λύση σε μεγάλη κλίμακα. Είναι απλώς πολύ ακριβές, δεν είναι αρκετά ανθεκτικό και καταναλώνει υπερβολικές πρώτες ύλες.

Γι’ αυτό έχουν εξεταστεί πολλές διαφορετικές εναλλακτικές χημικές συνθέσεις μπαταριών για αποθήκευση ενέργειας σε κλίμακα κοινής ωφέλειας. Εξετάζουμε τις περισσότερες από αυτές τις επιλογές στο άρθρο μας «The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech», συμπεριλαμβανομένων των λιθίου‑σιδήρου‑φωσφορικού, νατρίου‑ιόντων, ροπής‑οξειδωτικού, σιδήρου‑αέρα, λιωμένου μετάλλου, νικελίου‑υδρογόνου, νατρίου‑θειούχου κ.λπ.

Όλες αυτές οι μπαταρίες αποθηκεύουν ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρισμού, με έναν ή άλλο τρόπο, συνήθως μέσω της οξείδωσης και μείωσης ενός μετάλλου.

Το πρόβλημα είναι ότι ακόμη και πολύ κοινά μέταλλα όπως ο σίδηρος ή το αλουμίνιο θα απαιτούσαν εκτενή εξόρυξη. Τι θα γινόταν λοιπόν αν αποθηκεύαμε ενέργεια με άλλη μορφή;

Αποθήκευση Θερμότητας

Υπάρχει ένας εκπληκτικά μεγάλος αριθμός επιλογών για αποθήκευση ενέργειας χωρίς τη χρήση ηλεκτρισμού ως μέσου αποθήκευσης. Τα εξετάσαμε πιο αναλυτικά στο «Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition». Αυτές οι επιλογές περιλαμβάνουν:

• Συμπιεσμένο αέρα.
• Μπαταρίες βαρύτητας (πέτρες, αντλητική υδροηλεκτρική).
• Θερμικές μπαταρίες.
• Ατμοπυρηνικές (flywheels).
• Θερμική ηλιακή ενέργεια.

Κάθε μία από αυτές τις επιλογές, μπαταρίες και μη‑μπαταρίες, έχει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Η ιδανική λύση αποθήκευσης ενέργειας θα έπρεπε να πληροί μερικά χαρακτηριστικά:

• Χωρίς ανάγκη μετάλλων και σπάνιων υλικών.
• Μακροπρόθεσμη αποθήκευση ενέργειας.
• Χαμηλό κόστος.
• Εύκολη κλιμάκωση χωρίς περιορισμούς σε διαθέσιμες τοποθεσίες ή πόρους.
• Να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρισμός με ελάχιστες απώλειες.

Για τα πρώτα 4‑5 στοιχεία, η αποθήκευση θερμότητας ταιριάζει. Οι μπαταρίες άμμου, όπως αυτές της φινλανδικής εταιρείας Polar Night Energy, μπορούν να αποθηκεύσουν την πλεονάζουσα ενέργεια του καλοκαιριού για το χειμώνα, κάτι απαραίτητο για την παροχή θέρμανσης με ανανεώσιμες πηγές στους παγωμένους και άνευ ηλιακού φωτός χειμώνες του Βορρά. Και χρησιμοποιούν μόνο χαμηλής ποιότητας άμμο και λίγα μέταλλα για το πλαίσιο και τις σωληνώσεις.

Πηγή: Polar Night Energy

Μια παρόμοια θερμική μπαταρία προβλέπεται από την Rondo Energy, με τούβλα που μπορούν να θερμανθούν έως και 1500 °C, χρησιμοποιώντας τη θερμότητα για βιομηχανικές διεργασίες όπως η παραγωγή τσιμέντου ή χάλυβα.

Αυτές οι θερμικές μπαταρίες λειτουργούν καλά όταν το επιθυμητό προϊόν θερμαίνεται από την αρχή, είτε πρόκειται για δικτυακή θέρμανση κατοικιών είτε για βιομηχανική θερμότητα.

Πηγή: Rondo Energy

Ωστόσο, οι θερμικές μπαταρίες θεωρούνταν ακατάλληλες για παροχή ενέργειας στο δίκτυο, καθώς η αποδοτικότητα μετατροπής της θερμότητας ξανά σε ηλεκτρισμό κυμαίνεται συνήθως στο χαμηλό 20‑30 % εύρος. Αυτό σημαίνει ότι έως και 4/5 του «αποθηκευμένου» ενεργειακού ποσού χάνεται. Ή, με άλλα λόγια, η αποθηκευμένη ενέργεια γίνεται ξαφνικά πέντε φορές πιο ακριβή από ό,τι όταν παράχθηκε.

