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

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。