摘要：以硅和硅鐵合金為介質(zhì)的熱儲能，可以每千瓦時不到4歐元的成本儲存能量，這比目前的固定式鋰離子電池便宜100倍。在加入容器和保溫層后，總成本會可能每千瓦時10歐元左右，比每千瓦時400歐元的鋰電池便宜很多。

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發(fā)展可再生能源，建設(shè)新型電力系統(tǒng)，配套儲能是一道必須翻越的坎。

電力的即發(fā)即用性與光電、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電的波動性，使得電力的供需有時會產(chǎn)生錯配。在當(dāng)前，這種調(diào)節(jié)可用煤電和天然氣發(fā)電或水電來調(diào)配，以達(dá)到電力的穩(wěn)定性和靈活性。但在未來，隨著化石能源的退出和可再生能源的增加，廉價(jià)而高效的儲能配置是關(guān)鍵。

儲能技術(shù)主要分為物理儲能、電化學(xué)儲能、熱儲能和化學(xué)儲能等。像機(jī)械儲能、抽水蓄能等都屬于物理儲能技術(shù)，這種儲能方式價(jià)格比較低，轉(zhuǎn)化效率比較高，但工程比較大、受地理位置約束，建設(shè)周期也很長，僅靠抽水蓄能難以適應(yīng)可再生能源電力調(diào)峰需求。

目前比較流行的是電化學(xué)儲能，也是全球增速最快的新型儲能技術(shù)。電化學(xué)儲能主要以鋰離子電池為主，截至2021年底，全球新型儲能的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模超過2500萬千瓦，其中鋰離子電池市場份額達(dá)到90%。這得益于電動汽車的大規(guī)模發(fā)展，為鋰離子電池為主的電化學(xué)儲能提供了大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用場景。

但鋰離子電池儲能技術(shù)作為一種汽車電池問題不大，但要配套電網(wǎng)級的長時儲能，會存在很多問題。一個是安全和成本問題，大規(guī)模疊加鋰離子電池，成本會成倍增加，熱量積聚導(dǎo)致的安全也是巨大隱患。另一個就是鋰資源非常有限，電動車已經(jīng)不夠用了，長時儲能的需要更滿足不了。

如何解決這些現(xiàn)實(shí)而緊迫的問題？現(xiàn)在很多科學(xué)家把目光瞄向了熱儲能技術(shù)。相關(guān)技術(shù)和研究日益取得突破。

2022年11月，歐盟委員會公布了“歐盟2022年創(chuàng)新雷達(dá)獎”獲獎項(xiàng)目，其中西班牙馬德里理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的“阿馬德烏斯” (AMADEUS)電池項(xiàng)目獲得2022年歐盟最佳創(chuàng)新獎。

“阿馬德烏斯”是一個革命性的電池模型。這個旨在從可再生能源中儲存大量能量的項(xiàng)目被歐盟委員會評選為2022年最佳發(fā)明之一。

這種由西班牙科學(xué)家團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的電池以熱能形式，儲存了在太陽能或風(fēng)能高產(chǎn)時產(chǎn)生的過剩能量。這些熱量被用于加熱一種材料（該項(xiàng)目研究的是硅合金）至1000多攝氏度。該系統(tǒng)內(nèi)含一個熱光伏板朝內(nèi)的特殊容器，在用電需求高企時能夠釋放部分儲能。

研究人員打了一個比方來解釋這個過程：“這就像把太陽裝進(jìn)盒子里?！彼麄兊挠?jì)劃可能會徹底革新能源儲存。它具有實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的巨大潛力，并成為應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵因素，這使“阿馬德烏斯”項(xiàng)目在提交的300多個項(xiàng)目中脫穎而出，榮獲歐盟最佳創(chuàng)新獎。

歐盟創(chuàng)新雷達(dá)獎組織方解釋說：“有價(jià)值的點(diǎn)在于提供了一套能夠長期儲存大量能源的廉價(jià)系統(tǒng)，它具有高能量密度、高整體效能，使用的還是充足且低成本的材料。它是一個模塊化系統(tǒng)，應(yīng)用廣泛，能夠按需提供清潔的熱能和電力。”

那么，這項(xiàng)技術(shù)到底是怎么工作的？未來應(yīng)用場景和商業(yè)化前景如何？

1 把電儲存成熱能，再用熱發(fā)電

在“阿馬德烏斯”項(xiàng)目的背后，是馬德里理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)超過十年的潛心研究。研究人員曾在2019年組裝了“盒中太陽”的第一個原型。

最近，在《焦耳》雜志上發(fā)表的一篇論文描述了這一系統(tǒng)工作過程。

簡單一點(diǎn)說，這個系統(tǒng)利用間歇性可再生能源（如太陽能或風(fēng)能）的多余發(fā)電量來熔化廉價(jià)金屬，如硅或硅鐵合金，溫度高于1000℃。硅合金在其聚變過程中可以儲存大量的能量。

這種類型的能量被稱為 "潛熱"。例如，一升硅（大概2.5公斤）以潛熱的形式儲存了超過1千瓦時（即1度電）的能量，這正好是一升氫氣在500帕壓力下所包含的能量。然而，與氫氣不同，硅可以在大氣壓力下儲存，這使該系統(tǒng)可能更便宜和更安全。

該系統(tǒng)的一個關(guān)鍵是將儲存的熱量如何轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)硅在超過1000oC的溫度下熔化時，它就像太陽一樣閃閃發(fā)光。因此，這時可使用光伏電池將輻射的熱量轉(zhuǎn)化為電能。

