盐和沙子如何替代锂电池
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我们都知道能源的未来在于可再生能源。它们是2023年世界上最便宜的电源。这是个好消息。 但是遇到了一个小问题。 我们如何存储所有这些能源？不是一直都是晴天，也不是 24-7 刮风，所以我们需要一种方法来保持储备。“我们需要更好的电池，这是肯定的。” 到目前为止，可再生能源的主要电池解决方案是锂离子电池。 但是采矿会污染、剥削人，而且电池有爆炸的习惯。它们不会持续足够长的时间，我们将需要更多的容量。那么我们的选择是什么？ 输入：盐、水、重力、非常热的空气、非常冷的空气和大量的沙子。听起来像是幼儿园的野外活动日，但这些东西真的能解决我们的能量储存问题吗？ 在我们进入闪亮的新事物之前，我们必须谈谈锂离子电池。它是世界上增长最快的电池领域。科学家在20 世纪 70 年代的石油危机期间开始开发它。 他们希望这能让西方摆脱对化石燃料的依赖。如果这听起来有点耳熟，那是因为一切都没有改变。但是您需要一段时间才能真正购买。工程师 Stanley Whittingham、Akria Yoshino和 John B. Goodenough 帮助开发了第一批商用锂离子电池，该电池于 1991 年投放市场。他们因此获得了诺贝尔奖。
“你和好人一起工作，他们做了所有艰苦的工作，你坐下来，尽可能多地获得荣誉！哈哈哈！”锂离子电池擅长在较短的时间内提供大量电力，因此我们一直依赖它来生产消费电子产品和现在的电动汽车。而且它几乎也是我们用于存储电网规模可再生能源的唯一电池。但是开采锂是有问题的。提取过程涉及将地下水沉积物泵送到地表。这使用大约70,000升来制造一吨锂。 地球上一半以上的资源位于阿根廷、玻利维亚和智利之间。开采它消耗了该地区本已稀缺的水资源供应的 65%。锂离子电池通常还使用钴，钴价格昂贵，主要在刚果民主共和国开采。新闻报道涵盖了臭名昭著的剥削性业务，该业务使用儿童矿工并破坏当地社区。锂电池可能易燃。 如果你不能把它们带上飞机，你绝对应该三思而后行，考虑用一个巨大的飞机来支撑你的电网。他们失去了能力，所以长寿真的不是他们的强项。所以锂离子电池可以工作，但它们不是储存能量的唯一解决方案，尤其是在电网规模上。 根据国际能源署的数据，到 2040 年，我们将需要近 10,000 吉瓦时的储能才能实现气候目标。这是当前市场规模的 50 倍。今天，它实际上是另一种技术，抽水蓄能，占全球存储容量的 96%。“它基本上依赖于非常简单的引力原理。”这是拉姆亚·斯瓦米纳坦。 她实际上是一家蓄热公司的负责人，我们稍后会谈到，但她对水绝对没有问题。“你有两个水库或湖泊，一高一低，当你有很多多余的能量时，你可以使用多余的能量将水抽到山上更高的水库。当你想要恢复能量时，你 让水流到下游并驱动涡轮发电机。 但是，这些项目很难建造。”这些水库占据了大量空间，您需要恰到好处的地理位置：两个湖泊和一座小山。他们中的许多人也在传统的水力发电大坝中工作，这需要大量的前期资金并破坏栖息地。
与这些水库相比，储存可再生能源需要更多的灵活性和模块化。一种正在取得进展的有前途的替代品来自您可以在厨房餐桌上找到的东西：盐。“钠的含量要丰富得多，而且它在化学上与锂相似。它在元素周期表中属于同一组。”这是罗莎·帕拉辛。她是巴塞罗那材料科学研究所的电池研究员。她说这是最直接的替代方案，因为它基本上模仿了锂离子电池技术。钠也有一个价电子——最外层的电子数。 但钠的含量高出一千倍，价格便宜 20-40%，而且对温度变化不敏感。所以，爆炸没有问题。但它确实具有较低的能量密度，因此电池更重，这就是它没有更早商业化的原因。但是，如果它是用于网格，则这无关紧要，因为一切都是静止的。现在，时间至关重要。