自工業(yè)革命以來(lái)，化石能源始終是推動(dòng)人類(lèi)文明前進(jìn)的燃料。即便是大力發(fā)展可再生能源的現(xiàn)在，化石能源依舊占全球能源總消耗的80%以上。幾乎所有機(jī)器的運(yùn)作，都是建立在石油、天然氣和煤炭之上。

而經(jīng)過(guò)數(shù)十年的努力，雖然我們找到了核電、水電、風(fēng)電等新能源，卻依舊難以取代化石能源。這是因?yàn)榉腔母鞣N發(fā)電雖然無(wú)污染，但穩(wěn)定性基本都嚴(yán)重受自然現(xiàn)象制約。

其中光電受太陽(yáng)影響，風(fēng)電受天氣影響，水電也怕枯水季，導(dǎo)致總是無(wú)法在需要時(shí)發(fā)電，同時(shí)也產(chǎn)生了很多垃圾電。因此將富余時(shí)的綠色能源儲(chǔ)存起來(lái)，留到有需要的時(shí)候使用，便成了異常重要的問(wèn)題。

說(shuō)到把電存起來(lái)，我猜屏幕前的你一定想到了電池!作為一種最常見(jiàn)的化學(xué)儲(chǔ)能方式，電池早已深入我們生活的方方面面。而無(wú)論是從傳統(tǒng)的鋰基“大電池”裝置，到液流電池、硅相變電池、熔鹽電池、鐵空氣電池、重力電池、二氧化碳膨脹電池，其在效率、尺寸、位置、安裝成本、運(yùn)營(yíng)成本、輸入和輸出額定功率、壽命以及可以儲(chǔ)存能量的時(shí)間方面，都有著各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

據(jù)英國(guó)《每日郵報(bào)》報(bào)道，芬蘭西部的一家初創(chuàng)公司建造了世界上第一個(gè)功能齊全的商用沙子儲(chǔ)能供熱系統(tǒng)，據(jù)稱一次能夠儲(chǔ)存可再生能源長(zhǎng)達(dá)數(shù)月。如果你曾在夏天烈日暴曬過(guò)的海灘上赤腳走過(guò)，肯定會(huì)對(duì)灼熱的沙子印象深刻。這些儲(chǔ)存在沙子里的太陽(yáng)能熱量為一種新型電池的開(kāi)發(fā)提供了靈感。在芬蘭，一家名為“極夜能源”(Polar Night Energy)的初創(chuàng)公司就開(kāi)發(fā)出了一種新技術(shù)，并建成了世界上第一座功能齊全的“沙電池”供熱系統(tǒng)。

該熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)由一個(gè)巨大的絕緣鋼筒組成，可容納約100噸建筑用沙。來(lái)自太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)的能量可以使沙子升溫至500攝氏度，并產(chǎn)生熱空氣，在筒倉(cāng)內(nèi)循環(huán)。這種“綠色”能源可以在需要時(shí)，例如在缺乏陽(yáng)光、氣溫下降的時(shí)候，或者在冬季能源價(jià)格過(guò)高的時(shí)候，提供給周?chē)鷧^(qū)域的供暖系統(tǒng)。

極夜能源公司的研究人員稱，這種沙電池可以為全年利用可再生能源為建筑物供暖的問(wèn)題提供解決方案，并最終用于發(fā)電。該公司聯(lián)合創(chuàng)始人Markku Yl?nen在接受采訪時(shí)說(shuō)：“向綠色能源的過(guò)渡導(dǎo)致可用電力出現(xiàn)巨大變動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)和消費(fèi)的不匹配。這種不匹配有時(shí)會(huì)相當(dāng)可觀，可能會(huì)出現(xiàn)高達(dá)數(shù)十吉瓦(GW，1吉瓦等于10^9瓦特)的不可用電力?！?

