今年7月初，在芬蘭西南部偏遠(yuǎn)小鎮(zhèn)Kankaanpää的13000名居民見(jiàn)證了尋找全綠色能源的重要里程碑。
▲芬蘭沙電池儲(chǔ)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(gè)“沙電池”，這是一種可以一次將清潔能源儲(chǔ)存數(shù)月的熱能儲(chǔ)存設(shè)施。
這個(gè)裝滿沙子的儲(chǔ)罐主要使用來(lái)自太陽(yáng)能和風(fēng)能的廉價(jià)電力加熱沙子，然后將熱量?jī)?chǔ)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(shí)間，在向南1500公里處，睡眼惺忪的柏林潮人們目睹了一個(gè)幾乎相同的地標(biāo)項(xiàng)目：瑞典公用事業(yè)公司Vattenfall開(kāi)始用5600萬(wàn)升水填充一個(gè)45m高、200MW的儲(chǔ)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(chǔ)能解決方案中的個(gè)例，這些解決方案既競(jìng)爭(zhēng)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(yáng)能發(fā)電的可變性提供調(diào)節(jié)支持。
世界需要儲(chǔ)能技術(shù)
在意識(shí)到化石燃料對(duì)氣候造成的破壞后，世界正爭(zhēng)先恐后地轉(zhuǎn)向低碳能源，最佳的候選者是風(fēng)能和太陽(yáng)能，但盡管近年來(lái)兩者在成本和性能方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但仍然存在一個(gè)根本問(wèn)題：風(fēng)并不總是在吹，太陽(yáng)也不總是照耀。依賴這些波動(dòng)資源的電網(wǎng)將難以匹配供需，而可再生能源往往會(huì)被浪費(fèi)，因?yàn)樗偸窃诓恍枰臅r(shí)候被生產(chǎn)。
這個(gè)令人討厭的難題的主要解決方案之一是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能(LDES)技術(shù)。它們通過(guò)在供應(yīng)超過(guò)需求時(shí)（例如在特別陽(yáng)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(lái)發(fā)揮作用。
“LDES是任何可以部署長(zhǎng)期儲(chǔ)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(shí)、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(jí)專家Godart van Gendt解釋道，“能源存儲(chǔ)可以通過(guò)各種非常不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括機(jī)械、熱、電化學(xué)或化學(xué)存儲(chǔ)等。”
世界上目前的LDES裝機(jī)容量中，94%來(lái)自抽水蓄能，其通過(guò)泵或渦輪機(jī)在上下兩個(gè)水庫(kù)之間輸送水以儲(chǔ)存或發(fā)電。然而，由于地理要求，特別是在山區(qū)較少的國(guó)家，全球可以安裝多少抽水蓄能是有限度的。
儲(chǔ)熱技術(shù)的成熟
柏林和Kankaanpää的試點(diǎn)項(xiàng)目中使用的儲(chǔ)熱技術(shù)通過(guò)將電能轉(zhuǎn)化為熱能，然后將熱存儲(chǔ)在隔熱罐內(nèi)的水或沙子等材料中。需要時(shí)，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(guò)熱力學(xué)循環(huán)完成的，與運(yùn)行冰箱、汽車發(fā)動(dòng)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(shí)，該設(shè)施會(huì)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(gè)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(lái)自其他工業(yè)過(guò)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(zhǎng)達(dá)13小時(shí)，還可以連接其他可再生熱源，如大型熱泵。
與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，儲(chǔ)熱有幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。
首先，轉(zhuǎn)換過(guò)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(chǔ)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(huì)對(duì)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(chǔ)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(kù)的山脈和山谷，而壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)的能量）：例如，在100°C下儲(chǔ)存1kg的水可以提供的能量約等于1kg水在500m高度儲(chǔ)存再下降可釋放的能量。這意味著儲(chǔ)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(wú)需更換即可有效運(yùn)行數(shù)十年。另一方面，電池會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化，幾年時(shí)間就需要更換。最后，儲(chǔ)熱的成本在理論上似乎與其他存儲(chǔ)技術(shù)相比都更加具有優(yōu)勢(shì)，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(chǔ)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(chǎng)景下競(jìng)爭(zhēng)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(duì)高效的系統(tǒng)，投資者和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)商目前可能需要承擔(dān)相對(duì)較大的前期資本支出，這可能是一個(gè)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(chǔ)解決方案，但也只限于在短時(shí)儲(chǔ)能場(chǎng)景，最多可以放電幾個(gè)小時(shí)，儲(chǔ)熱則將在幾個(gè)小時(shí)到幾天之間的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能市場(chǎng)具有競(jìng)爭(zhēng)力。”Future Cleantech Architects專注于LDES的清潔技術(shù)分析師Pau Farrés說(shuō)。
在儲(chǔ)熱領(lǐng)域，有看似無(wú)窮無(wú)盡的各種材料可用于儲(chǔ)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(huì)使用熱水”Farrés說(shuō)，“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(jiàn)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(yáng)鹽）的溫度范圍很窄（它在220°C以下凝固并在620°C左右開(kāi)始分解），成本適中，約為600-1000美元/噸。美國(guó)國(guó)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(shuō)：“它需要兩個(gè)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(duì)于較大的系統(tǒng)，可能需要通過(guò)熱交換器移動(dòng)顆粒。”
其他選擇包括潛熱相變材料、熱化學(xué)儲(chǔ)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(chǔ)成本、較差的熱響應(yīng)性或穩(wěn)定性問(wèn)題——但每種方法都有其適當(dāng)?shù)膽?yīng)用。
“當(dāng)我們想到儲(chǔ)熱時(shí)，我們應(yīng)該問(wèn)的主要問(wèn)題是它可以提供什么溫度，”van Gendt說(shuō)，“典型的工業(yè)應(yīng)用需要幾百攝氏度，而許多工業(yè)過(guò)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(chǔ)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(gè)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(guó)際上，蓄熱市場(chǎng)領(lǐng)域的主要參與者包括PNE、德國(guó)的Kraftblock、挪威的EnergyNest、Airthium（法國(guó)）、Antora（美國(guó)）、Azelio（瑞典）、Cheesecake Energy（英國(guó)）、Echogen（美國(guó)）、EnergyDome（意大利）、Highview Power（英國(guó)）、馬耳他（美國(guó)）、西門子歌美颯的ETES（德國(guó)）、Stiesdal（丹麥）和Stolect（法國(guó)）等代表性公司。
根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Allied Market Research的數(shù)據(jù)，2020年儲(chǔ)熱市場(chǎng)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(zhǎng)率為8.5%。
“儲(chǔ)熱可能在凈零過(guò)渡中發(fā)揮非常重要的作用，”Davenport說(shuō)，“為了讓各國(guó)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(lái)開(kāi)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(shí)，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(chǎng)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(chǔ)熱將進(jìn)一步發(fā)展，在更廣泛的儲(chǔ)能領(lǐng)域，每項(xiàng)技術(shù)都會(huì)根據(jù)其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)發(fā)揮其利基作用，找到自身的市場(chǎng)空間，伴隨市場(chǎng)進(jìn)一步走向成熟，這一點(diǎn)將逐漸變得更加明顯。
