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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

    东电云网讯,东电云获悉,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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