沙中储能为可再生能源时代的可靠电力和热力供应提供低成本途径

在新的 NREL 开发的颗粒热能储存系统中，二氧化硅颗粒通过电阻加热元件进行重力供给。加热的颗粒储存在隔热的混凝土筒仓中。当需要能量时，加热的颗粒通过热交换器供给，为电网发电。该系统在高电力需求期间放电，并在电力便宜时充电。 图片来自 NREL 的 Patrick Davenport 和 Al Hicks

随着社区、城市和州制定雄心勃勃的能源效率和脱碳目标，储能成为我们能源经济中越来越重要的组成部分。太阳能和风能等可再生能源正在改变我们为建筑物、工业和电网供电的方式；然而，它们是间歇性的——即使在太阳落山或风减弱之后，我们也需要持续供电。因此，储能对于确保持续供电至关重要，并允许能源生产商在晴天（或有风）的过度发电期间充分利用。

在能源存储方面，电池并不是全部。

在短时储能方面，锂离子电池被认为是领跑者，但电池并不是全部。我们的建筑、企业、工业和电网需要更多的存储、更低的成本、更长的持续时间和更大的容量，而不是电池所能提供的，以取代化石燃料以实现可持续的未来。

为了应对这一储能挑战，美国国家可再生能源实验室 (NREL) 的研究人员正处于原型测试的后期阶段，该技术改变了游戏规则的新型热储能技术，该技术使用廉价的硅砂作为存储介质。使用低成本热能储存和高效电力循环 (ENDURING) 的经济型长期电力储存是一种可靠、经济高效且可扩展的解决方案，可以安装在任何地方。

持久的机制：可储存的电加热沙子提供按需电力

ENDURING 使用多余的太阳能或风能来加热蓄热材料——硅砂。颗粒被送入一系列电阻加热元件，将它们加热到 1,200°C（想象一下将沙子倒入一个巨大的烤面包机）。然后将加热的颗粒重力送入隔热混凝土筒仓以储存热能。基线系统设计用于经济地存储高达 26,000 MWh 的热能。通过模块化设计，可以相对轻松地扩展或缩减存储容量。

当需要能量时，热粒子通过热交换器重力馈送，加热和加压内部的工作气体，以驱动涡轮机和旋转发电机，为电网发电。该系统会在电力需求旺盛和太阳能光伏或风能有限时放电，例如清晨和傍晚、准备晚餐期间以及打开电视时。排放后，用过的冷颗粒再次被送入绝缘筒仓进行储存，直到条件（和经济性）再次适合充电。

筒仓中的热沙如何彻底改变能源脱碳

粒子热能储存系统可以利用退役煤和天然气发电厂的现有基础设施建造。图片由 NREL 的 Jeffrey Gifford 和 Patrick Davenport 提供

ENDURING 相对于其他电力存储技术具有多项优势。

作为储存介质，丰富的硅砂稳定且价格低廉，每吨 30 至 50 美元，并且在提取和寿命结束时对生态的影响有限。相比之下，锂离子电池具有出色的能量存储密度——这对于重量很重要的某些行业（例如运输）很重要——但它的成本很高。粒子热能储存是一种能量密度较低的储存形式，但非常便宜（在 900°C 的充放电温差下，每千瓦时热能 2-4 美元）。储能系统是安全的，因为使用惰性硅砂作为存储介质，使其成为大规模、长期储能的理想选择。

ENDURING 系统没有特定的选址限制，可以位于该国的任何地方。这些系统也可以使用退役的燃煤和燃气发电厂的现有基础设施建造。

ENDURING 技术可以支持在我国扩大可再生能源发电。在美国各地建造这些具有成本效益的粒子热能存储系统可以帮助公用事业公司继续使用太阳能和风能，而不会冒破坏电网稳定或需要减少可再生能源发电的风险。粒子热能储存还将提供能量储备，以便我们的社区能够更好地应对长期天气事件，无论是为期一周的冷锋还是夏季热浪。

到 2050 年，多个潜在的经济用例支持脱碳

拜登政府力求在2050年实现在2035年和净零排放，经济无碳电力部门马志文，他也是持久项目的主要研究者，看到了实现这些目标的粒子热能储存了重要的作用。“虽然电力脱碳有明确的路径，但整个经济的脱碳——包括建筑供暖和工业流程等——更具挑战性，因为天然气非常便宜，很难被取代，”他说。“工业过程脱碳和建筑供暖非常困难。”

将可再生电力转化为热能是这些行业脱碳的一种方式。Ma 看到了粒子热能储存在经济高效地取代天然气方面发挥作用的机会。通过使用热泵，将一单位电能转化为两到三单位热量，储存在颗粒热能存储系统中，然后输送到最终用户（取决于热泵的性能系数）或使用新兴的抽水蓄热技术）。这些技术可用于建筑和工业过程加热以替代煤炭或天然气。

除了提供电网存储和建筑热量外，ENDURING 还为工业和化学过程提供稳定的热源，否则与太阳能和风能相关的间歇性不相容。

根据 NREL 研究员Patrick Davenport 的说法，经济环境、脱碳目标和技术已经与粒子热能存储保持一致。“具有耐火绝缘材料的沙子和混凝土筒仓是非常便宜的材料，可以实现低成本的储能，”他说。“传统的四小时储能技术不能很好地扩展到电网或城市规模。现在我们需要大规模的储能，这项技术很有意义。”

早期成就和持久承诺

ENDURING 项目正在取得可喜的进展和早期的兴趣。该团队最近获得了美国机械工程师协会高级能源系统分部和太阳能分部 2021 年一等奖最佳论文奖和多个美国能源部技术资助奖。聚光太阳能集成专利已经获得，还有多项专利正在申请中。

ENDURING 原型加热器和热交换器目前正在高温条件下进行测试。如果原型任务在今年秋天成功，马志文相信 ENDURING 技术将为支持可再生能源整合以实现未来无碳能源供应提供巨大潜力。

看到前景的人并非只有马志文：NREL 和清洁能源技术公司 Babcock & Wilcox 签署了一项独家知识产权选择协议，以许可 ENDURING 粒子热能存储技术。Babcock & Wilcox 是为 ENDURING 项目做出贡献的多个行业和学术研究合作伙伴之一，包括通用电气、Allied Mineral Products、Worley、普渡大学和科罗拉多矿业学院。