Mga Heat Battery na Mabilis na Umuunlad nang Hindi Kailangan ng Pagmimina ng mga Metal

Large-Scale Energy Storage Needed

May lumalaking pangangailangan para sa mga sistema ng baterya na kayang mag-imbak ng maraming enerhiya sa loob ng ilang oras o araw. Ito ay dahil ang solar at hangin ay hindi palagian, nagbabago-bago sa buong araw at araw-araw.

Isa pang salik ay ang pangangailangan ng enerhiya ng mga industriyal na proseso, tulad ng metalurhiya. Kailangan ng mga pabrika ang kuryente 24/7, karaniwang upang lumikha ng malaking init sa saklaw na 1,000-1,500°C.

Ang paggamit ng lithium-ion na baterya tulad ng sa mga EV ay malamang na hindi maging solusyon na epektibo sa malakihang sukat. Sobrang mahal ito, hindi sapat ang tibay, at kumukonsumo ng napakaraming hilaw na materyales.

Kaya’t maraming iba’t ibang alternatibong kimika ng baterya ang kinonsidera para sa utility-scale na pag-imbak ng enerhiya. Tinutukoy namin ang karamihan sa mga opsyon na ito sa aming artikulo “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“, kabilang ang lithium-iron-phosphate, sodium-ion, redox-flow, iron-air, molten metal, nickel-hydrogen, sodium-sulfur, atbp.

Lahat ng mga bateryang ito ay nag-iimbak ng enerhiya sa anyo ng kuryente sa isang paraan o iba pa, karaniwang sa pamamagitan ng oksidasyon at reduksyon ng isang metal.

Ang isyu ay kahit na mga karaniwang metal tulad ng bakal o aluminyo ay nangangailangan pa rin ng napakaraming pagmimina. Paano kung mag-imbak tayo ng enerhiya sa ibang anyo?

Storing Heat

May nakakagulat na maraming opsyon para sa pag-imbak ng enerhiya nang hindi gumagamit ng kuryente bilang paraan ng imbakan. Tiningnan namin ang mga ito nang mas detalyado sa “Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition“. Kabilang sa mga opsyon na ito ang:

• Compressed air.
• Gravity batteries (rocks, pumped hydro).
• Heat batteries.
• Flywheels.
• Thermal solar.

Ang bawat isa sa mga opsyon na ito, baterya man o hindi, ay may mga kalamangan at kahinaan. Ang perpektong solusyon sa pag-imbak ng enerhiya ay dapat tumugma sa ilang katangian:

• Walang pangangailangan ng metal at mga bihirang materyales.
• Mahabang tagal ng pag-imbak ng enerhiya.
• Mababang gastos.
• Madaling iskalang walang limitasyon sa magagamit na mga site o mapagkukunan.
• Maaaring gamitin bilang kuryente na may kaunting pagkawala.

Para sa unang 4/5 na item, ang pag-imbak ng init ay akma. Ang mga sand battery, tulad ng sa Finnish na kumpanyang Polar Night Energy, ay maaaring mag-imbak ng labis na enerhiya mula tag-init papuntang taglamig, isang pangangailangan para sa pagpapagana gamit ang renewable sa mga sistema ng pag-init sa napakalamig at walang sikat na taglamig ng Hilaga. At gumagamit lamang ito ng mababang kalidad na buhangin at kaunting metal para sa balangkas at tubo.

Pinagmulan: Polar Night Energy

Isang katulad na heat battery ang iniisip ng Rondo Energy, na may mga ladrilyo na maaaring painitin hanggang 1500°C, gamit ang init para sa mga industriyal na proseso tulad ng paggawa ng semento o bakal.

Ang mga heat battery na ito ay mahusay kapag ang nais na produkto ay pinainit na mula pa sa simula, maging ito man ay district heating para sa mga apartment o industriyal na init.

Pinagmulan: Rondo Energy

Gayunpaman, inisip na ang mga heat battery ay hindi angkop para magbigay ng enerhiya sa grid, dahil ang kahusayan ng pag-convert ng init pabalik sa kuryente ay karaniwang nasa mababang 20-30% na saklaw. Ibig sabihin, hanggang 4/5 ng “naiimbak” na enerhiya ay nawawala. O, sa ibang salita, ang naiimbak na enerhiya ay biglang 5 beses na mas mahal kaysa noong ito ay ginawa.

Kahit na ang enerhiya mula sa araw ay kasalukuyang katumbas na ng enerhiya mula sa fossil fuel, malayo pa rin ito sa pagiging limang beses na mas mura. Subalit, maaaring pansamantala lamang ang isyung ito, dahil sa inobasyon sa teknolohiyang tinatawag na thermophotovoltaics.

Thermophotovoltaic Cells – Photovoltaics, But With Heat

Ang thermophotovoltaics ay ang ideya ng paglikha ng kuryente sa katulad na paraan ng tradisyonal na photovoltaics ngunit gamit ang init sa halip na sikat ng araw — o, mas tiyak, infrared na ilaw na inilalabas ng mga pinainit na materyales.

