伯克利实验室试验中的相变材料热能储存技术可帮助建筑脱碳

2022-01-03 18:12
技术被称为热能储存,已经存在了很长时间,但一直以来被忽视。现在,劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的科学家们正在协同努力,将热能储存提升到一个新的水平。
为了克服传统水基热能储存的一些限制,伯克利实验室的科学家们正在研究开发下一代材料和系统,以作为加热或冷却介质。他们还在创建一个分析成本的框架,以及一个比较成本节约的工具。在今年发表的一系列论文中,伯克利实验室的研究人员报告了在这些领域中每一个领域的重要进展。

伯克利实验室负责能源技术的副主任Ravi Prasher说:"使建筑物脱碳是非常具有挑战性的,尤其是供暖方面。但是,如果以最终用途(即热能)的形式储存能量,而不是以能源供应(即电力)的形式储存能量,那么成本节约可能是非常引人注目的。现在有了我们开发的框架,我们将能够权衡热能储存与电力储存的成本,例如用锂电池,这在以前是不可能的。"

在美国,建筑物占总能源消耗的40%。其中,几乎一半用于热负荷,包括空间加热和冷却,以及水加热和制冷。换句话说,所有生产的能源中有五分之一用于建筑物的热负荷。而到2050年,随着天然气的逐步淘汰,供暖越来越多地由电力驱动,热负荷对电网的需求预计将急剧增加。

伯克利实验室热能组负责人Sumanjeet Kaur说:"如果我们使用热能存储,其中的原材料更丰富,以满足热负荷的需求,这将放松对电化学存储的一些需求,并释放出更多电池资源用于不能使用热能存储的地方。

随着我们的社会继续电气化,预计对电池储存能源的需求将是巨大的,到2030年,估计每年的电池产量将达到2至10太瓦时(TWh),而现在还不到0.5TWh。随着锂离子电池在可预见的未来成为主导的存储技术,一个关键的限制因素是原材料的有限可用性,包括锂、钴和镍,这些都是今天锂电池的基本成分。尽管伯克利实验室正在积极努力解决这一制约因素,但也需要替代形式的能源储存。

热能储存可以在一系列规模上部署,包括在单个建筑物中--如你的家、办公室或工厂--或在地区或区域一级。虽然最常见的热能形式是使用大型的热水或冷水箱,但还有其他类型的所谓显热存储,如使用沙子或岩石来存储热能。然而,这些方法需要大量的空间,这限制了它们对住宅的适用性。

为了绕过这一限制,科学家们已经开发了高科技材料来储存热能。例如,相变材料在相间转换时吸收和释放能量,如从液体到固体再到固体。

相变材料有许多潜在的应用,包括电池的热管理(防止它们变得太热或太冷),先进的纺织品(可以自动保持温暖或凉爽的衣服,从而实现舒适穿着,同时减少建筑能耗),以及发电厂的干式冷却(以节约用水)。在建筑物中,相变材料可以被添加到墙壁上,就像建筑物的热电池。当环境温度上升到材料的熔点以上时,材料会改变相位并吸收热量,从而冷却建筑物。相反,当温度下降到熔点以下时,材料改变相位并释放热量。

然而,相变材料的一个问题是,它们通常只在一个温度范围内工作。这意味着夏季和冬季将需要两种不同的材料,这就增加了成本。伯克利实验室着手克服这一问题,实现所谓的过渡温度的"动态可调性"。
图中所示的是在建筑物中整合热能储存的两种不同方式。一个热电池(由相变材料驱动)可以连接到建筑物的热泵或传统的暖通空调系统(左),或者相变材料可以被纳入墙内。

在最近发表在《细胞报告》物理科学上的一项研究中,研究人员首次在相变材料中实现动态可调性。他们的突破性方法使用离子和一种独特的相变材料,将热能储存与电能储存结合起来,因此它既能储存也能供应热量和电力。将热能和电能结合到一个设备中,就像一个热能和电能电池。更重要的是,由于能够根据不同的环境温度调整材料的熔点,这种能力增加了热存储潜力。这将大大增加相变材料的利用率。这有助于降低储存成本,因为现在同样的材料可以全年利用,而不仅仅是用半年闲置半年。

在大规模的建筑施工中,这种结合热能和电能的储存能力将允许该材料储存现场太阳能或风能操作产生的多余电力,以满足热能(加热和冷却)和电能需求。

今年早些时候,伯克利实验室的另一项研究解决了过冷的问题,在某些相变材料中,过冷是不理想的,因为它使材料状态不可预测,因为它可能不会每次都在同一温度下改变相位。由伯克利实验室研究生助理和加州大学伯克利分校博士生Drew Lilley领导的这项研究,发表在《应用能源》杂志上,首次展示了定量预测材料过冷性能的方法。

第三项伯克利实验室的研究发表在今年的《应用物理学通讯》上,描述了一种发展原子和分子尺度的相变理解的方法,这对设计新的相变材料至关重要。到目前为止,大多数与相变物理学有关的基础研究都是计算性质的,研究人员已经开发了一种简单的方法来预测相变材料的能量密度。

第四项研究刚刚发表在《能源与环境科学》上,它开发了一个框架,允许在电池和热能储存之间进行直接的成本比较,这在以前是不可能的。该框架是与国家可再生能源实验室和橡树岭国家实验室的研究人员共同开发的,考虑到了终身成本。例如,热力系统的安装资本成本较低,而且热力系统的寿命通常为15至20年,而电池通常在8年后就必须更换。

最后,与来自加州大学戴维斯分校和加州大学伯克利分校的研究人员合作的一项研究证明了部署基于相变材料的热能储存的暖通空调系统的技术经济可行性。首先,该团队开发了评估这种系统的能源成本节约、峰值负荷减少和成本所需的模拟模型和工具。该工具将向公众开放,它将使研究人员和建筑商能够比较带有热能储存的暖通空调系统与带有或不带有电化学储存的全电动暖通空调系统的系统经济性。

这些工具提供了一个前所未有的机会,以探索热能储存-集成暖通空调的现实应用的经济性,整合热能储存使我们能够大大减少热泵的容量,从而降低其成本,这是推动降低生命周期成本的一个重要因素。

接下来,该团队继续为小型商业建筑开发一个"可现场使用"的暖通空调系统原型,该系统采用了基于相变材料的冷热电池。这样一个系统将冷却和加热负荷从电网中转移出来。最后,该团队正在部署一个住宅规模的现场演示,重点是家庭电气化和转移家庭加热和热水负荷。

这项研究得到了能源部能源效率和可再生能源办公室的建筑技术办公室的支持。
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