“我們的儲(chǔ)熱電池可以為大量能源提供一個(gè)低成本的‘水槽’，使其在高溫下以熱量的形式存儲(chǔ)起來(lái)，并將這些能源以可用的形式用于工業(yè)和區(qū)域供熱，甚至未來(lái)也可以用于發(fā)電?！? Markku Yl?nen補(bǔ)充道，“其中關(guān)鍵之處在于我們可以提供的存儲(chǔ)規(guī)模，我們能夠以合理的成本存儲(chǔ)幾十吉瓦時(shí)的能量，而且系統(tǒng)不會(huì)隨著時(shí)間的推移而顯著衰減?！彪S著氣候變化的加劇，以及化石燃料的價(jià)格上漲，導(dǎo)致了近年來(lái)對(duì)可再生能源的投資激增。然而，對(duì)許多綠色能源解決方案而言，如何將環(huán)境資源(如風(fēng)能和太陽(yáng)能等)中獲取的能源儲(chǔ)存起來(lái)以供未來(lái)使用，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

風(fēng)能和太陽(yáng)能產(chǎn)生的電力可以并入國(guó)家電網(wǎng)，但對(duì)電力的需求是恒定的，可再生能源的供應(yīng)則是間歇性的。這意味著，在缺乏陽(yáng)光和風(fēng)力較低時(shí)產(chǎn)生的能源供應(yīng)不足仍必須由化石燃料來(lái)彌補(bǔ)。就芬蘭當(dāng)?shù)囟?，由于最近其尋求加入北約的舉動(dòng)，該國(guó)的主要電力來(lái)源俄羅斯已經(jīng)停止了天然氣和電力供應(yīng)，這讓芬蘭的能源自給問(wèn)題更加緊迫。在芬蘭，冬天一般從11月至4月，可以持續(xù)200天，溫度可以降至零下45攝氏度，居民供暖用能是主要的能耗品類(lèi)。極夜能源公司的兩位創(chuàng)始人Tommi Eronen和Markku Yl?nen聲稱，他們的沙電池可以儲(chǔ)存電網(wǎng)容量飽和時(shí)產(chǎn)生的多余可再生能源。不久前，該公司已經(jīng)在芬蘭西南部坎康佩(Kankaanp??)的瓦塔揚(yáng)科夫斯基(Vatajankoski)發(fā)電廠安裝了沙電池，并與區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)相連。

普通電池多使用鋰或鋰合金作為陽(yáng)極材料，但金屬鋰的資源開(kāi)采成本昂貴，而且所能容納的多余電量有限。極夜能源的沙電池儲(chǔ)熱系統(tǒng)安裝于今年年初，并于2022年5月投入使用。該電池使用了“電阻加熱”的工作原理，即可再生能源產(chǎn)生的電能通過(guò)加熱電阻元件，振動(dòng)元件內(nèi)部的粒子，使其升溫。這些電阻元件可以將沙子加熱到500攝氏度以上，進(jìn)而加熱空氣，使其通過(guò)填滿沙子的儲(chǔ)熱容器中的一系列管道進(jìn)行循環(huán)，一次可以使可再生能源儲(chǔ)存數(shù)月。

當(dāng)電力需求較高而供應(yīng)不足時(shí)，沙電池系統(tǒng)可以將熱空氣排出到一個(gè)熱交換器中，在那里使水加熱升溫。之后，熱水被泵到該地區(qū)周?chē)?，?.5萬(wàn)居民的建筑供暖?！拔覀兛梢詾橥ㄍ部蹬宓乃芴峁┐蠹s200千瓦的加熱電力，”Markku Yl?nen說(shuō)道。

從沙電池儲(chǔ)熱系統(tǒng)出來(lái)的熱水被混合到供暖系統(tǒng)中，通過(guò)水循環(huán)為整個(gè)街區(qū)提供部分熱能。這一比例會(huì)隨季節(jié)而變化，因?yàn)榧泄┡W(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷高度依賴于環(huán)境溫度。極夜能源的試點(diǎn)發(fā)電廠可以儲(chǔ)存現(xiàn)有電網(wǎng)的電力，以及太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的電力?？煽康膬?chǔ)熱系統(tǒng)使坎康佩能夠以最低的成本發(fā)電或購(gòu)買(mǎi)電能，然后在最需要的時(shí)候分配熱量。

