今年7月初，在芬蘭西南部偏遠小鎮(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月的熱能儲存設施。
這個裝滿沙子的儲罐主要使用來自太陽能和風能的廉價電力加熱沙子，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地建筑供暖。
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項目：瑞典公用事業(yè)公司Vattenfall開始用5600萬升水填充一個45m高、200MW的儲熱設施，水將被加熱到98°C，作為Vattenfall現有的Reuter West熱電聯(lián)產廠的一部分，用于為城市供暖。
這些項目的建設預示著蓄熱行業(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)定的風能和太陽能發(fā)電的可變性提供調節(jié)支持。
世界需要儲能技術
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向低碳能源，最佳的候選者是風能和太陽能，但盡管近年來兩者在成本和性能方面都取得了長足的進步，但仍然存在一個根本問題：風并不總是在吹，太陽也不總是照耀。依賴這些波動資源的電網將難以匹配供需，而可再生能源往往會被浪費，因為它總是在不需要的時候被生產。
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。它們通過在供應超過需求時（例如在特別陽光明媚或刮風的日子）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，并且可以擴大規(guī)模以維持電力或熱量供應，持續(xù)數小時、數天甚至數周，并有可能為經濟脫碳。”麥肯錫可持續(xù)發(fā)展電力與天然氣實踐高級專家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現，包括機械、熱、電化學或化學存儲等。”
世界上目前的LDES裝機容量中，94%來自抽水蓄能，其通過泵或渦輪機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。
儲熱技術的成熟
柏林和Kankaanpää的試點項目中使用的儲熱技術通過將電能轉化為熱能，然后將熱存儲在隔熱罐內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將熱量轉化為電能。后一種轉換是通過熱力學循環(huán)完成的，與運行冰箱、汽車發(fā)動機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補充道，“在能源系統(tǒng)脫碳的背景下，我們最常考慮使用多余的可再生電力，但相關解決方案的范圍要廣泛得多。”
在Kankaanpää，PNE表示其設施將在500°C下將沙子保持數月。當能源價格較高時，該設施會將熱空氣分配到區(qū)域供暖系統(tǒng)的溫水中，然后將其泵送到當地家庭、辦公室甚至游泳池周圍。
在柏林的這個水蓄熱項目一旦于2023年啟用，Vattenfall將直接將熱水供應到區(qū)域供熱網絡中。該設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生的熱量。該水罐配備的最大熱輸出為200兆瓦，可放熱長達13小時，還可以連接其他可再生熱源，如大型熱泵。
與其他儲能技術相比，儲熱有幾項優(yōu)勢。
首先，轉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，這意味著這些設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，并且可以擴大規(guī)模以滿足電網的存儲需求。其他LDES技術僅限于特定地區(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。這意味著儲熱設施需要更少的空間，從而減少其環(huán)境足跡。
該技術經久耐用，其組件無需更換即可有效運行數十年。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相比都更加具有優(yōu)勢，雖然在技術成熟并完全商業(yè)化之前，這一點還不能完全確定。
當然，儲熱確實也有缺點。其整體電到電的轉化效率較低，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，為了實現該技術的預期價值，建設出相對高效的系統(tǒng)，投資者和項目開發(fā)商目前可能需要承擔相對較大的前期資本支出，這可能是一個障礙，因為其中許多技術仍處于研發(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的清潔技術分析師Pau Farrés說。
在儲熱領域，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用。“如果您設計的系統(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)通常設計用于提供電力或熱量，但在特定應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驗室(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、較差的熱響應性或穩(wěn)定性問題——但每種方法都有其適當的應用。
“當我們想到儲熱時，我們應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，需要遠高于1000度的溫度。好消息是有的蓄熱技術可以做到這一點，而且該技術已經可用。”
凈零的關鍵部分
正如Vattenfall和PNE最近的項目實踐所證明的那樣，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設施中的燃氣鍋爐，以滿足其100%的蒸汽需求——該項目展示了該技術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。
根據市場研究機構Allied Market Research的數據，2020年儲熱市場價值208億美元，但預計到2030年將達到513億美元，從2021年到2030年的復合年增長率為8.5%。
“儲熱可能在凈零過渡中發(fā)揮非常重要的作用，”Davenport說，“為了讓各國實現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氣發(fā)電廠等基本負荷發(fā)電系統(tǒng)。同時，我們還有其他能源不包括在電網系統(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。
蓄熱將在凈零碳進程中發(fā)揮其作用，作為實現艱巨任務所需的LDES解決方案的一部分。儲熱將進一步發(fā)展，在更廣泛的儲能領域，每項技術都會根據其優(yōu)勢和劣勢發(fā)揮其利基作用，找到自身的市場空間，伴隨市場進一步走向成熟，這一點將逐漸變得更加明顯。