Ακόμη και με την ηλιακή ενέργεια να είναι πλέον ισοδύναμη με την ενέργεια ορυκτών καυσίμων, παραμένει μακριά από το να είναι πέντε φορές φθηνότερη. Ωστόσο, αυτό το ζήτημα ίσως είναι προσωρινό, με καινοτομίες σε μια τεχνολογία που ονομάζεται θερμοφωτοβολταϊκά.

Θερμοφωτοβολταϊκά Κύτταρα – Φωτοβολταϊκά, Αλλά Με Θερμότητα

Τα θερμοφωτοβολταϊκά είναι η ιδέα της δημιουργίας ενέργειας με παρόμοιο τρόπο με τα παραδοσιακά φωτοβολταϊκά, αλλά με θερμότητα αντί για ηλιακό φως — ή, πιο ακριβώς, με υπέρυθρο φως που εκπέμπεται από θερμασμένα υλικά.

Σε ένα παραδοσιακό φωτοβολταϊκό πάνελ, οποιαδήποτε συχνότητα φωτός κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο δεν είναι αρκετά ενεργητική για να δημιουργήσει ρεύμα και χάνεται. Αυτό ισχύει για όλο το υπέρυθρο φως, καθώς τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα του υπερύθρου έχουν πολύ χαμηλή ενέργεια.

Δεν πρόκειται για μια εντελώς νέα τεχνολογία, αλλά πάντα υπέφερε από πολύ χαμηλή αποδοτικότητα ώστε να μην υιοθετηθεί ευρέως. Αυτό ήταν αλήθεια μέχρι την πρόσφατη επίτευξη ερευνητών του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν, που δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους σε επιστημονική εργασία με τίτλο «High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells».

Διεκδικήζουν ότι πέτυχαν ρεκόρ 44 % αποδοτικότητας για θερμοκρασίες κάτω των 1.500 °C, κάτι πολύ υψηλότερο από τα προηγούμενα αποτελέσματα που έφτασαν μόλις στο 37 %.

Και οι ερευνητές πιστεύουν ότι έχουν τρόπο να φτάσουν το 50 % «σε όχι πολύ μακρινό μέλλον».

Πηγή: Cell

Πώς Λειτουργούν τα Θερμοφωτοβολταϊκά Κύτταρα;

Πρώτα, το υλικό αποθήκευσης, που μπορεί να είναι πέτρα, άμμος, άνθρακας, τούβλα, κεραμικά κ.λπ., πρέπει να θερμανθεί, είτε με πλεονάζουσα ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές είτε με άμεση ηλιακή θερμότητα.

Στα 1435 °C, περίπου το 20‑30 % των υπερυθρικών φωτονίων που θα εκπέμψουν έχουν αρκετή ενέργεια για να παράγουν ηλεκτρισμό στα θερμοφωτοβολταϊκά κύτταρα της ερευνητικής ομάδας.

Πηγή: Design Boom

Οι υπόλοιπες υπερυθρικές συχνότητες δεν ήταν δυνατόν να μετατραπούν σε ηλεκτρισμό με το ημιαγωγό που χρησιμοποιείται στο πάνελ των θερμοφωτοβολταϊκών.

Λοιπόν, πώς έφτασαν στο 44 % από εκεί; Η ευφυής «τέχνασμα» ήταν η προσθήκη μιας λεπτόσκορης στρώσης αέρα στο κύτταρο, ακριβώς πέρα από τον ημιαγωγό, και ενός χρυσού αντανακλαστήρα πέρα από το κενό αέρα.

Αυτό κράτησε παγιδευμένα τα φωτόνια με το σωστό επίπεδο ενέργειας, έτοιμα να παράγουν ηλεκτρισμό. Τα υπόλοιπα έστειλαν πίσω προς το θερμαινόμενο υλικό, επαναθερμαίνοντάς το. Έτσι είχαν μια δεύτερη ευκαιρία να κατευθυνθούν ξανά προς το θερμοφωτοβολταϊκό κύτταρο με τη σωστή συχνότητα φωτός.

Βασικά, επιτρέπει στο κύτταρο να ανακυκλώνει ό,τι δεν έπιασε την πρώτη φορά, αυξάνοντας τη συνολική αποδοτικότητα μετατροπής.

Μελλοντικές Θερμικές Μπαταρίες

Μια αποδοτικότητα 44 % ή ακόμη και 50 % μπορεί να μην φαίνεται τόσο εντυπωσιακή σε σύγκριση με την αντλητική υδροηλεκτρική (70‑85 %) ή τις μπαταρίες λιθίου‑ιόντων (85‑95 %).

