伯克利實驗室試驗中的相變材料熱能儲存技術可幫助建築脫碳

伯克利實驗室在先進材料和成本分析方面的研究工作大大推動了一項被忽視的技術。一罐冰或熱水可以成為一個電池嗎?是的! 如果電池是一種儲存能量的設備,那麼儲存熱水或冷水為建築物的供暖或空調系統供電就是一種不同類型的能量儲存方式。該

伯克利實驗室試驗中的相變材料熱能儲存技術可幫助建築脫碳

技術被稱為熱能儲存,已經存在了很長時間,但一直以來被忽視。現在,勞倫斯伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)的科學家們正在協同努力,將熱能儲存提升到一個新的水平。

為了克服傳統水基熱能儲存的一些限制,伯克利實驗室的科學家們正在研究開發下一代材料和系統,以作為加熱或冷卻介質。他們還在創建一個分析成本的框架,以及一個比較成本節約的工具。在今年發表的一系列論文中,伯克利實驗室的研究人員報告了在這些領域中每一個領域的重要進展。

伯克利實驗室負責能源技術的副主任Ravi Prasher說:”使建築物脫碳是非常具有挑戰性的,尤其是供暖方面。但是,如果以最終用途(即熱能)的形式儲存能量,而不是以能源供應(即電力)的形式儲存能量,那麼成本節約可能是非常引人注目的。現在有了我們開發的框架,我們將能夠權衡熱能儲存與電力儲存的成本,例如用鋰電池,這在以前是不可能的。”

在美國,建築物佔總能源消耗的40%。其中,幾乎一半用於熱負荷,包括空間加熱和冷卻,以及水加熱和製冷。換句話說,所有生產的能源中有五分之一用於建築物的熱負荷。而到2050年,隨着天然氣的逐步淘汰,供暖越來越多地由電力驅動,熱負荷對電網的需求預計將急劇增加。

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伯克利實驗室熱能組負責人Sumanjeet Kaur說:”如果我們使用熱能存儲,其中的原材料更豐富,以滿足熱負荷的需求,這將放鬆對電化學存儲的一些需求,並釋放出更多電池資源用於不能使用熱能存儲的地方。

隨着我們的社會繼續電氣化,預計對電池儲存能源的需求將是巨大的,到2030年,估計每年的電池產量將達到2至10太瓦時(TWh),而現在還不到0.5TWh。隨着鋰離子電池在可預見的未來成為主導的存儲技術,一個關鍵的限制因素是原材料的有限可用性,包括鋰、鈷和鎳,這些都是今天鋰電池的基本成分。儘管伯克利實驗室正在積極努力解決這一制約因素,但也需要替代形式的能源儲存。

熱能儲存可以在一系列規模上部署,包括在單個建築物中–如你的家、辦公室或工廠–或在地區或區域一級。雖然最常見的熱能形式是使用大型的熱水或冷水箱,但還有其他類型的所謂顯熱存儲,如使用沙子或岩石來存儲熱能。然而,這些方法需要大量的空間,這限制了它們對住宅的適用性。

為了繞過這一限制,科學家們已經開發了高科技材料來儲存熱能。例如,相變材料在相間轉換時吸收和釋放能量,如從液體到固體再到固體。

相變材料有許多潛在的應用,包括電池的熱管理(防止它們變得太熱或太冷),先進的紡織品(可以自動保持溫暖或涼爽的衣服,從而實現舒適穿着,同時減少建築能耗),以及發電廠的乾式冷卻(以節約用水)。在建築物中,相變材料可以被添加到牆壁上,就像建築物的熱電池。當環境溫度上升到材料的熔點以上時,材料會改變相位並吸收熱量,從而冷卻建築物。相反,當溫度下降到熔點以下時,材料改變相位並釋放熱量。

然而,相變材料的一個問題是,它們通常只在一個溫度範圍內工作。這意味着夏季和冬季將需要兩種不同的材料,這就增加了成本。伯克利實驗室着手克服這一問題,實現所謂的過渡溫度的”動態可調性”。

伯克利實驗室試驗中的相變材料熱能儲存技術可幫助建築脫碳

圖中所示的是在建築物中整合熱能儲存的兩種不同方式。一個熱電池(由相變材料驅動)可以連接到建築物的熱泵或傳統的暖通空調系統(左),或者相變材料可以被納入牆內。

在最近發表在《細胞報告》物理科學上的一項研究中,研究人員首次在相變材料中實現動態可調性。他們的突破性方法使用離子和一種獨特的相變材料,將熱能儲存與電能儲存結合起來,因此它既能儲存也能供應熱量和電力。將熱能和電能結合到一個設備中,就像一個熱能和電能電池。更重要的是,由於能夠根據不同的環境溫度調整材料的熔點,這種能力增加了熱存儲潛力。這將大大增加相變材料的利用率。這有助於降低儲存成本,因為現在同樣的材料可以全年利用,而不僅僅是用半年閑置半年。

在大規模的建築施工中,這種結合熱能和電能的儲存能力將允許該材料儲存現場太陽能或風能操作產生的多餘電力,以滿足熱能(加熱和冷卻)和電能需求。

今年早些時候,伯克利實驗室的另一項研究解決了過冷的問題,在某些相變材料中,過冷是不理想的,因為它使材料狀態不可預測,因為它可能不會每次都在同一溫度下改變相位。由伯克利實驗室研究生助理和加州大學伯克利分校博士生Drew Lilley領導的這項研究,發表在《應用能源》雜誌上,首次展示了定量預測材料過冷性能的方法。

第三項伯克利實驗室的研究發表在今年的《應用物理學通訊》上,描述了一種發展原子和分子尺度的相變理解的方法,這對設計新的相變材料至關重要。到目前為止,大多數與相變物理學有關的基礎研究都是計算性質的,研究人員已經開發了一種簡單的方法來預測相變材料的能量密度。

第四項研究剛剛發表在《能源與環境科學》上,它開發了一個框架,允許在電池和熱能儲存之間進行直接的成本比較,這在以前是不可能的。該框架是與國家可再生能源實驗室和橡樹嶺國家實驗室的研究人員共同開發的,考慮到了終身成本。例如,熱力系統的安裝資本成本較低,而且熱力系統的壽命通常為15至20年,而電池通常在8年後就必須更換。

最後,與來自加州大學戴維斯分校和加州大學伯克利分校的研究人員合作的一項研究證明了部署基於相變材料的熱能儲存的暖通空調系統的技術經濟可行性。首先,該團隊開發了評估這種系統的能源成本節約、峰值負荷減少和成本所需的模擬模型和工具。該工具將向公眾開放,它將使研究人員和建築商能夠比較帶有熱能儲存的暖通空調系統與帶有或不帶有電化學儲存的全電動暖通空調系統的系統經濟性。

這些工具提供了一個前所未有的機會,以探索熱能儲存-集成暖通空調的現實應用的經濟性,整合熱能儲存使我們能夠大大減少熱泵的容量,從而降低其成本,這是推動降低生命周期成本的一個重要因素。

接下來,該團隊繼續為小型商業建築開發一個”可現場使用”的暖通空調系統原型,該系統採用了基於相變材料的冷熱電池。這樣一個系統將冷卻和加熱負荷從電網中轉移出來。最後,該團隊正在部署一個住宅規模的現場演示,重點是家庭電氣化和轉移家庭加熱和熱水負荷。

這項研究得到了能源部能源效率和可再生能源辦公室的建築技術辦公室的支持。