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一罐冰或熱水能夠成為電池嗎？是的！如果電池是一種儲存能量的設(shè)備，那么儲存熱水或冷水來為建筑供暖或為空調(diào)系統(tǒng)提供動力是一種不同類型的能量儲存方式。這種被稱為蓄熱儲能的技術(shù)已經(jīng)存在很長時間了，但經(jīng)常被忽視?，F(xiàn)在，勞倫斯伯克利國家實驗室的科學(xué)家們正齊心協(xié)力，將蓄熱儲能提升到一個新的水平。

為了克服傳統(tǒng)水基蓄熱儲能的一些局限性，伯克利實驗室的科學(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)建了一個分析成本的框架，以及一個比較節(jié)省成本的工具。在今年發(fā)表的一系列論文中，伯克利實驗室的研究人員報告了這些領(lǐng)域的重要進展。

伯克利實驗室能源技術(shù)實驗室副主任拉維·普拉舍(Ravi Prasher)說，“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存能量，也就是熱量，而不是以電的形式儲存能量，那么節(jié)省的成本將是非常有吸引力的?，F(xiàn)在有了我們開發(fā)的框架，就可以權(quán)衡熱能存儲與電存儲(例如鋰電池)的成本，這在以前是不可能的。”

在美國，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，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越多的電力供暖，熱負(fù)荷對電網(wǎng)的需求預(yù)計將大幅增加。伯克利實驗室熱能小組負(fù)責(zé)人蘇曼吉特·考爾(Sumanjeet Kaur)表示，這將緩解對電化學(xué)儲能的一些需求，并將電池釋放出來，用于無法使用熱儲能的地方。

可行的、經(jīng)濟的電池替代品

隨著我們的社會繼續(xù)電氣化，電池存儲能量的需求將是巨大的。預(yù)計到2030年，電池年產(chǎn)量將從目前的不足0.5太瓦時(TWh)達(dá)到2至10太瓦時(TWh)。

在可預(yù)見的未來，鋰離子電池作為主要的電儲能載體，一個關(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。盡管伯克利實驗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存形式。蓄熱儲能可以在一定規(guī)模上進行部署，包括在單獨的建筑物中——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”，如使用沙子或巖石來存儲熱能。然而，這些方法需要大量的空間，這限制了它們對住宅的適用性。

從液體變成固體，再變回來

為了克服這個限制，科學(xué)家們開發(fā)了高科技材料來儲存熱能。例如，相變材料在相變時吸收和釋放能量，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)，先進的紡織品(衣服可以自動保溫或者變得涼爽)，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以上時，材料發(fā)生相變并吸收熱量，從而使建筑降溫。相反，當(dāng)溫度降至熔點以下時，材料會發(fā)生相變并釋放熱量。然而，相變材料的一個問題是，它們通常只能在一個溫度范圍內(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。伯克利實驗室著手解決這個問題，并實現(xiàn)了所謂的動態(tài)溫度可調(diào)性。

在最近發(fā)表在《Cell Reports Physical Science》上的一項研究中，研究人員首次實現(xiàn)了相變材料的動態(tài)可調(diào)性。他們的突破性方法使用了離子和一種獨特的相變材料，這種材料將蓄熱儲能和電能儲存結(jié)合在一起，所以它可以儲存和供應(yīng)熱量和電能。

應(yīng)用能源材料小組組長、該研究的共同通訊作者劉高(音譯)說，這項新技術(shù)確實是獨一無二的，因為它將熱能和電能結(jié)合到一個設(shè)備中。它的功能就像一個熱電電池。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，這種能力增加了熱存儲潛力。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，他補充說：“從更宏觀的角度來看，這有助于降低儲能成本，因為現(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，這種熱電儲能結(jié)合的能力將允許這種材料存儲現(xiàn)場太陽能或風(fēng)能產(chǎn)生的多余電力，以滿足熱(加熱和冷卻)和電力需求。”


比較儲能成本的框架

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)了一個框架，可以直接比較電池和熱能存儲的成本，這在以前是不可能的?？紶栒f，這確實是一個很好的框架，讓人們把電池和蓄熱儲能進行比較。在這之前，如果有人來問我，我應(yīng)該安裝Powerwall(特斯拉鋰電池儲能系統(tǒng))還是熱能存儲，我沒有辦法進行比較。

這個框架為人們提供了一種理解存儲成本的簡易方法。該框架由美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory)和橡樹嶺國家實驗室(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。

原標(biāo)題： 蓄熱儲能可以在建筑脫碳中發(fā)揮重要作用