不久前,西班牙馬德里理工大學團隊開發(fā)的“阿馬德烏斯”電池項目,被歐盟委員會評選為2022年最佳發(fā)明之一。這款電池采用高溫儲熱技術(shù),可以存儲太陽能、風能高產(chǎn)時的過剩能量,在用電高峰再將其釋放。評委會認為,這款發(fā)明“具有高能量密度、高整體效能,所用材料資源豐富且成本低廉。它的廣泛應用,能夠幫助我們更好利用綠色清潔的可再生能源。”
發(fā)展可再生能源是減少全球溫室氣體排放的重要途徑。不過,由于電力的即發(fā)即用性與可再生能源發(fā)電的波動性,可再生能源電力供需存在一定程度的錯配。在用電高峰時,目前主要由燃煤、天然氣等調(diào)峰機組來達到電力的靈活調(diào)節(jié)。為了真正實現(xiàn)可再生能源對化石能源的大規(guī)模替代,急需利用儲能技術(shù)替代化石能源調(diào)峰機組,實現(xiàn)可再生電力供應與消費的無縫銜接。
儲能技術(shù)主要分為物理儲能、電化學儲能、熱儲能和化學儲能等。當前全球應用最為普遍的抽水蓄能技術(shù)就屬于物理儲能。但由于工程選址難度高、建設周期長等,僅靠抽水蓄能難以適應可再生能源電力調(diào)峰需求。電化學儲能是近年來全球增速最快的新型儲能技術(shù)。截至2021年底,全球新型儲能的累計裝機規(guī)模超過2500萬千瓦,其中鋰離子電池市場份額達到90%。新能源汽車產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長帶動了鋰離子電池技術(shù)的快速進步,也使其在儲能領(lǐng)域的商業(yè)應用成為可能。
較之車用動力電池,儲能設備在電力系統(tǒng)中的運行情況更為復雜。比如,在以太陽能為主的供電系統(tǒng)中,如果儲能電站只能持續(xù)短時放電,那么用戶在后半夜仍面臨停電風險;若是遭遇連續(xù)無風的陰雨天,儲能電站就會面臨更嚴峻的長時供電壓力。在當前交通電動化背景下,全球鋰資源已出現(xiàn)供不應求的局面,僅僅依靠鋰電池技術(shù)難以滿足未來電力系統(tǒng)對大容量、長周期儲能的需要。
相較而言,熱儲能技術(shù)在“長時儲能”領(lǐng)域更具經(jīng)濟性。它以儲熱材料為媒介,將太陽能等以熱能的形式先儲存起來,在需要時釋放。以往,儲熱技術(shù)主要應用在供暖、熱水、冰蓄冷等低溫熱源的存儲和利用。近年來,隨著太陽能熱發(fā)電與工業(yè)余熱回收技術(shù)的發(fā)展與運用,中高溫儲熱的需求不斷增長。目前我國光熱發(fā)電項目裝機容量已達到538兆瓦,儲熱介質(zhì)普遍選擇硝酸鹽材料,熔融狀態(tài)工作溫度范圍為290—560攝氏度,可實現(xiàn)高達10小時以上的儲能時長。
馬德里理工大學團隊設計的新型儲熱技術(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。
除了熱儲能技術(shù),壓縮空氣、氫氨儲能等在“長時儲能”方面也有很大潛力。美國能源部于2021年公布了“長時儲能攻關(guān)”計劃,目標在10年內(nèi)將時長超過10小時的儲能系統(tǒng)成本降低90%以上。丹麥、德國等歐洲國家在跨季節(jié)儲熱領(lǐng)域也有長期布局。我國國家發(fā)展改革委、國家能源局2022年3月印發(fā)的《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》也提出要推動多時間尺度新型儲能技術(shù)試點示范,重點試點示范壓縮空氣、液流電池、高效儲熱等日到周、周到季時間尺度儲能技術(shù)。未來,“長時儲能”將在全球能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮日益重要的作用。
(作者為國家發(fā)改委能源研究所副研究員)
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