Πηγή: EESI

Αλλά αυτό θα ήταν αγνόηση του ότι η μαζική υλοποίηση αποθήκευσης ενέργειας σε κλίμακα κοινής ωφέλειας εξαρτάται τόσο από την οικονομία όσο και από την τεχνολογία.

Οι μπαταρίες έχουν διάρκεια ζωής που μετράται σε χρόνια πριν χρειαστεί ανακύκλωση. Επίσης, δεν υπάρχει αρκετό λίθιο και ακόμη λιγότερο χαλκό, νικέλιο ή κοβάλτιο για να τις αναπτυχθούν σε τέτοιο μέγεθος, ειδικά όταν η πλειονότητα αυτής της μεταλλικής παραγωγής απαιτείται ήδη για τα ηλεκτρικά οχήματα.

Αντίθετα, οι θερμικές μπαταρίες μπορούν να διαρκέσουν δεκαετίες με ελάχιστη ή καθόλου συντήρηση. Απαιτούν σχεδόν κανένα υλικό πέρα από πέτρα, άμμο ή πηλό. Μπορούν να κατασκευαστούν οπουδήποτε και σε οποιοδήποτε μέγεθος, ακόμη και τεράστια, με σχεδόν μηδενική επίδραση στα οικοσυστήματα, σε αντίθεση με την υδροηλεκτρική.

Τέλος, η θερμότητα είναι μία από τις πιο αποδοτικές μεθόδους όταν η ενέργεια πρέπει να αποθηκευτεί για εβδομάδες και μήνες, με σχεδόν όλες τις τύπους μπαταριών να «διαρρέουν» ενέργεια με πολύ υψηλότερο ρυθμό από ένα καλά απομονωμένο σύστημα αποθήκευσης θερμότητας.

«Είναι μια μορφή μπαταρίας, αλλά πολύ παθητική. Δεν χρειάζεται να εξορύξετε λίθιο όπως στα ηλεκτροχημικά κύτταρα, πράγμα που σημαίνει ότι δεν ανταγωνίζεστε την αγορά των ηλεκτρικών οχημάτων.

Σε αντίθεση με την αντλητική υδροηλεκτρική αποθήκευση, μπορείτε να το τοποθετήσετε οπουδήποτε και δεν χρειάζεται κοντινή πηγή νερού»,

Stephen Forrest, University Professor of Electrical Engineering at U-M

Έτσι, συνολικά, μια θερμική μπαταρία μπορεί να είναι η τέλεια λύση αποθήκευσης ενέργειας για την εξομάλυνση της διακοπτόμενης φύσης των ανανεώσιμων πηγών. Και μπορεί ακόμη να αποθηκεύσει την πλεονάζουσα ενέργεια των αέριων ή ηλιόλουστων μηνών για το χειμώνα σε ψυχρά κλίματα, ή για τη βροχερή περίοδο σε τροπικά κλίματα.

Εταιρείες Αποθήκευσης Θερμότητας / Θερμοφωτοβολταϊκών

1. II-VI Marlow / Coherent

Η II-VI (COHR ) Marlow είναι θυγατρική της II-VI Inc., ηγέτη στον (προς το παρόν σχετικά μικρό) τομέα παραγωγής θερμοφωτοβολταϊκών κυττάρων. Το 2022, η II-VI Inc. εξαγόρασε τον κατασκευαστή λέιζερ Coherent Inc. (COHR ) και στη συνέχεια άλλαξε το όνομα της εταιρείας.

Η εταιρεία είναι ειδική σε προχωρημένα υλικά που χρησιμοποιούνται σε λέιζερ, οπτικά και φωτονική, όπως το ινδίου φωσφορικό, οι επιταξιακές δίσκοι και το γαλλίου αρσενίου. Μεγάλωσε κυρίως χάρη σε πολλαπλές εξαγορές την τελευταία δεκαετία.

Πηγή: Coherent

Η δραστηριότητα της εταιρείας στον τομέα των θερμοφωτοβολταϊκών αποτελεί μόνο ένα μικρό μέρος των συνολικών εσόδων της, με τις οπτικές ίνες, τα λέιζερ και άλλα προϊόντα να αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος των εσόδων. Αυτό μπορεί, ωστόσο, να είναι καλό νέο για τους επενδυτές, καθώς σημαίνει επίσης ότι διαθέτει το κεφάλαιο για γρήγορη ανάπτυξη νέας τεχνολογίας σε βιομηχανική κλίμακα εάν η καινοτομία ανοίξει νέες αγορές.