據(jù)英國(guó)廣播公司網(wǎng)站7月4日?qǐng)?bào)道，芬蘭研究人員已經(jīng)安裝了世界上第一款正常工作的、一次可以儲(chǔ)存數(shù)月綠色電力的“沙子電池”。

研發(fā)人員說(shuō)，這可以解決全年供應(yīng)問(wèn)題，而這是綠色能源面臨的一個(gè)主要問(wèn)題。

這種設(shè)備使用低品位沙，充入由來(lái)自太陽(yáng)能或風(fēng)能的低價(jià)電力制造的熱量。這些沙子儲(chǔ)存500攝氏度左右的熱量，然后可以在冬季能源價(jià)格更高時(shí)為家庭供暖。

芬蘭使用的大部分天然氣來(lái)自俄羅斯，因此烏克蘭戰(zhàn)爭(zhēng)令綠色能源備受關(guān)注。

供暖和供電來(lái)源問(wèn)題令政治家和民眾都憂心忡忡，尤其是考慮到即將到來(lái)的漫長(zhǎng)而寒冷的芬蘭冬天。然而，在芬蘭西部一個(gè)小發(fā)電廠的角落里出現(xiàn)了一種新技術(shù)設(shè)備，它有可能緩解一些擔(dān)憂。

這個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵組成部分是什么?堆在一個(gè)暗灰色筒倉(cāng)里的約100噸建筑用沙。這些粗糙的沙子很可能代表著一種簡(jiǎn)單且劃算的、儲(chǔ)存電力以供人們?cè)谧钚枰獣r(shí)使用的方式。

由于氣候變化以及現(xiàn)在化石燃料價(jià)格迅速上漲，新的可再生能源生產(chǎn)方面的投資激增。雖然新的太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)可以迅速加入國(guó)家電網(wǎng)，但這些額外能源也帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。最棘手的問(wèn)題是其間歇性——在沒(méi)有陽(yáng)光、沒(méi)有風(fēng)的時(shí)候，如何讓電燈不熄滅?

在電網(wǎng)中加入更多可再生能源，還意味著需要增加其他能源來(lái)保持網(wǎng)絡(luò)平衡，因?yàn)殡娏^(guò)多或過(guò)少會(huì)導(dǎo)致它崩潰。

在電網(wǎng)變得更加環(huán)保之際，對(duì)這些問(wèn)題的最顯而易見(jiàn)的答案是可以儲(chǔ)存能源和平衡能源需求的大型電池。

目前，大多數(shù)電池都是用鋰制成的，價(jià)格昂貴，而且只能存儲(chǔ)有限的過(guò)剩電力。

但在坎康佩鎮(zhèn)，一個(gè)年輕的芬蘭工程師團(tuán)隊(duì)完成了沙子電池的首次商業(yè)安裝。這個(gè)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種電池可以通過(guò)低成本、對(duì)環(huán)境影響小的方式解決儲(chǔ)存問(wèn)題。

該產(chǎn)品的研發(fā)者馬爾庫(kù)·于勒寧說(shuō)：“無(wú)論什么時(shí)候，只要有這么多可用的綠色電力，我們就希望能夠非常迅速地把它儲(chǔ)存起來(lái)?！?

該裝置被安裝在運(yùn)行地區(qū)供暖系統(tǒng)的瓦塔揚(yáng)科斯基發(fā)電廠。

低成本電力通過(guò)電阻加熱使沙子溫度達(dá)到500攝氏度。這會(huì)產(chǎn)生熱空氣，熱空氣通過(guò)熱交換器在沙子中循環(huán)。

沙子是儲(chǔ)存熱量的有效介質(zhì)，長(zhǎng)期儲(chǔ)存過(guò)程中的損耗很小。研發(fā)人員說(shuō)，他們的裝置能將沙子保持在500攝氏度長(zhǎng)達(dá)數(shù)月。

因此，當(dāng)能源價(jià)格上漲時(shí)，電池會(huì)釋放熱空氣，給地區(qū)供暖系統(tǒng)的水加熱，這些熱水隨后被輸送到住宅、辦公室甚至當(dāng)?shù)氐挠斡境亍?