自工業(yè)革命以來，化石能源始終是推動(dòng)人類文明前進(jìn)的燃料。即便是大力發(fā)展可再生能源的現(xiàn)在，化石能源依舊占全球能源總消耗的80%以上。幾乎所有機(jī)器的運(yùn)作，都是建立在石油、天然氣和煤炭之上。

而經(jīng)過數(shù)十年的努力，雖然我們找到了核電、水電、風(fēng)電等新能源，卻依舊難以取代化石能源。這是因?yàn)榉腔母鞣N發(fā)電雖然無污染，但穩(wěn)定性基本都嚴(yán)重受自然現(xiàn)象制約。

其中光電受太陽影響，風(fēng)電受天氣影響，水電也怕枯水季，導(dǎo)致總是無法在需要時(shí)發(fā)電，同時(shí)也產(chǎn)生了很多垃圾電。因此將富余時(shí)的綠色能源儲(chǔ)存起來，留到有需要的時(shí)候使用，便成了異常重要的問題。

說到把電存起來，我猜屏幕前的你一定想到了電池!作為一種最常見的化學(xué)儲(chǔ)能方式，電池早已深入我們生活的方方面面。而無論是從傳統(tǒng)的鋰基“大電池”裝置，到液流電池、硅相變電池、熔鹽電池、鐵空氣電池、重力電池、二氧化碳膨脹電池，其在效率、尺寸、位置、安裝成本、運(yùn)營(yíng)成本、輸入和輸出額定功率、壽命以及可以儲(chǔ)存能量的時(shí)間方面，都有著各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

據(jù)英國(guó)《每日郵報(bào)》報(bào)道，芬蘭西部的一家初創(chuàng)公司建造了世界上第一個(gè)功能齊全的商用沙子儲(chǔ)能供熱系統(tǒng)，據(jù)稱一次能夠儲(chǔ)存可再生能源長(zhǎng)達(dá)數(shù)月。如果你曾在夏天烈日暴曬過的海灘上赤腳走過，肯定會(huì)對(duì)灼熱的沙子印象深刻。這些儲(chǔ)存在沙子里的太陽能熱量為一種新型電池的開發(fā)提供了靈感。在芬蘭，一家名為“極夜能源”(Polar Night Energy)的初創(chuàng)公司就開發(fā)出了一種新技術(shù)，并建成了世界上第一座功能齊全的“沙電池”供熱系統(tǒng)。

該熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)由一個(gè)巨大的絕緣鋼筒組成，可容納約100噸建筑用沙。來自太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)的能量可以使沙子升溫至500攝氏度，并產(chǎn)生熱空氣，在筒倉內(nèi)循環(huán)。這種“綠色”能源可以在需要時(shí)，例如在缺乏陽光、氣溫下降的時(shí)候，或者在冬季能源價(jià)格過高的時(shí)候，提供給周圍區(qū)域的供暖系統(tǒng)。

極夜能源公司的研究人員稱，這種沙電池可以為全年利用可再生能源為建筑物供暖的問題提供解決方案，并最終用于發(fā)電。該公司聯(lián)合創(chuàng)始人Markku Yl?nen在接受采訪時(shí)說：“向綠色能源的過渡導(dǎo)致可用電力出現(xiàn)巨大變動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)和消費(fèi)的不匹配。這種不匹配有時(shí)會(huì)相當(dāng)可觀，可能會(huì)出現(xiàn)高達(dá)數(shù)十吉瓦(GW，1吉瓦等于10^9瓦特)的不可用電力。”

“我們的儲(chǔ)熱電池可以為大量能源提供一個(gè)低成本的‘水槽’，使其在高溫下以熱量的形式存儲(chǔ)起來，并將這些能源以可用的形式用于工業(yè)和區(qū)域供熱，甚至未來也可以用于發(fā)電?！?Markku Yl?nen補(bǔ)充道，“其中關(guān)鍵之處在于我們可以提供的存儲(chǔ)規(guī)模，我們能夠以合理的成本存儲(chǔ)幾十吉瓦時(shí)的能量，而且系統(tǒng)不會(huì)隨著時(shí)間的推移而顯著衰減?！彪S著氣候變化的加劇，以及化石燃料的價(jià)格上漲，導(dǎo)致了近年來對(duì)可再生能源的投資激增。然而，對(duì)許多綠色能源解決方案而言，如何將環(huán)境資源(如風(fēng)能和太陽能等)中獲取的能源儲(chǔ)存起來以供未來使用，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

風(fēng)能和太陽能產(chǎn)生的電力可以并入國(guó)家電網(wǎng)，但對(duì)電力的需求是恒定的，可再生能源的供應(yīng)則是間歇性的。這意味著，在缺乏陽光和風(fēng)力較低時(shí)產(chǎn)生的能源供應(yīng)不足仍必須由化石燃料來彌補(bǔ)。就芬蘭當(dāng)?shù)囟裕捎谧罱鋵で蠹尤氡奔s的舉動(dòng)，該國(guó)的主要電力來源俄羅斯已經(jīng)停止了天然氣和電力供應(yīng)，這讓芬蘭的能源自給問題更加緊迫。在芬蘭，冬天一般從11月至4月，可以持續(xù)200天，溫度可以降至零下45攝氏度，居民供暖用能是主要的能耗品類。極夜能源公司的兩位創(chuàng)始人Tommi Eronen和Markku Yl?nen聲稱，他們的沙電池可以儲(chǔ)存電網(wǎng)容量飽和時(shí)產(chǎn)生的多余可再生能源。不久前，該公司已經(jīng)在芬蘭西南部坎康佩(Kankaanp??)的瓦塔揚(yáng)科夫斯基(Vatajankoski)發(fā)電廠安裝了沙電池，并與區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)相連。

