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这项储能技术获得2022欧盟最佳创新奖 比锂离子电池便宜40倍

2023-01-18 09:45来源:环球零碳关键词:储能技术电化学储能热储能收藏点赞

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摘要:以硅和硅铁合金为介质的热储能,可以每千瓦时不到4欧元的成本储存能量,这比目前的固定式锂离子电池便宜100倍。在加入容器和保温层后,总成本会可能每千瓦时10欧元左右,比每千瓦时400欧元的锂电池便宜很多。

发展可再生能源,建设新型电力系统,配套储能是一道必须翻越的坎。

电力的即发即用性与光电、风电等可再生能源发电的波动性,使得电力的供需有时会产生错配。在当前,这种调节可用煤电和天然气发电或水电来调配,以达到电力的稳定性和灵活性。但在未来,随着化石能源的退出和可再生能源的增加,廉价而高效的储能配置是关键。

储能技术主要分为物理储能、电化学储能、热储能和化学储能等。像机械储能、抽水蓄能等都属于物理储能技术,这种储能方式价格比较低,转化效率比较高,但工程比较大、受地理位置约束,建设周期也很长,仅靠抽水蓄能难以适应可再生能源电力调峰需求。

目前比较流行的是电化学储能,也是全球增速最快的新型储能技术电化学储能主要以锂离子电池为主,截至2021年底,全球新型储能的累计装机规模超过2500万千瓦,其中锂离子电池市场份额达到90%。这得益于电动汽车的大规模发展,为锂离子电池为主的电化学储能提供了大规模的商业化应用场景。

但锂离子电池储能技术作为一种汽车电池问题不大,但要配套电网级的长时储能,会存在很多问题。一个是安全和成本问题,大规模叠加锂离子电池,成本会成倍增加,热量积聚导致的安全也是巨大隐患。另一个就是锂资源非常有限,电动车已经不够用了,长时储能的需要更满足不了。

如何解决这些现实而紧迫的问题?现在很多科学家把目光瞄向了热储能技术。相关技术和研究日益取得突破。

2022年11月,欧盟委员会公布了“欧盟2022年创新雷达奖”获奖项目,其中西班牙马德里理工大学团队开发的“阿马德乌斯” (AMADEUS)电池项目获得2022年欧盟最佳创新奖。

“阿马德乌斯”是一个革命性的电池模型。这个旨在从可再生能源中储存大量能量的项目被欧盟委员会评选为2022年最佳发明之一。

这种由西班牙科学家团队设计的电池以热能形式,储存了在太阳能或风能高产时产生的过剩能量。这些热量被用于加热一种材料(该项目研究的是硅合金)至1000多摄氏度。该系统内含一个热光伏板朝内的特殊容器,在用电需求高企时能够释放部分储能。

研究人员打了一个比方来解释这个过程:“这就像把太阳装进盒子里。”他们的计划可能会彻底革新能源储存。它具有实现这一目标的巨大潜力,并成为应对气候变化的关键因素,这使“阿马德乌斯”项目在提交的300多个项目中脱颖而出,荣获欧盟最佳创新奖。

欧盟创新雷达奖组织方解释说:“有价值的点在于提供了一套能够长期储存大量能源的廉价系统,它具有高能量密度、高整体效能,使用的还是充足且低成本的材料。它是一个模块化系统,应用广泛,能够按需提供清洁的热能和电力。”

那么,这项技术到底是怎么工作的?未来应用场景和商业化前景如何?

1 把电储存成热能,再用热发电

在“阿马德乌斯”项目的背后,是马德里理工大学团队超过十年的潜心研究。研究人员曾在2019年组装了“盒中太阳”的第一个原型。

最近,在《焦耳》杂志上发表的一篇论文描述了这一系统工作过程。

简单一点说,这个系统利用间歇性可再生能源(如太阳能或风能)的多余发电量来熔化廉价金属,如硅或硅铁合金,温度高于1000℃。硅合金在其聚变过程中可以储存大量的能量。

这种类型的能量被称为 "潜热"。例如,一升硅(大概2.5公斤)以潜热的形式储存了超过1千瓦时(即1度电)的能量,这正好是一升氢气在500帕压力下所包含的能量。然而,与氢气不同,硅可以在大气压力下储存,这使该系统可能更便宜和更安全。