Πηγή: Coherent

Για παράδειγμα, η τεράστια αγορά αποθήκευσης κοινής ωφέλειας για πλεονάζουσα ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές…

Καθώς το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν έχει «εφαρμόσει αίτηση για προστασία πατέντας (…) και αναζητά συνεργάτες για την εμπορευματοποίηση της τεχνολογίας», δεν θα ήταν παράξενο αν μια εταιρεία όπως η Coherent καταλήξει να φέρει τις νέες θερμοφωτοβολταϊκές μπαταρίες στην αγορά. Ιδιαίτερα λαμβάνοντας υπόψη την προϋπάρχουσα τεχνογνωσία της στην βιομηχανική παραγωγή θερμοφωτοβολταϊκών και παρόμοιων προχωρημένων υλικών.

2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)

Τα θερμοφωτοβολταϊκά κύτταρα που χρησιμοποίησαν οι ερευνητές του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν κατασκευάστηκαν με InGaAsP (ινδίου γαλλίου αρσενίου φωσφορικού)”.

“Έτσι, διερευνούμε αν η μετάφραση της αρχιτεκτονικής air‑bridge από τριτογενή σε τετραγενή απορροφητές ομάδας III‑V (InGaAsP προσαρμοσμένο σε υποστρώματα InP) μπορεί να ενισχύσει την αποδοτικότητα εντός του στόχου θερμοκρασιών εκπομπής.”

Αν αυτή η τεχνολογία γίνει τυποποιημένη μορφή αποθήκευσης ενέργειας σε κλίμακα κοινής ωφέλειας, θα χρειαστούμε InGaAsP, και σε μεγάλες ποσότητες.

Άρα θα είχε νόημα σε αυτό το σενάριο να στοιχηματίσουμε στην εταιρεία που παραμένει για 30 χρόνια ηγέτης στην παραγωγή InGaAsP, το ιαπωνικό συγκρότημα Sumitomo.

Για περισσότερα από 30 χρόνια, η Διαίρεση Ημιαγωγών της Sumitomo Electric διατηρεί τη θέση ηγεσίας ως ο μεγαλύτερος κατασκευαστής παγκοσμίως γαλλίου αρσενίου (GaAs) και ινδίου φωσφορικού (InP).

Το όνομα Sumitomo έχει γίνει συνώνυμο της ποιότητας στα υλικά III‑V. Η Sumitomo Electric κέρδισε αυτή τη φήμη παρέχοντας στους παγκόσμιους πελάτες της υποστρώματα ανώτερης ποιότητας που οδηγούν σε υψηλότερες αποδόσεις και συσκευές με συνεπείς ηλεκτρικές χαρακτηριστικές.

Sumitomo Compound Semiconductor – About Us

Sumitomo Electric Industries, και η διαίρεση ημιαγωγών σύνθετων υλικών, είναι το τμήμα του μεγαλύτερου συγκροτήματος Sumitomo, ενός από τα μεγαλύτερα παγκοσμίως sōgō shōsha (γενικές εμπορικές εταιρείες).

Εκτός από το InGaAsP, η κύρια δραστηριότητα της Sumitomo Electric Industries είναι η παραγωγή:

• Εξοπλισμού τηλεπικοινωνιών (οπτικές ίνες, 5G)
• Αυτοκινητοβιομηχανίας (καλώδια και υψηλής ισχύος καλώδια)
• Ηλεκτρονικών (ευέλικτα τυπωμένα κυκλώματα, καλώδια δεδομένων, μεμβράνες φιλτραρίσματος)
• Υψηλής ποιότητας υλικών (καρβίδια, εργαλεία κοπής, προτάσεις ενίσχυσης χάλυβα).

Πηγή: Sumitomo

Η τεχνογνωσία στην μαζική παραγωγή υψηλής ποιότητας υλικού, η ηγεσία στην παραγωγή InGaAsP, και οι επιχειρηματικές συνδέσεις που προέρχονται από το ότι αποτελεί μέρος ενός sōgō shōsha / γενικής εμπορικής εταιρείας, θα εξασφαλίσουν ότι η Sumitomo Electric Industries θα είναι ένας από τους κύριους ωφελούμενους της μαζικής υιοθέτησης των θερμοφωτοβολταϊκών.

Η ανάπτυξη θα είναι επίσης ευνοϊκή για τις τηλεπικοινωνίες (ψηφιοποίηση, AI) και τα συναφή προϊόντα των ηλεκτρικών οχημάτων (κάλματα, καλώδια), που και οι δύο είναι εκρηκτικούς τομείς.