Sa tradisyonal na photovoltaic panel, anumang frequency ng ilaw na mas mababa sa isang tiyak na threshold ay hindi sapat ang enerhiya upang lumikha ng kuryente at nasasayang. Ganito ang kaso para sa lahat ng infrared na ilaw, dahil ang mga electromagnetic wave ng infrared ay napakababa ng enerhiya.

Hindi ito bagong teknolohiya, ngunit palaging nahihirapan ito dahil sa napakababang antas ng kahusayan upang maging malawak na ginagamit. Ito ay totoo hanggang sa kamakailang tagumpay ng mga mananaliksik sa University of Michigan, na inilathala ang kanilang resulta sa isang siyentipikong publikasyon na pinamagatang “High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells“.

Ipinahayag nila na nakamit nila ang rekord na 44% na kahusayan para sa mga temperatura na mas mababa sa 1,500°C, na mas mataas kaysa sa mga naunang resulta na umabot lamang sa 37%.

At naniniwala ang mga mananaliksik na mayroon silang paraan upang maabot ang 50% “sa hindi gaanong malayong hinaharap”.

Pinagmulan: Cell

How Do Thermophotovoltaic Cells Work?

Una, ang materyal na iniimbak, na maaaring bato, buhangin, carbon, ladrilyo, keramika, atbp., ay kailangang painitin, alinman sa labis na kuryente mula sa renewable o direktang init ng araw.

Sa 1435°C, humigit-kumulang 20-30% ng mga infrared photon na ilalabas nito ay may sapat na enerhiya upang lumikha ng kuryente sa thermophotovoltaic cells ng pangkat ng mananaliksik.

Pinagmulan: Design Boom

Ang iba pang mga infrared frequency ay hindi maaaring i-convert sa kuryente gamit ang semiconductor na ginamit sa thermophotovoltaics panel.

Kaya, paano nila naabot ang 44% mula roon? Ang mapanlikhang “trick” ay ang pagdaragdag ng manipis na patong ng hangin sa thermophotovoltaic cell sa kabila ng semiconductor at isang ginto na reflector sa kabila ng hangin.

Pinanatili nito ang mga photon na may tamang antas ng enerhiya na nakulong at handang lumikha ng kuryente. Ang iba ay ibabalik pabalik sa pinainit na materyal, muling pinainit ito. Pagkatapos ay magkakaroon ulit ng pagkakataon na maipadala patungo sa thermophotovoltaic cell na may tamang frequency ng ilaw.

Sa esensya, pinapayagan nito ang selula na i-recycle ang hindi nito nahuli sa unang pagkakataon, na nagpapataas ng kabuuang kahusayan ng conversion.

Future Heat Batteries

Ang kahusayan na 44% o kahit 50% ay maaaring hindi mukhang kahanga-hanga kapag ikinumpara sa pumped hydro (70-85%) o lithium-ion na baterya (85-95%).

Pinagmulan: EESI

Ngunit ito ay magpapabaya sa katotohanang ang malawakang pag-deploy ng utility-scale na pag-imbak ng enerhiya ay kasinghalaga ng ekonomiya gaya ng teknolohiya.

Ang mga baterya ay may buhay na sinusukat sa mga taon bago kailanganin ang pag-recycle. Wala rin talagang sapat na lithium at mas kaunti pang copper, nickel, o cobalt upang i-deploy ito sa ganitong sukat, lalo na kapag ang karamihan ng produksyon ng metal ay kinakailangan na para sa mga EV.

Sa kabaligtaran, ang mga heat battery ay maaaring tumagal ng dekada nang kaunti o walang maintenance. Halos wala silang kinakailangang materyales maliban sa bato, buhangin, o luwad. Maaari silang itayo kahit saan at anumang sukat, kahit napakalaki, na halos walang epekto sa mga ekosistema, kabaligtaran ng hydroelectric.

Sa huli, ang init ay isa sa mga pinakaepektibong paraan kapag kailangang i-imbak ang enerhiya sa loob ng linggo o buwan, kung saan halos lahat ng uri ng baterya ay “nag-leak” ng kuryente sa paglipas ng panahon nang mas mabilis kaysa sa isang maayos na nakahiwalay na heat storage system.

“Ito ay isang anyo ng baterya, ngunit isa na napaka-pasibo. Hindi mo kailangang magmina ng lithium tulad ng sa mga electrochemical cell, na nangangahulugang hindi mo kailangang makipagkumpetensya sa merkado ng electric vehicle.

Hindi tulad ng pumped water para sa hydroelectric energy storage, maaari mo itong ilagay kahit saan at hindi kailangan ng mapagkukunan ng tubig malapit,”

Stephen Forrest, Propesor sa Unibersidad ng Electrical Engineering sa U-M

Kaya, sa pangkalahatan, ang heat battery ay maaaring maging perpektong solusyon sa pag-imbak ng enerhiya upang mapantay ang intermittency ng renewable. At maaari ring mag-imbak ng labis na enerhiya mula sa maulan o maaraw na mga buwan papuntang taglamig para sa mga temperate na klima, o papuntang tag-ulan para sa mga tropikal na klima.