该系统的一个关键是将储存的热量如何转化为电能。当硅在超过1000ºC的温度下熔化时,它就像太阳一样闪闪发光。因此,这时可使用光伏电池将辐射的热量转化为电能。

所谓的热光伏发电机就像微型的光伏装置,可以产生比传统太阳能发电厂多100倍的能量。换句话说:如果一平方米的太阳能电池板产生200瓦,一平方米的热光伏电池板则产生20千瓦。而且不仅是功率,转换效率也更高。热光伏电池的效率在30%至40%之间,这取决于热源的温度。相对而言,商业光伏太阳能电池板的效率在15%和20%之间。

使用热光伏发电机,而不是传统的热引擎,避免了使用移动部件、流体和复杂的热交换器。通过这种方式,整个系统可以做到经济、紧凑和无噪音。

根据该研究,潜热式热光伏电池可以储存大量剩余的可再生电力。

领导该项目的研究员Alejandro Datas说:“这些电力的很大一部分将在风光发电有剩余的时候产生,因此它将在电力市场上以非常低的价格出售。将这些富余电力储存在一个非常便宜的系统中是至关重要的。以热的形式储存剩余的电力是非常有意义的,因为它是最便宜的储存能源的方式之一。”

2 比锂离子电池便宜40倍

特别是,硅和硅铁合金可以每千瓦时不到4欧元的成本储存能量,这比目前的固定式锂离子电池便宜100倍。在加入容器和保温层后,总成本会更高。但是,根据该研究,如果系统足够大,通常超过10兆瓦时,将有可能达到每千瓦时10欧元左右的成本,因为隔热的成本将是系统总成本的一小部分。但锂电池的成本目前是每千瓦时400欧元左右。

这个系统面临的一个问题是,只有一小部分储存的热量被转换回电力,在这个过程中,转换效率是多少?剩余的热能怎么利用,是关键的问题。

但团队的科研人员认为,这些不是问题,如果系统足够便宜,只需以电力的形式回收30-40%的能量,就足以使它们优于其他更昂贵的技术,如锂离子电池。

此外,剩余的60-70%没有转化为电力的热量,可以直接输送到建筑物、工厂或城市,减少煤炭和天然气消耗。

热量占全球能源需求的50%以上,占全球二氧化碳排放量的40%。这样一来,将风能或光伏能源储存在潜热的热光伏电池中,不仅可以节省大量成本,而且还可以通过可再生资源满足市场巨大的热能需求。

3 面临的挑战和未来前景

马德里理工大学团队设计的热光伏新型储热技术,采用硅合金材料,在材料成本、储热温度、储能时长方面的优势值得期待。硅是地壳中第二丰富的元素,每吨硅砂的成本仅为30—50美元,为熔盐材料的1/10。此外,硅砂颗粒的储热温差比熔盐高得多,工作温度最高可达1000摄氏度以上,更高的工作温度也有助于提升光热发电系统的整体能效。

并非只有达塔斯的团队看中热光伏电池的潜力。他们有两个劲敌:享誉盛名的麻省理工学院和加州初创公司安托拉能源公司。后者侧重于研发重工业(化石燃料消耗大户)所用的大型电池,并于今年2月获得5000万美元来完成研究,比尔·盖茨的突破能源基金提供了部分投资基金。

麻省理工学院的研究人员称,他们的热光伏电池模型已经能够重新利用40%用于加热原型电池内部材料的能量。他们解释说:“这为热能储存最大限度提效降本创造了一种路径,使电网脱碳化成为可能。”

马德里理工大学的项目尚未能测量出它能恢复多少百分比的能量,但有一个方面优于美国的模型。领导该项目的研究员Alejandro Datas解释说:“为了达到这种效率,麻省理工学院的项目必须将温度升至高达2400度。我们的电池在1200度下工作。在这种温度条件下,效率会比他们的低一些,但我们碰到的隔热问题要少得多,毕竟在2400度下储存材料而不造成热量损失是非常棘手的。”

当然,这技术在进入市场之前,仍然需要大量的投资。目前的实验室原型的储能能力不到1千瓦时,但要使这项技术盈利,需要超过10兆瓦时的储能容量。因此,下一个挑战是扩大该技术的规模,并大规模地测试其可行性。为了做到这一点,马德里理工大学的研究人员已经在组建团队,使之成为可能。


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