普通電池多使用鋰或鋰合金作為陽極材料，但金屬鋰的資源開采成本昂貴，而且所能容納的多余電量有限。極夜能源的沙電池儲(chǔ)熱系統(tǒng)安裝于今年年初，并于2022年5月投入使用。該電池使用了“電阻加熱”的工作原理，即可再生能源產(chǎn)生的電能通過加熱電阻元件，振動(dòng)元件內(nèi)部的粒子，使其升溫。這些電阻元件可以將沙子加熱到500攝氏度以上，進(jìn)而加熱空氣，使其通過填滿沙子的儲(chǔ)熱容器中的一系列管道進(jìn)行循環(huán)，一次可以使可再生能源儲(chǔ)存數(shù)月。

當(dāng)電力需求較高而供應(yīng)不足時(shí)，沙電池系統(tǒng)可以將熱空氣排出到一個(gè)熱交換器中，在那里使水加熱升溫。之后，熱水被泵到該地區(qū)周圍，為3.5萬居民的建筑供暖。“我們可以為通往坎康佩的水管提供大約200千瓦的加熱電力，”Markku Yl?nen說道。

從沙電池儲(chǔ)熱系統(tǒng)出來的熱水被混合到供暖系統(tǒng)中，通過水循環(huán)為整個(gè)街區(qū)提供部分熱能。這一比例會(huì)隨季節(jié)而變化，因?yàn)榧泄┡W(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷高度依賴于環(huán)境溫度。極夜能源的試點(diǎn)發(fā)電廠可以儲(chǔ)存現(xiàn)有電網(wǎng)的電力，以及太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的電力?？煽康膬?chǔ)熱系統(tǒng)使坎康佩能夠以最低的成本發(fā)電或購買電能，然后在最需要的時(shí)候分配熱量。

據(jù)英國(guó)廣播公司網(wǎng)站7月4日?qǐng)?bào)道，芬蘭研究人員已經(jīng)安裝了世界上第一款正常工作的、一次可以儲(chǔ)存數(shù)月綠色電力的“沙子電池”。

研發(fā)人員說，這可以解決全年供應(yīng)問題，而這是綠色能源面臨的一個(gè)主要問題。

這種設(shè)備使用低品位沙，充入由來自太陽能或風(fēng)能的低價(jià)電力制造的熱量。這些沙子儲(chǔ)存500攝氏度左右的熱量，然后可以在冬季能源價(jià)格更高時(shí)為家庭供暖。

芬蘭使用的大部分天然氣來自俄羅斯，因此烏克蘭戰(zhàn)爭(zhēng)令綠色能源備受關(guān)注。

供暖和供電來源問題令政治家和民眾都憂心忡忡，尤其是考慮到即將到來的漫長(zhǎng)而寒冷的芬蘭冬天。然而，在芬蘭西部一個(gè)小發(fā)電廠的角落里出現(xiàn)了一種新技術(shù)設(shè)備，它有可能緩解一些擔(dān)憂。

這個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵組成部分是什么?堆在一個(gè)暗灰色筒倉里的約100噸建筑用沙。這些粗糙的沙子很可能代表著一種簡(jiǎn)單且劃算的、儲(chǔ)存電力以供人們?cè)谧钚枰獣r(shí)使用的方式。

由于氣候變化以及現(xiàn)在化石燃料價(jià)格迅速上漲，新的可再生能源生產(chǎn)方面的投資激增。雖然新的太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)可以迅速加入國(guó)家電網(wǎng)，但這些額外能源也帶來了巨大挑戰(zhàn)。最棘手的問題是其間歇性——在沒有陽光、沒有風(fēng)的時(shí)候，如何讓電燈不熄滅?

在電網(wǎng)中加入更多可再生能源，還意味著需要增加其他能源來保持網(wǎng)絡(luò)平衡，因?yàn)殡娏^多或過少會(huì)導(dǎo)致它崩潰。

在電網(wǎng)變得更加環(huán)保之際，對(duì)這些問題的最顯而易見的答案是可以儲(chǔ)存能源和平衡能源需求的大型電池。

目前，大多數(shù)電池都是用鋰制成的，價(jià)格昂貴，而且只能存儲(chǔ)有限的過剩電力。

但在坎康佩鎮(zhèn)，一個(gè)年輕的芬蘭工程師團(tuán)隊(duì)完成了沙子電池的首次商業(yè)安裝。這個(gè)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種電池可以通過低成本、對(duì)環(huán)境影響小的方式解決儲(chǔ)存問題。

該產(chǎn)品的研發(fā)者馬爾庫·于勒寧說：“無論什么時(shí)候，只要有這么多可用的綠色電力，我們就希望能夠非常迅速地把它儲(chǔ)存起來。”

該裝置被安裝在運(yùn)行地區(qū)供暖系統(tǒng)的瓦塔揚(yáng)科斯基發(fā)電廠。

低成本電力通過電阻加熱使沙子溫度達(dá)到500攝氏度。這會(huì)產(chǎn)生熱空氣，熱空氣通過熱交換器在沙子中循環(huán)。

沙子是儲(chǔ)存熱量的有效介質(zhì)，長(zhǎng)期儲(chǔ)存過程中的損耗很小。研發(fā)人員說，他們的裝置能將沙子保持在500攝氏度長(zhǎng)達(dá)數(shù)月。

因此，當(dāng)能源價(jià)格上漲時(shí)，電池會(huì)釋放熱空氣，給地區(qū)供暖系統(tǒng)的水加熱，這些熱水隨后被輸送到住宅、辦公室甚至當(dāng)?shù)氐挠斡境亍?/p>

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