O echipă de ingineri din Finlanda a creat o baterie termică genială, care mută nisip dintr-o parte în alta în timpul încărcării şi descărcării

Scandinavii şi finlandezii în mod special sunt foarte buni în a gestiona sisteme de energie termică în moduri eficiente şi inovative. Clima arctică i-a motivat şi învăţat de-a lungul anilor să caute soluţii, tehnologii şi proprietăţi care să le permită elaborarea unor sisteme mai inteligente şi mai eficiente în consum pentru a-şi asigura căldura dorită. Şi generarea căldurii, în multe regiuni ale lumii, e un consumator mai mare de energie decât producţia electricităţii, chiar dacă despre căldură se vorbeşte mult mai rar în termeni de energie regenerabilă decât despre electricitate. De curând, o echipă de ingineri din Finlanda, parte din start-up-ul The Storage, a creat prima baterie termică industrială, care mută nisip dintr-o parte în alta în timpul încărcării şi descărcării, iar principiul de funcţionare e genial de simplu şi fascinant în acelaşi timp.

Cititorii noştri fideli ar putea avea un pic efect de deja-vu la auzul subiectului unei baterii termice din Finlanda, care implică şi nisip, iar asta pentru că tot în Finlanda există o altă companie, numită Polar Night Energy, despre care noi am scris în 2022, apoi în 2024. Acea companie a dezvoltat propria tehnologie de baterie termică, dar există diferenţe majore în principiul de funcţionare. În versiunea iniţială a acelei tehnologii de la Polar Night Energy, bateria avea un rezervor cilindric izolat termic, umplut cu nisip, iar prin acel nisip din rezervor exista o reţea de rezistenţe electrice care să-l încălzească în procesul de încărcare, şi o reţea de conducte cu lichid în interior, care să preia ulterior căldura înapoi în procesul descărcării. Nisipul fusese ales pentru că e un izolator excelent şi poate stoca foarte eficient căldura în e, mai ales când e încălzit până la 600, 800 sau chiar 1.000 grade Celsius.

Foto: Bateria cu nisip al Polar Night Energy, din 2022

Apoi, în 2024, cei de la Polar Night Energy au dezvoltat mai departe tehnologia lor şi au construit şi prima baterie din viaţa reală, conectată la sistemul de încălzire centralizată a orăşelului Pornainen, cu circa 5.000 locuitori, din Finlanda. Principiul de funcţionare era acelaşi, cu conducte imense care înţesau conţinutul rezervorului cilindric imens şi rezistenţe electrice, doar că în loc de nisip, cilindrul imens a fost umplut cu 2.000 tone de steatit măcinat până la o consistenţă de praf.

Foto: Principiul de funcţionare al bateriei Polar Night Energy din 2024, cu steatit

Steatitul e o rocă se regăseşte în câteva regiuni din Finlanda şi are proprietăţi unice în conductivitate şi stocare termică, finlandezii considerând de sute de ani că acest material e unul perfect pentru sobe. Steatitul folosit la acea baterie termică uriaşă provenea ca deşeu de la fabrica Tulikivi, care produce cămine cu proprietăţi de retenţie de lungă durată a căldurii. În acele cămine se poate face focul o dată în zi, şi datorită proprietăţii acelei roci din care sunt făcute, ele rămân calde şi iradiază căldură practic 24 de ore. Iar bateria termică imensă construită de Polar Night Energy în Pornainen avea o capacitate de stocare de 100 MWh de căldură şi o putere de descărcare de 1 MW, bateria fiind conectată şi la un sistem inteligent de monitorizare a preţurilor la electricitate pe piaţă şi conectând „încărcarea” bateriei termice când preţurile sunt minime, profitând de ele.

Ei bine, bateria termică despre care vorbim azi are o diferenţă uriaşă în principiul său de funcţionare — ea nu foloseşte nisipul sau steatitul doar ca un mediu static de stocare şi de transfer de căldură, ci mută efectiv nisipul dintr-o parte în alta în procesul descărcării şi încărcării.

Există două rezervoare mari, unul destinat nisipului fierbinte şi altul pentru nisipul răcit. Când are loc încărcarea bateriei, nisipul rece începe a fi pompat prin conducte spre o zonă cu rezistenţe electrice şi transfer de căldură, nisipul trecând dinamic prin acea arie unde e înfierbântat la 800 grade acum şi la 1.000 grade Celsius în viitor. Acel nisip fierbinte e ulterior pompat mai departe spre rezervorul fierbinte, unde e prezent doar nisip fierbinte, rezervorul fiind izolat termic după principiul de termos, cu pereţi încapsulaţi în vacuum. Când tot nisipul e înfierbântat şi adus în acest rezervor, bateria poate fi considerată complet încărcată.