Heat Storage / Thermophotovolatic Companies

1. II-VI Marlow / Coherent

Ang II-VI (COHR ) Marlow ay isang sangay ng II-VI Inc., isang nangungunang kumpanya sa (kasalukuyang maliit) larangan ng produksyon ng thermophotovoltaic cells. Noong 2022, nakuha ng II-VI Inc. ang laser manufacturer na Coherent Inc. (COHR ) at kalaunan ay binago ang pangalan ng kumpanya.

Ang kumpanya ay dalubhasa sa mga advanced na materyales na ginagamit sa lasers, optics, at photonics, tulad ng indium phosphide, epitaxial wafer, at gallium arsenide. Lumago ito nang malaki dahil sa maraming acquisition sa nakaraang dekada.

Pinagmulan: Coherent

Ang thermophotovoltaic na aktibidad ng kumpanya ay maliit lamang na bahagi ng kabuuang kita nito, kung saan ang optic fiber, laser, at iba pa ang bumubuo ng malaking bahagi ng kita. Maaaring ito ay magandang balita para sa mga mamumuhunan, dahil nangangahulugan din ito na may kapital ito upang mabilis na ilunsad ang bagong teknolohiya sa industriyal na sukat kung magbubukas ang inobasyon ng mga bagong merkado.

Pinagmulan: Coherent

Halimbawa, ang napakalaking merkado ng utility-scale storage para sa labis na renewable energy…

Habang sinasabi ng Michigan University na “nag-apply para sa proteksyon ng patent (…) at naghahanap ng mga kasosyo upang dalhin ang teknolohiya sa merkado“, hindi nakakagulat kung ang isang kumpanya tulad ng Coherent ang magiging dalubhasa sa pagpapakilala ng mga bagong thermophotovoltaic cells sa merkado. Lalo na dahil sa kanilang naunang kadalubhasaan sa industriyal na produksyon ng thermophotovoltaics at katulad na advanced na materyales.

2. Sumitomo Electric Industries (SMTOY)

Ang mga thermophotovoltaic cell na ginamit ng mga mananaliksik ng Michigan University ay ginawa gamit ang InGaAsP (indium gallium arsenide phosphide).

“Kaya’t iniimbestigahan namin kung ang pag-translate ng air-bridge architecture mula ternary patungo sa quaternary group III–V absorbers (InGaAsP lattice matched to InP substrates) ay maaaring mapabuti ang kahusayan sa loob ng target na saklaw ng temperatura ng emitter.”

Kung magiging standard na format ang teknolohiyang ito para sa utility-scale na pag-imbak ng enerhiya, kakailanganin natin ang InGaAsP, at marami nito.

Kaya’t may katuturan sa senaryong ito na tumaya sa kumpanyang nanatiling nangunguna sa loob ng 30 taon sa produksyon ng InGaAsP, ang Japanese conglomerate na Sumitomo.

Sa loob ng higit sa 30 taon, ang Semiconductor Division ng Sumitomo Electric ay nanatiling nangunguna bilang pinakamalaking tagagawa sa mundo ng gallium arsenide (GaAs) at indium phosphide (InP).

Naging sinonimo ang pangalang Sumitomo sa kalidad sa mga III-V na materyales. Nakamit ng Sumitomo Electric ang reputasyong ito sa pamamagitan ng pagbibigay sa mga global na kliyente nito ng mga superior-quality na substrate na nagreresulta sa mas mataas na yield at mga device na may pare-parehong electrical characteristics.

Sumitomo Compound Semiconductor – Tungkol Sa Amin

Sumitomo Electric Industries, at ang compound semiconductors department, ay sangay ng mas malaking Sumitomo conglomerate, isa sa pinakamalaking sōgō shōsha (general trading companies) sa buong mundo.

Bukod sa InGaAsP, ang pangunahing gawain ng Sumitomo Electric Industries ay ang paggawa ng:

• Telecom equipment (optical fiber, 5G)
• Automotive wiring at high-power cables
• Electronics (flexible printed circuits, data wires, filtration membranes)
• High-quality materials (carbide, cutting tools, prestressing steel strand).

Pinagmulan: Sumitomo

Ang kadalubhasaan sa mass production ng mataas na kalidad na materyal, ang pamumuno sa produksyon ng InGaAsP, at ang mga koneksyon sa negosyo na kaakibat ng pagiging bahagi ng isang sōgō shōsha / general trading company ay dapat magtiyak na ang Sumitomo Electric Industries ay magiging isa sa mga pangunahing benepisyaryo ng malawakang pag-aampon ng thermophotovoltaics.

Ang paglago ay dapat ding maging maganda para sa telecom (digitalization, AI) at mga produktong kaugnay ng EVs (cables, wiring), na parehong umuunlad na sektor.