[論文レビュー] Technoeconomic Analysis of Thermal Energy Grid Storage Using Graphite and Tin

Colin C. Kelsall, Kyle Buznitsky+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2021

Advanced Battery Technologies Research参考文献 6被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、 sensible heat 儲蔵媒体としての黒鉛と、熱交換媒体としての溶融スズを用いた低コストで長時間運用可能なグリッドスケール熱エネルギー貯蔵システムを提案する。電力回収にはマルチジュンクション熱光電変換素子（TPV）を採用する。設計により予測されるエネルギー単位コスト（CPE）は15/kWhに達し、グリッド脱炭素化に向けた20/kWhの目標を満たす。黒鉛の低コストと高い比熱を活かすが、一定出力での放電を維持する課題がある。

ABSTRACT

Energy storage is needed to enable dispatchable renewable energy supply and thereby full decarbonization of the grid. However, this can only occur with drastic cost reductions compared to current battery technology, with predicted targets for the cost per unit energy (CPE) below $20/kWh. Notably, for full decarbonization, long duration storage up to 100 hrs will be needed at such low costs, and prior analyses have shown that in such high renewable penetration scenarios, CPE is more critical than other parameters such as round trip efficiency or cost per unit power when comparing the costs of different technologies. Here, we introduce an electricity storage concept that stores electricity as sensible heat in graphite storage blocks and uses multi-junction thermophotovoltaics (TPV) as a heat engine to convert it back to electricity on demand. This design is an outgrowth of the system proposed by Amy et al. in 2019, which has been modified here to use a solid graphite medium and molten tin as a heat transfer fluid rather than silicon as both. The reason for this is two-fold: (1) the CPE of graphite is almost 10X lower than that of silicon, which derives from the lower cost per unit mass (i.e., $0.5/kg vs. $1.5/kg) and the higher heat capacity per unit mass (2000 J/kg-K vs. 950 J/kg-K); and (2) the melting point tin and solubility of tin in graphite are much lower than that of silicon, which lessens the number of issues that have to overcome along the research and development pathway. The usage of graphite also eliminates the need for a second tank, but the main disadvantage of using a solid medium is that one cannot easily provide a steady discharge rate, as the power output from the storage will change with time, as the graphite cools during discharge. Thus, the objective of this work is to examine how these changes in the system design effect the overall technoeconomics.

研究の動機と目的

• グリッドスケール長時間エネルギー貯蔵に向け、黒鉛と溶融スズを用いた熱エネルギー貯蔵システムの技術的経済的実現可能性を評価すること。
• 完全なグリッド脱炭素化に向け、エネルギー貯蔵コストを20/kWh未満に抑えるという重要なニーズに対応すること。
• シリコンを黒鉛とスズに置き換えることで、コスト効率がどのように向上するか、ならびに熱的・材料的課題をどのように管理できるかを評価すること。
• 冷却に伴う黒鉛の固体化に起因する出力変動が、システムの経済的性能と性能に与える影響を分析すること。

提案手法

• 電気抵抗加熱により加熱された固体黒鉛ブロックに電力を sensible heat として貯蔵する。
• 高い熱伝導性と低い融点を活かし、溶融スズが黒鉛ブロック内を循環して熱を効率的に移動させる。
• 必要に応じて熱放射を直接電気に変換するマルチジュンクション熱光電変換素子（TPV）を用いて熱を回収する。
• 固体黒鉛を熱マスおよび構造材として併用することで、第二の貯蔵タンクの必要性を排除する。
• 材料費、システムサイズ、熱損失を考慮した技術的経済的モデルを構築し、エネルギー単位コスト（CPE）を推定する。
• 黒鉛-スズシステムを先行するシリコンベースの設計と比較し、質量当たりコストおよび比熱の利点に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 黒鉛と溶融スズを用いた熱エネルギー貯蔵システムの予測されるエネルギー単位コスト（CPE）はどの程度か？
• RQ2 シリコンを黒鉛とスズに置き換えることで、システムのコスト、効率、技術的実現可能性にどのような影響があるか？
• RQ3 冷却に起因する黒鉛の固体化に起因する出力変動が、システムの経済的パフォーマンスに及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 黒鉛-スズシステムは、グリッドスケールの脱炭素化に向けた目標である20/kWh未満のCPEを達成できるか？
• RQ5 長時間貯蔵用途において、黒鉛とスズの材料特性はシリコンと比較して、コストおよび熱的性能の面でどのように異なるか？

主な発見

• システムは予測されるエネルギー単位コスト（CPE）が15/kWhに達し、グリッド脱炭素化に向けた20/kWhの目標を満たす。
• 黒鉛の低コスト（1kgあたり0.5ドル、シリコンの1.5ドル/kgと比較）と高い比熱（2000 J/kg-K、シリコンの950 J/kg-Kと比較）がCPEの大幅な低減に寄与する。
• 溶融スズを熱交換媒体として用いることで、シリコンとの材料適合性の問題が軽減され、実現可能性が向上する。
• 固体黒鉛を用いることで、第二のタンクを不要とし、システム設計が簡素化され、資本コストが削減される。
• 冷却に起因する出力変動の課題があるものの、材料費が低いため、システムの経済的実現可能性は維持される。
• コストおよび技術的熟練度の観点から、先行するシリコンベースのシステムに比べ、本設計は顕著な改善を示している。