Foto: Schema de funcţionare a noii baterii cu nisip mobil

Când e nevoie de descărcare, nisipiul fierbinte e preluat din partea de jos şi pompat printr-o altă conductă spre un schimbător de căldură, unde acest nisip în mişcare încălzeşte un circuit de apă, generând abur industrial de sute de grade Celsius. După ce şi-a degajat căldura, nisipul fierbinte devine nisip răcit şi ajunge înapoi în primul rezervor.

Acest principiu permite ca încărcarea să aibă loc simultan cu descărcarea, or, dacă o parte din nisip e preluat pentru a genera abur, nimic nu împiedică între timp şi încălzirea nisipului folosit stocat în rezervorul rece. Dar acest principiu de simultaneitate e valabil şi la bateriile cu nisip static.

Marele beneficiu al nisipului în mişcare din această baterie e rata mult mai mare de transfer a căldurii care poate fi obţinută. La bateria cu steatit, menţionată mai sus, am menţionat că ea stochează 100 MWh, dar poate deja doar 1 MW putere, având nevoie de 100 ore pentru a transfera toată căldura stocată în circuitul de apă. Şi asta se întâmplă pentru că nisipul e un bun izolator şi tinde să nu asigure o bună conductivitate termică, deci zonele un pic mai depărtate de conducte îşi vor transfera încet căldura spre zonele mai apropiate de conducta care preia căldura, iar astfel degajarea căldurii din nisipul static în circuitul de conducte e mai lentă, şi nu poate fi mai rapidă din cauza proprietăţilor fizice.

Foto: Echipa de ingineri The Storage din Finlanda

Dacă nisipul e în mişcare, însă, trecând dinamic printr-un schimbător de căldură, atunci degajarea căldurii din el poate fi de 10 ori mai rapidă şi mai puternică, obţinându-se o putere de descărcare termică mult mai mare a acestei baterii, graţie mutării dinamice a nisipului. Asta ar permite ca o baterie de 100 MWh să poată avea o putere de descărcare de 10 MW, spre exemplu. Echipa de ingineri finlandezi au calibrat lucrurile în cel mai eficient mod posibil şi au ajuns la mai multe versiuni de scalare pe care le pot construi. Cea mai mică baterie termică are 1 MW putere şi 20 MWh stocare. Cea mai mare baterie pe care au conceput-o acum are 20 MW putere şi 500 MWh capacitate de stocare.

După cum putem observa, nu se foloseşte chiar potenţialul maxim de descărcare, de 1/10 din valoarea capacităţii, ci mai degrabă între 1/25 şi 1/20 din ea, iar asta e calibrarea despre care vorbeam, pentru a ajusta la maxim eficienţa în condiţiile în care produsul final de aici, din primele baterii, nu e apa caldă, ci aburul industrial mult mai fierbinte. Pentru ca nisipul în mişcare să poată reuşi încălzirea la temperaturile de sute de grade Celsius a aburului, debitul de nisip e ajustat pentru degajarea cea mai eficientă la temperatura necesară aburului. Dacă s-ar dori ca produsul final să fie apă caldă, chiar şi de 99 grade Celsius, atunci se pot face ajustări de debit de nisip şi arie a schimbătorului de căldură, astfel încât viteza de încălzire a apei să fie eventual mult mai mare, iar o baterie de 500 MWh stocare să poată fi ajustată pentru 40-50 MW putere. Cam asta e limita fizică maximă permisă de principiul nisipului în mişcare, însă calibrările exacte ale debitului de nisip şi aria schimbătorului de căldură sunt proiectate pentru eficienţă maximă în condiţiile exacte necesare bateriei, în acest caz pentru generarea de abur industrial.

O întrebare logică, ce ne poate apărea multora dintre noi, e cât de eficient ar fi sistemul şi dacă nu cumva mutarea nisipului dintr-o parte în alta creează rezistenţă prea mare, riscând şi înfundarea conductelor cu nisip? Ei bine, conductele trebuie construite de diametru mai mare şi tratate în esenţă ca şi conductele de beton şi mortar, fără coturi prea mari şi fără impedimente ce pot favoriza blocajele. Dar nisipul la temperaturi mari e ferit de umiditate şi atunci mutarea lui întâmpină o rezistenţă moderată, ceea ce-i permite bateriei să atingă 85-94% eficienţă pe întregul ciclu, la stocare de câteva ore şi 80-85% la stocare pe termen lung. E o cifră foarte bună, deci, mai ales la stocarea pe termen mai scurt.

Această primă baterie a fost construită la o berărie din Finlanda şi va asigura aburul industrial pentru procesul tehnologic al fabricii. Deci nu mai e un proiect pilot teoretic, ci o construcţie cât se poate de practică. Iar încărcarea ei va fi făcută cu electricitate din surse regenerabile locale când e disponibilă sau din reţea când condiţiile reţelei sunt cele mai favorabile. Şi, odată cu instalarea noii baterii tehnice, fabrica nu va mai trebui să ardă gaz sau alţi combustibil fosili pentru a-şi genera aburul industrial de care are nevoie.

Foto: Imagine din procesul de livrare şi construcţie a bateriei la fabrica din Finlanda