今年7月初,在芬蘭西南部偏遠(yuǎn)小鎮(zhèn)Kankaanpää的13000名居民見證了尋找全綠色能源的重要里程碑。

▲芬蘭沙電池儲熱系統(tǒng)
在Vatajankoski發(fā)電廠,芬蘭清潔技術(shù)公司Polar Night Energy(PNE)安裝了世界上第一個“沙電池”,這是一種可以一次將清潔能源儲存數(shù)月的熱能儲存設(shè)施。
這個裝滿沙子的儲罐主要使用來自太陽能和風(fēng)能的廉價(jià)電力加熱沙子,然后將熱量儲存在500°C左右,可用于在能源成本最高的冬季為當(dāng)?shù)亟ㄖ┡?br />
幾乎在同一時間,在向南1500公里處,睡眼惺忪的柏林潮人們目睹了一個幾乎相同的地標(biāo)項(xiàng)目:瑞典公用事業(yè)公司Vattenfall開始用5600萬升水填充一個45m高、200MW的儲熱設(shè)施,水將被加熱到98°C,作為Vattenfall現(xiàn)有的Reuter West熱電聯(lián)產(chǎn)廠的一部分,用于為城市供暖。
這些項(xiàng)目的建設(shè)預(yù)示著蓄熱行業(yè)的蓬勃發(fā)展——這只是眾多熱儲能解決方案中的個例,這些解決方案既競爭又合作,在清潔能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著重要而未被充分發(fā)揮的作用:為不穩(wěn)定的風(fēng)能和太陽能發(fā)電的可變性提供調(diào)節(jié)支持。
世界需要儲能技術(shù)
在意識到化石燃料對氣候造成的破壞后,世界正爭先恐后地轉(zhuǎn)向低碳能源,最佳的候選者是風(fēng)能和太陽能,但盡管近年來兩者在成本和性能方面都取得了長足的進(jìn)步,但仍然存在一個根本問題:風(fēng)并不總是在吹,太陽也不總是照耀。依賴這些波動資源的電網(wǎng)將難以匹配供需,而可再生能源往往會被浪費(fèi),因?yàn)樗偸窃诓恍枰臅r候被生產(chǎn)。
這個令人討厭的難題的主要解決方案之一是長時儲能(LDES)技術(shù)。它們通過在供應(yīng)超過需求時(例如在特別陽光明媚或刮風(fēng)的日子)積累能量并在相反的情況下(例如在夜間或冬季)釋放能量來發(fā)揮作用。
“LDES是任何可以部署長期儲存能量的技術(shù),并且可以擴(kuò)大規(guī)模以維持電力或熱量供應(yīng),持續(xù)數(shù)小時、數(shù)天甚至數(shù)周,并有可能為經(jīng)濟(jì)脫碳。”麥肯錫可持續(xù)發(fā)展電力與天然氣實(shí)踐高級專家Godart van Gendt解釋道,“能源存儲可以通過各種非常不同的方法來實(shí)現(xiàn),包括機(jī)械、熱、電化學(xué)或化學(xué)存儲等。”
世界上目前的LDES裝機(jī)容量中,94%來自抽水蓄能,其通過泵或渦輪機(jī)在上下兩個水庫之間輸送水以儲存或發(fā)電。然而,由于地理要求,特別是在山區(qū)較少的國家,全球可以安裝多少抽水蓄能是有限度的。
儲熱技術(shù)的成熟
柏林和Kankaanpää的試點(diǎn)項(xiàng)目中使用的儲熱技術(shù)通過將電能轉(zhuǎn)化為熱能,然后將熱存儲在隔熱罐內(nèi)的水或沙子等材料中。需要時,將熱量分配用于加熱目的或使用熱機(jī)將熱量轉(zhuǎn)化為電能。后一種轉(zhuǎn)換是通過熱力學(xué)循環(huán)完成的,與運(yùn)行冰箱、汽車發(fā)動機(jī)或熱電廠的物理原理相同。
“加熱可以使用不同的能源,如電力、氫氣或廢熱,”van Gendt補(bǔ)充道,“在能源系統(tǒng)脫碳的背景下,我們最??紤]使用多余的可再生電力,但相關(guān)解決方案的范圍要廣泛得多。”
