中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：一罐冰或熱水能夠成為電池嗎？是的！如果電池是一種儲(chǔ)存能量的設(shè)備，那么儲(chǔ)存熱水或冷水來(lái)為建筑供暖或?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)提供動(dòng)力是一種不同類型的能量?jī)?chǔ)存方式。這種被稱為蓄熱儲(chǔ)能的技術(shù)已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間了，但經(jīng)常被忽視。現(xiàn)在，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正齊心協(xié)力，將蓄熱儲(chǔ)能提升到一個(gè)新的水平。
為了克服傳統(tǒng)水基蓄熱儲(chǔ)能的一些局限性，伯克利實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在研究開發(fā)下一代材料和系統(tǒng)，用于加熱或冷卻介質(zhì)。他們還創(chuàng)建了一個(gè)分析成本的框架，以及一個(gè)比較節(jié)省成本的工具。在今年發(fā)表的一系列論文中，伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究人員報(bào)告了這些領(lǐng)域的重要進(jìn)展。
伯克利實(shí)驗(yàn)室能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室副主任拉維·普拉舍(Ravi Prasher)說(shuō)，“建筑脫碳非常具有挑戰(zhàn)性，特別是用于供暖。但是，如果你以最終使用的形式儲(chǔ)存能量，也就是熱量，而不是以電的形式儲(chǔ)存能量，那么節(jié)省的成本將是非常有吸引力的。現(xiàn)在有了我們開發(fā)的框架，就可以權(quán)衡熱能存儲(chǔ)與電存儲(chǔ)(例如鋰電池)的成本，這在以前是不可能的。”
在美國(guó)，建筑物占總能源消耗的40%。其中，幾乎一半用于熱負(fù)荷，包括空間加熱和冷卻以及水的加熱和制冷。換句話說(shuō)，我們產(chǎn)生的所有能量的五分之一用于建筑物的熱負(fù)荷。到2050年，隨著天然氣的逐步淘汰和越來(lái)越多的電力供暖，熱負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的需求預(yù)計(jì)將大幅增加。伯克利實(shí)驗(yàn)室熱能小組負(fù)責(zé)人蘇曼吉特·考爾(Sumanjeet Kaur)表示，這將緩解對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能的一些需求，并將電池釋放出來(lái)，用于無(wú)法使用熱儲(chǔ)能的地方。
可行的、經(jīng)濟(jì)的電池替代品
隨著我們的社會(huì)繼續(xù)電氣化，電池存儲(chǔ)能量的需求將是巨大的。預(yù)計(jì)到2030年，電池年產(chǎn)量將從目前的不足0.5太瓦時(shí)(TWh)達(dá)到2至10太瓦時(shí)(TWh)。
在可預(yù)見的未來(lái)，鋰離子電池作為主要的電儲(chǔ)能載體，一個(gè)關(guān)鍵的制約因素是原材料的供應(yīng)有限，包括鋰、鈷和鎳，這些當(dāng)今鋰電池的基本成分。盡管伯克利實(shí)驗(yàn)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(chǔ)技術(shù)。
普拉舍表示，鋰電池目前在原材料供應(yīng)方面面臨巨大壓力。“我們相信，蓄熱儲(chǔ)能可以是一種可行的、可持續(xù)的、具有成本效益的替代其他形式的能源儲(chǔ)存形式。蓄熱儲(chǔ)能可以在一定規(guī)模上進(jìn)行部署，包括在單獨(dú)的建筑物中——比如在你的家中、辦公室或工廠——或者在社區(qū)級(jí)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(chǔ)”，如使用沙子或巖石來(lái)存儲(chǔ)熱能。然而，這些方法需要大量的空間，這限制了它們對(duì)住宅的適用性。
從液體變成固體，再變回來(lái)
為了克服這個(gè)限制，科學(xué)家們開發(fā)了高科技材料來(lái)儲(chǔ)存熱能。例如，相變材料在相變時(shí)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(yīng)用，包括電池的熱管理(防止他們太熱或太冷)，先進(jìn)的紡織品(衣服可以自動(dòng)保溫或者變得涼爽)，和干式冷卻電廠(節(jié)約用水)。
在建筑中，相變材料可以添加到墻壁上，充當(dāng)建筑的熱電池。當(dāng)環(huán)境溫度上升到材料熔點(diǎn)以上時(shí)，材料發(fā)生相變并吸收熱量，從而使建筑降溫。相反，當(dāng)溫度降至熔點(diǎn)以下時(shí)，材料會(huì)發(fā)生相變并釋放熱量。然而，相變材料的一個(gè)問題是，它們通常只能在一個(gè)溫度范圍內(nèi)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(shí)驗(yàn)室著手解決這個(gè)問題，并實(shí)現(xiàn)了所謂的動(dòng)態(tài)溫度可調(diào)性。
在最近發(fā)表在《Cell Reports Physical Science》上的一項(xiàng)研究中，研究人員首次實(shí)現(xiàn)了相變材料的動(dòng)態(tài)可調(diào)性。他們的突破性方法使用了離子和一種獨(dú)特的相變材料，這種材料將蓄熱儲(chǔ)能和電能儲(chǔ)存結(jié)合在一起，所以它可以儲(chǔ)存和供應(yīng)熱量和電能。
應(yīng)用能源材料小組組長(zhǎng)、該研究的共同通訊作者劉高(音譯)說(shuō)，這項(xiàng)新技術(shù)確實(shí)是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗鼘崮芎碗娔芙Y(jié)合到一個(gè)設(shè)備中。它的功能就像一個(gè)熱電電池。此外，由于能夠根據(jù)不同的環(huán)境溫度調(diào)整材料的熔點(diǎn)，這種能力增加了熱存儲(chǔ)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(bǔ)充說(shuō)：“從更宏觀的角度來(lái)看，這有助于降低儲(chǔ)能成本，因?yàn)楝F(xiàn)在同樣的材料可以全年使用，而不是只能用半年。在大規(guī)模的建筑建設(shè)中，這種熱電儲(chǔ)能結(jié)合的能力將允許這種材料存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)太陽(yáng)能或風(fēng)能產(chǎn)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(chǔ)能成本的框架
剛剛發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》(Energy and Environmental Science)上的研究，開發(fā)了一個(gè)框架，可以直接比較電池和熱能存儲(chǔ)的成本，這在以前是不可能的。考爾說(shuō)，這確實(shí)是一個(gè)很好的框架，讓人們把電池和蓄熱儲(chǔ)能進(jìn)行比較。在這之前，如果有人來(lái)問我，我應(yīng)該安裝Powerwall(特斯拉鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng))還是熱能存儲(chǔ)，我沒有辦法進(jìn)行比較。
這個(gè)框架為人們提供了一種理解存儲(chǔ)成本的簡(jiǎn)易方法。該框架由美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy Laboratory)和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人員共同開發(fā)，考慮了生命周期成本。例如，熱系統(tǒng)安裝的資金成本較低，熱系統(tǒng)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(lái)自：每日太陽(yáng)能 全球儲(chǔ)能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）
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