“钠离子的技术准备水平更高，更接近商业化。” 虽然它们已经上市，但分析师预计它们将在未来几年内大规模生产。 也有针对钙、镁和锌电池的研究，但对于这些，“该技术确实处于实验室演示水平。”说到盐，如果我们能以热的形式将能量储存在非常、非常、非常热的盐中会怎么样？这就是 Swaminathan 的马耳他公司在美国所做的事情。“我们直接从风能或太阳能等可再生能源中获取电能，或者直接从电网中获取电能，然后将其转化为热能。” 事实证明，熔盐是一种很好的热量保存器。它看起来有点像水，并且具有大致相同的粘度。它是这样工作的：当产生过多的电力时，这些能量被用来在非常高的温度下加热一个大型的、绝缘的熔盐储罐。高熔点意味着盐可以吸收大量能量。
它损失的热量很少，可以保持 6 小时以上。相比之下，锂电池只能维持四小时以下。当电网需要电力时，发电厂通过涡轮机将热量重新转化为电能。这些植物中的一种可以为一个大城镇提供至少 10 小时的电力。马耳他的第一座商业工厂要到 2025 年才会亮相。虽然其材料成本相对较低且系统可扩展性很强，但其效率仍落后于水电和锂。希望市场最终会使其可行。 您可以对我们之前提到的沙堆做类似的事情。几个芬兰人决定使用一些当地的桩来解决芬兰最大的能源问题之一：供暖。 他们没有将热量转化为电能，而是直接使用它。“存储容量比锂电池便宜1000倍左右。”那是 Markku Ylönen。他与他人共同创立了一家制造砂电池的公司。“我们将电能转化为热能。 我们可以将其制造得如此便宜，以至于我们可以使用大量能源。”多少沙子？“100吨沙子。”它可以在500-600°C左右储存数月的热量。这些热量然后直接进入温暖的市政建筑。最重要的是，它可以为重工业部门提供热量，重工业部门是最大的温室气体排放国之一。在寒冷的国家，这个解决方案很有意义。 该公司目前有一个系统供暖西南部小镇 Kankaanpää，人口 13,000。100 吨沙子电池在技术上可以保持数月的高温，但他们会在2周的周期内为这个电池充电以保持高效。该公司还试图采购建筑行业未使用的沙子，因为沙子也很稀缺，并打算制造更大的电池。请记住，这些只是几个解决方案。 目前有数十种技术，每种技术都在争夺自己在市场上的地位。例如，液流氧化还原电池是电网规模存储的另一个重要竞争者。它们的功能与锂离子电池没有什么不同。在后者中，电子通过称为电解质的液体在两个电极之间移动，从而产生电流。在液流电池中，这种液体电解质储存在外部。槽越大，存储容量越大，这意味着液流电池可以非常容易地缩放。什么需要规模？你猜对了：网格。到 目前为止，用金属钒制成的液流电池是最先进的，尽管铁、溴和钠也有发展。钒的优势在于它基本上是不朽的。它可以反复循环而不会降解。电池可以使用大约 30 年，但这只是因为您必须更换管道和水箱。您可以取出钒并在新的钒中重复使用。“化学技术、基于重力的技术、机械技术、液流电池——所有这些东西——这是我们正在努力解决的巨大需求。我认为我们将需要所有这些。”每种技术都有优点和缺点，因此他们必须找到自己的特定应用。
在电动汽车市场的推动下，投资一直集中在新电池技术上。 到 2027 年，全球电网规模市场预计将以每年 25% 的速度增长。其中，氧化还原流似乎最有希望。它们只是在商业上还不够成熟。事实上，我们不会很快放弃锂离子电池。对电动汽车的巨大需求意味着那里的一些技术和开发效率将溢出到电网。但化石燃料行业已融入经济。使整个系统（包括基础设施和政策）适应可再生替代品是一项巨大的挑战。好消息？ 投资在那里。
2020 年，电网规模电池的支出增长了 60% 以上。归根结底，成本是限制采用新技术的最大因素。市场将决定他们已经走了多远，以及他们将走多远。您知道甚至石头也可以用作能量储存吗？ 事实证明，大自然为我们提供了各种解决方案。我们只需要弄清楚如何正确使用它们。 |