在Kankaanpää,PNE表示其設(shè)施將在500°C下將沙子保持?jǐn)?shù)月。當(dāng)能源價(jià)格較高時,該設(shè)施會將熱空氣分配到區(qū)域供暖系統(tǒng)的溫水中,然后將其泵送到當(dāng)?shù)丶彝?、辦公室甚至游泳池周圍。
在柏林的這個水蓄熱項(xiàng)目一旦于2023年啟用,Vattenfall將直接將熱水供應(yīng)到區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)中。該設(shè)施還將整合來自其他工業(yè)過程的熱量,例如城市清潔部門或廢水產(chǎn)生的熱量。該水罐配備的最大熱輸出為200兆瓦,可放熱長達(dá)13小時,還可以連接其他可再生熱源,如大型熱泵。
與其他儲能技術(shù)相比,儲熱有幾項(xiàng)優(yōu)勢。
首先,轉(zhuǎn)換過程依賴于已廣泛用于電力和加工行業(yè)的傳統(tǒng)組件,例如熱交換器和壓縮機(jī),這意味著這些設(shè)施比許多替代方案更容易和更快地建造。
儲罐本身可以填充各種豐富且廉價(jià)的材料,例如礫石、熔鹽、水或沙子,與電池材料不同,這些材料不會對環(huán)境造成危害。
蓄熱工廠可以部署在任何地方,并且可以擴(kuò)大規(guī)模以滿足電網(wǎng)的存儲需求。其他LDES技術(shù)僅限于特定地區(qū):抽水蓄能需要能夠容納巨大水庫的山脈和山谷,而壓縮空氣儲能則依賴于大型地下洞穴。蓄熱還具有比抽水蓄能更大的能量密度(在給定體積中存儲的能量):例如,在100°C下儲存1kg的水可以提供的能量約等于1kg水在500m高度儲存再下降可釋放的能量。這意味著儲熱設(shè)施需要更少的空間,從而減少其環(huán)境足跡。
該技術(shù)經(jīng)久耐用,其組件無需更換即可有效運(yùn)行數(shù)十年。另一方面,電池會隨著時間的推移而退化,幾年時間就需要更換。最后,儲熱的成本在理論上似乎與其他存儲技術(shù)相比都更加具有優(yōu)勢,雖然在技術(shù)成熟并完全商業(yè)化之前,這一點(diǎn)還不能完全確定。
當(dāng)然,儲熱確實(shí)也有缺點(diǎn)。其整體電到電的轉(zhuǎn)化效率較低,僅約50%,在電-電場景下競爭力不足,相比之下,鋰離子電池為80-90%,抽水蓄能器為70-85%。此外,為了實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的預(yù)期價(jià)值,建設(shè)出相對高效的系統(tǒng),投資者和項(xiàng)目開發(fā)商目前可能需要承擔(dān)相對較大的前期資本支出,這可能是一個障礙,因?yàn)槠渲性S多技術(shù)仍處于研發(fā)和示范階段。
“電池可能是具有成本效益的存儲解決方案,但也只限于在短時儲能場景,最多可以放電幾個小時,儲熱則將在幾個小時到幾天之間的長時儲能市場具有競爭力。”Future Cleantech Architects專注于LDES的清潔技術(shù)分析師Pau Farrés說。
在儲熱領(lǐng)域,有看似無窮無盡的各種材料可用于儲存熱量,每種材料都有其利基應(yīng)用。“如果您設(shè)計(jì)的系統(tǒng)只是為了提供家庭供暖,您通常會使用熱水”Farrés說,“但如果你想提供電力,那么你通常必須采用需要不同材料的高溫系統(tǒng),一種常見的材料是熔鹽。這些系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)用于提供電力或熱量,但在特定應(yīng)用中可以定制它們以提供兩者。”