所謂的熱光伏發(fā)電機(jī)就像微型的光伏裝置，可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)太陽能發(fā)電廠多100倍的能量。換句話說：如果一平方米的太陽能電池板產(chǎn)生200瓦，一平方米的熱光伏電池板則產(chǎn)生20千瓦。而且不僅是功率，轉(zhuǎn)換效率也更高。熱光伏電池的效率在30%至40%之間，這取決于熱源的溫度。相對而言，商業(yè)光伏太陽能電池板的效率在15%和20%之間。

使用熱光伏發(fā)電機(jī)，而不是傳統(tǒng)的熱引擎，避免了使用移動部件、流體和復(fù)雜的熱交換器。通過這種方式，整個系統(tǒng)可以做到經(jīng)濟(jì)、緊湊和無噪音。

根據(jù)該研究，潛熱式熱光伏電池可以儲存大量剩余的可再生電力。

領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的研究員Alejandro Datas說：“這些電力的很大一部分將在風(fēng)光發(fā)電有剩余的時候產(chǎn)生，因此它將在電力市場上以非常低的價(jià)格出售。將這些富余電力儲存在一個非常便宜的系統(tǒng)中是至關(guān)重要的。以熱的形式儲存剩余的電力是非常有意義的，因?yàn)樗亲畋阋说膬Υ婺茉吹姆绞街??！?/p>

2 比鋰離子電池便宜40倍

特別是，硅和硅鐵合金可以每千瓦時不到4歐元的成本儲存能量，這比目前的固定式鋰離子電池便宜100倍。在加入容器和保溫層后，總成本會更高。但是，根據(jù)該研究，如果系統(tǒng)足夠大，通常超過10兆瓦時，將有可能達(dá)到每千瓦時10歐元左右的成本，因?yàn)楦魺岬某杀緦⑹窍到y(tǒng)總成本的一小部分。但鋰電池的成本目前是每千瓦時400歐元左右。

這個系統(tǒng)面臨的一個問題是，只有一小部分儲存的熱量被轉(zhuǎn)換回電力，在這個過程中，轉(zhuǎn)換效率是多少？剩余的熱能怎么利用，是關(guān)鍵的問題。

但團(tuán)隊(duì)的科研人員認(rèn)為，這些不是問題，如果系統(tǒng)足夠便宜，只需以電力的形式回收30-40%的能量，就足以使它們優(yōu)于其他更昂貴的技術(shù)，如鋰離子電池。

此外，剩余的60-70%沒有轉(zhuǎn)化為電力的熱量，可以直接輸送到建筑物、工廠或城市，減少煤炭和天然氣消耗。

熱量占全球能源需求的50%以上，占全球二氧化碳排放量的40%。這樣一來，將風(fēng)能或光伏能源儲存在潛熱的熱光伏電池中，不僅可以節(jié)省大量成本，而且還可以通過可再生資源滿足市場巨大的熱能需求。

3 面臨的挑戰(zhàn)和未來前景

馬德里理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的熱光伏新型儲熱技術(shù)，采用硅合金材料，在材料成本、儲熱溫度、儲能時長方面的優(yōu)勢值得期待。硅是地殼中第二豐富的元素，每噸硅砂的成本僅為30—50美元，為熔鹽材料的1/10。此外，硅砂顆粒的儲熱溫差比熔鹽高得多，工作溫度最高可達(dá)1000攝氏度以上，更高的工作溫度也有助于提升光熱發(fā)電系統(tǒng)的整體能效。

并非只有達(dá)塔斯的團(tuán)隊(duì)看中熱光伏電池的潛力。他們有兩個勁敵：享譽(yù)盛名的麻省理工學(xué)院和加州初創(chuàng)公司安托拉能源公司。后者側(cè)重于研發(fā)重工業(yè)（化石燃料消耗大戶）所用的大型電池，并于今年2月獲得5000萬美元來完成研究，比爾·蓋茨的突破能源基金提供了部分投資基金。

麻省理工學(xué)院的研究人員稱，他們的熱光伏電池模型已經(jīng)能夠重新利用40%用于加熱原型電池內(nèi)部材料的能量。他們解釋說：“這為熱能儲存最大限度提效降本創(chuàng)造了一種路徑，使電網(wǎng)脫碳化成為可能?！?/p>

馬德里理工大學(xué)的項(xiàng)目尚未能測量出它能恢復(fù)多少百分比的能量，但有一個方面優(yōu)于美國的模型。領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的研究員Alejandro Datas解釋說：“為了達(dá)到這種效率，麻省理工學(xué)院的項(xiàng)目必須將溫度升至高達(dá)2400度。我們的電池在1200度下工作。在這種溫度條件下，效率會比他們的低一些，但我們碰到的隔熱問題要少得多，畢竟在2400度下儲存材料而不造成熱量損失是非常棘手的。”

當(dāng)然，這技術(shù)在進(jìn)入市場之前，仍然需要大量的投資。目前的實(shí)驗(yàn)室原型的儲能能力不到1千瓦時，但要使這項(xiàng)技術(shù)盈利，需要超過10兆瓦時的儲能容量。因此，下一個挑戰(zhàn)是擴(kuò)大該技術(shù)的規(guī)模，并大規(guī)模地測試其可行性。為了做到這一點(diǎn)，馬德里理工大學(xué)的研究人員已經(jīng)在組建團(tuán)隊(duì)，使之成為可能。