可充电铝：会成为季节性能源储存的廉价解决方案吗？

如果你把铝作为氧化还原循环电池的储能介质，它的能量密度将是锂离子的50倍以上。瑞士科学家正在开发这项技术，未来将作为欧洲冬季的可再生能源储备。

上图：用于氧化还原循环的铝，具有巨大的能量密度。 瑞士研究人员认为，这可能是负担得起的可再生能源季节性储存的关键，为能源网的脱碳扫清了道路。

问题很简单：随着世界各国计划迈向零排放能源，它们需要应对廉价可再生能源的“间歇性”问题。在日常生活中，太阳能在正午收集大部分能量，这就需要某种短期存储解决方案，可以将能量储存在某种形式的电池中，然后在晚上当每个人回到家，开始使用电视和洗碗机等家用电器时再次释放。目前，这类大型电池项目已经在许多地区安装使用，并证明了它们的价值。

但在季节性层面上，间歇性是一个更大的问题。你离赤道越远，你在冬季得到的阳光就越少。众所周知，斯堪的纳维亚部分地区连续几个月都没有太阳，但更广泛的地区也将发现自己非常缺乏太阳能。每年，当每个人都开始打开暖气的时候。零碳世界需要一种方法来储存在温暖月份产生的大量过剩可再生能源，然后在漫长的冬季释放出来。而且它必须是负担得起的，否则就不会发生。

瑞士 SPF 太阳能技术研究所的研究人员多年来一直在研究铝氧化还原循环，在欧盟地平线欧洲项目和瑞士政府的资助下，他们刚刚启动了一个名为“Reveal（揭示）”的研究项目，吸引了来自七个欧洲国家的九个不同的合作伙伴，来开发一个看起来很有前途的想法。

上图：太阳辐射按月和按年照射在四个不同的瑞士城市，表明在脱碳的未来将会有多么大的季节性变化。

SPF 小组2020年的一份报告指出，一块1立方米（35.3立方英尺）的铝块，可以以化学方式存储大量的能量 —— 约23.5兆瓦时，是一个好的锂离子装置所能存储能量的50多倍，或者根据2020年的数据，大约足够为一个普通美国家庭提供2.2年的电力。这是按体积计算的，如果按重量计算，铝的特定能量为每公斤8.7千瓦时，约为Tesla Model 3 所用电池的33倍。

不过，像这样的大块状物体并不实用，所以 Reveal 团队建议使用直径1毫米（0.04英寸）的铝球来代替。自然地，使用这种方式会失去一些体积密度，但每立方米的体积密度仍然超过 15 兆瓦时。

当然，将这种能量输入和输出的过程要复杂得多。在“充电过程”中，多余的可再生能源将被用来将氧化铝或氢氧化铝转化为纯净的元素铝。这是一种工业电解过程，需要800°C（1472°F）左右的温度，以及新型惰性电极，如果想要避免当今传统铝冶炼过程中的二氧化碳排放。

上图：与电池或氢相比，铝具有惊人的能量。

该团队估计，像这样的铝氧化还原系统“充电”的效率将达到65%左右。这里所有的原材料都相对便宜和丰富，其中一些确实是废料，还有一个好处就是储存和运输非常简单。铝在与周围空气接触时会发生氧化，但它只是一层表面层，厚度不到半纳米，当这些1毫米的小球体储存在空气中时，化学能损失“远低于1%”。

需要用铝来放电时，你只需把它再转换回来。这可以在低于100°C（212°F）的低温下完成，使用铝-水反应产生氢氧化铝，以及纯氢，可以直接进入 PEM 燃料电池栈转化为电力。该工艺和燃料电池还产生热量，这些热量可以在与空间供暖或生活热水相关的温度下回收。

另外，还有一种温度更高的工艺，运行温度超过200°C（392°F），铝与蒸汽反应生成氧化铝、氢气和更高水平的热量，更适用于工业应用。

上图：低温铝制氢能量释放过程的输入和理想化输出，假设燃料电池效率为 50%。

在 Reveal 模型中，充电过程将在中央冶炼厂完成，“充好电”的铝将被大量卡车运出，并在公寓大楼、工业设施、甚至个人家庭现场“放电”，因为所需的设备相对简单，维护成本低。当然了，就目前而言，除了铝到氢的转化系统目前还不完全存在以外，其它都很好。

一旦它没电了，铝氧化物和氢氧化物就会被送回仓库进行“充电”。Reveal 团队表示，理想情况下，这种铝将在这个过程中无限循环，因此对于给定的系统来说，不会有任何持续的原材料成本。

上图：在 Reveal 提议的系统中，铝将在冶炼厂“充电”，然后用卡车运出，在公寓楼、住宅和工业设施中转化为热能和电能。

在2022年2月的一份报告中，SPF 团队在对项目整个生命周期的详细分析中声称，这种存储系统的平均能源成本（LCOE）仅为每千瓦时0.09欧元。根据能源储存新闻，这是相当了不起的，考虑到目前最近融资的“大电池”项目在2020年的平均 LCOE 约为0.15美元，而且这些项目出售能源的频率更高，与铝解决方案的季节性周期相比，每天都有充放电周期。

因此，看起来确实存在某种东西，能够填补可再生能源电网的冬季漏洞。这虽然不太可能很快实现，Reveal 团队要求自己在2026年夏天之前“研究这种新的存储概念的解决方案”。

此外，还有许多其他金属氧化还原能量储存和释放的概念正在开发中，值得注意的是，一家荷兰啤酒厂在2020年底开始在燃料循环中，燃烧可回收的铁。但值得注意的是，任何在高温下在空气中燃烧的东西，都会产生有害的一氧化二氮 —— 但这些铝电池根本不会有这个问题。所以，Reveal 绝对值得一看。

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