熔鹽(光熱發(fā)電用的太陽鹽)的溫度范圍很窄(它在220°C以下凝固并在620°C左右開始分解),成本適中,約為600-1000美元/噸。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)熱系統(tǒng)研發(fā)小組的研究員Davenport說:“它需要兩個熔鹽罐子并且受到鹽腐蝕的挑戰(zhàn)。另一方面,沙子的穩(wěn)定性范圍很廣,介于-20°C和1000°C之間,成本低于100美元/噸。但它的熱傳導(dǎo)很差,有助于保持系統(tǒng)絕緣,但對于較大的系統(tǒng),可能需要通過熱交換器移動顆粒。”
其他選擇包括潛熱相變材料、熱化學(xué)儲能、混凝土塊或巖石/土床等。然而,每種方法都有其自身的特殊挑戰(zhàn),例如有限的溫度范圍、高存儲成本、較差的熱響應(yīng)性或穩(wěn)定性問題——但每種方法都有其適當(dāng)?shù)膽?yīng)用。
“當(dāng)我們想到儲熱時,我們應(yīng)該問的主要問題是它可以提供什么溫度,”van Gendt說,“典型的工業(yè)應(yīng)用需要幾百攝氏度,而許多工業(yè)過程,例如水泥或鋼鐵的生產(chǎn),需要遠(yuǎn)高于1000度的溫度。好消息是有的蓄熱技術(shù)可以做到這一點(diǎn),而且該技術(shù)已經(jīng)可用。”
凈零的關(guān)鍵部分
正如Vattenfall和PNE最近的項(xiàng)目實(shí)踐所證明的那樣,儲熱正在從研發(fā)階段走出去,走向商業(yè)化。
在最近的另一個例子中,以色列的Brenmiller Energy正在用18.5MW/31.5MWh的蓄熱系統(tǒng)取代食品和煙草生產(chǎn)設(shè)施中的燃?xì)忮仩t,以滿足其100%的蒸汽需求——該項(xiàng)目展示了該技術(shù)如何作為一種可行的、大型的化石燃料的規(guī)模替代品。
國際上,蓄熱市場領(lǐng)域的主要參與者包括PNE、德國的Kraftblock、挪威的EnergyNest、Airthium(法國)、Antora(美國)、Azelio(瑞典)、Cheesecake Energy(英國)、Echogen(美國)、EnergyDome(意大利)、Highview Power(英國)、馬耳他(美國)、西門子歌美颯的ETES(德國)、Stiesdal(丹麥)和Stolect(法國)等代表性公司。
根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Allied Market Research的數(shù)據(jù),2020年儲熱市場價(jià)值208億美元,但預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到513億美元,從2021年到2030年的復(fù)合年增長率為8.5%。
“儲熱可能在凈零過渡中發(fā)揮非常重要的作用,”Davenport說,“為了讓各國實(shí)現(xiàn)100%的可再生電力,我們需要穩(wěn)定的分布式LDES系統(tǒng)來開始取代煤炭和燃?xì)獍l(fā)電廠等基本負(fù)荷發(fā)電系統(tǒng)。同時,我們還有其他能源不包括在電網(wǎng)系統(tǒng)中,比如交通和工業(yè)部門的用熱。蓄熱不適合像電力一樣傳輸,但非常適合在最終用能場景中取代傳統(tǒng)的供熱方式。”
熱能占全球最終能源需求的50%左右——在工業(yè)和建筑領(lǐng)域大約各占一半。目前大部分熱量由化石燃料提供。隨著脫碳進(jìn)程的加速,用于供熱的化石燃料將需要被可再生能源取代。
蓄熱將在凈零碳進(jìn)程中發(fā)揮其作用,作為實(shí)現(xiàn)艱巨任務(wù)所需的LDES解決方案的一部分。儲熱將進(jìn)一步發(fā)展,在更廣泛的儲能領(lǐng)域,每項(xiàng)技術(shù)都會根據(jù)其優(yōu)勢和劣勢發(fā)揮其利基作用,找到自身的市場空間,伴隨市場進(jìn)一步走向成熟,這一點(diǎn)將逐漸變得更加明顯。