中國儲能網訊：一罐冰或熱水能夠成為電池嗎？是的！如果電池是一種儲存能量的設備，那么儲存熱水或冷水來為建筑供暖或為空調系統提供動力是一種不同類型的能量儲存方式。這種被稱為蓄熱儲能的技術已經存在很長時間了，但經常被忽視。現在，勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家們正齊心協力，將蓄熱儲能提升到一個新的水平。
為了克服傳統水基蓄熱儲能的一些局限性，伯克利實驗室的科學家們正在研究開發下一代材料和系統，用于加熱或冷卻介質。他們還創建了一個分析成本的框架，以及一個比較節省成本的工具。在今年發表的一系列論文中，伯克利實驗室的研究人員報告了這些領域的重要進展。
伯克利實驗室能源技術實驗室副主任拉維·普拉舍(Ravi Prasher)說，“建筑脫碳非常具有挑戰性，特別是用于供暖。但是，如果你以最終使用的形式儲存能量，也就是熱量，而不是以電的形式儲存能量，那么節省的成本將是非常有吸引力的。現在有了我們開發的框架，就可以權衡熱能存儲與電存儲(例如鋰電池)的成本，這在以前是不可能的。”
在美國，建筑物占總能源消耗的40%。其中，幾乎一半用于熱負荷，包括空間加熱和冷卻以及水的加熱和制冷。換句話說，我們產生的所有能量的五分之一用于建筑物的熱負荷。到2050年，隨著天然氣的逐步淘汰和越來越多的電力供暖，熱負荷對電網的需求預計將大幅增加。伯克利實驗室熱能小組負責人蘇曼吉特·考爾(Sumanjeet Kaur)表示，這將緩解對電化學儲能的一些需求，并將電池釋放出來，用于無法使用熱儲能的地方。
可行的、經濟的電池替代品
隨著我們的社會繼續電氣化，電池存儲能量的需求將是巨大的。預計到2030年，電池年產量將從目前的不足0.5太瓦時(TWh)達到2至10太瓦時(TWh)。
在可預見的未來，鋰離子電池作為主要的電儲能載體，一個關鍵的制約因素是原材料的供應有限，包括鋰、鈷和鎳，這些當今鋰電池的基本成分。盡管伯克利實驗室正積極致力于解決這一問題，但也需要替代形式的能源存儲技術。
普拉舍表示，鋰電池目前在原材料供應方面面臨巨大壓力。“我們相信，蓄熱儲能可以是一種可行的、可持續的、具有成本效益的替代其他形式的能源儲存形式。蓄熱儲能可以在一定規模上進行部署，包括在單獨的建筑物中——比如在你的家中、辦公室或工廠——或者在社區級別。”
雖然最常見的熱能形式是使用裝有熱水或冷水的大水箱，但還有其他類型的所謂“顯熱存儲”，如使用沙子或巖石來存儲熱能。然而，這些方法需要大量的空間，這限制了它們對住宅的適用性。
從液體變成固體，再變回來
為了克服這個限制，科學家們開發了高科技材料來儲存熱能。例如，相變材料在相變時吸收和釋放能量，比如從液體到固體再回到液體。相變材料有許多潛在的應用，包括電池的熱管理(防止他們太熱或太冷)，先進的紡織品(衣服可以自動保溫或者變得涼爽)，和干式冷卻電廠(節約用水)。
在建筑中，相變材料可以添加到墻壁上，充當建筑的熱電池。當環境溫度上升到材料熔點以上時，材料發生相變并吸收熱量，從而使建筑降溫。相反，當溫度降至熔點以下時，材料會發生相變并釋放熱量。然而，相變材料的一個問題是，它們通常只能在一個溫度范圍內工作。這意味著夏季和冬季將需要兩種不同的材料，這增加了成本。伯克利實驗室著手解決這個問題，并實現了所謂的動態溫度可調性。
在最近發表在《Cell Reports Physical Science》上的一項研究中，研究人員首次實現了相變材料的動態可調性。他們的突破性方法使用了離子和一種獨特的相變材料，這種材料將蓄熱儲能和電能儲存結合在一起，所以它可以儲存和供應熱量和電能。
應用能源材料小組組長、該研究的共同通訊作者劉高(音譯)說，這項新技術確實是獨一無二的，因為它將熱能和電能結合到一個設備中。它的功能就像一個熱電電池。此外，由于能夠根據不同的環境溫度調整材料的熔點，這種能力增加了熱存儲潛力。這將大大提高相變材料的利用率。蘇曼吉特·考爾(Sumanjeet Kaur)也是這篇論文的合著者，他補充說：“從更宏觀的角度來看，這有助于降低儲能成本，因為現在同樣的材料可以全年使用，而不是只能用半年。在大規模的建筑建設中，這種熱電儲能結合的能力將允許這種材料存儲現場太陽能或風能產生的多余電力，以滿足熱(加熱和冷卻)和電力需求。”
相變材料原理圖
比較儲能成本的框架
剛剛發表在《能源與環境科學》(Energy and Environmental Science)上的研究，開發了一個框架，可以直接比較電池和熱能存儲的成本，這在以前是不可能的。考爾說，這確實是一個很好的框架，讓人們把電池和蓄熱儲能進行比較。在這之前，如果有人來問我，我應該安裝Powerwall(特斯拉鋰電池儲能系統)還是熱能存儲，我沒有辦法進行比較。
這個框架為人們提供了一種理解存儲成本的簡易方法。該框架由美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory)和橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人員共同開發，考慮了生命周期成本。例如，熱系統安裝的資金成本較低，熱系統的壽命通常為15到20年，而電池通常需要在8年后就要更換。
（原文來自：每日太陽能 全球儲能網、新能源網綜合）
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