科普作家洛茲·布萊恩(Loz Blain)2022年7月5日在New Atlas網(wǎng)上發(fā)文說，世界第一個(gè)商用“沙電池”在芬蘭開始儲(chǔ)能……[1]

在芬蘭，極夜能源公司(Polar Night Energy)和“新能源”公用事業(yè)公司(瓦塔揚(yáng)科斯基，Vatajankoski)開發(fā)了一種儲(chǔ)能系統(tǒng)，以普通的沙子作為介質(zhì)，以熱能的形式儲(chǔ)存多余的可再生能源。極夜能源說，沙是鋰離子和其他電池技術(shù)的廉價(jià)替代品，可以熱的形式儲(chǔ)能幾個(gè)月。

芬蘭使用新型“電池”探索沙子作為儲(chǔ)能介質(zhì)的潛質(zhì)

眾所周知，風(fēng)能和太陽(yáng)能是斷斷續(xù)續(xù)的，可用時(shí)能發(fā)電，但在需要時(shí)又不一定能發(fā)電，因此綠色能源轉(zhuǎn)型需要大量?jī)?chǔ)能設(shè)施?？刹扇《喾N形式，從傳統(tǒng)的鋰基“大型蓄電池”裝置，到流體電池、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，以及其他更不常見的理念，如浮力電池等等儲(chǔ)能。

每種電池，在效率、規(guī)模、位置、安裝成本、運(yùn)行成本、輸入與輸出功率等級(jí)、壽命以及儲(chǔ)能時(shí)間等方面，有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。這樣很好，因?yàn)椴煌慕鉀Q方案將滿足不同的需求，某些在瞬間需求峰值時(shí)支持電網(wǎng)，另一些則消除日常的需求和可再生能源供應(yīng)之間的不匹配曲線，而有些還有助于解決季節(jié)性供應(yīng)短缺問題，如在冬季太陽(yáng)能出力下降……

下圖是芬蘭西部的一個(gè)沙堆。極夜能源說，這是它為“新能源”公司Vatajankoski推出的第一款商用“沙電池”。這里距離赫爾辛基只有幾個(gè)小時(shí)的車程。

世界上第一個(gè)商用沙基儲(chǔ)熱系統(tǒng)目前在芬蘭西部投入運(yùn)行

這是個(gè)圍繞大型保溫鋼筒建成的高效儲(chǔ)熱系統(tǒng)，鋼筒寬約4米，高7米，內(nèi)裝普通、“用過的”沙子。使用埋在沙中簡(jiǎn)單的熱交換器，使沙子受熱，裝置能儲(chǔ)存多達(dá)8MWh的熱能，標(biāo)稱額定功率100kW，能把沙子加熱到約500-600℃。

需要時(shí)，再以同樣的方式提出熱能。Vatajankoski公司正在利用這樣儲(chǔ)存的熱能，以及來自它自身數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的余熱，通過循環(huán)水與地區(qū)供暖網(wǎng)絡(luò)連接，給建筑物、游泳池、工業(yè)過程，或者任何其他需要熱能的場(chǎng)合供熱。

該公司在電視采訪中告訴記者，裝置的效率非常高。極夜能源首席技術(shù)官馬庫(kù)·伊洛寧(Markku Ylönen)說，“把電能轉(zhuǎn)化為熱能很容易”，但把熱能轉(zhuǎn)化為電能，需要汽輪機(jī)和更復(fù)雜的東西。如果只是用于供熱、采暖，非常簡(jiǎn)單。該公司聲稱裝置的效率因子高達(dá)99%，能以最低損耗持續(xù)儲(chǔ)熱數(shù)月，壽命長(zhǎng)達(dá)幾十年。

幾個(gè)“優(yōu)勢(shì)”引人注目

極夜能源說，這種沙子并沒有什么特別之處，只需要干燥，沒有可燃的碎屑。該公司認(rèn)為，沙是一種超低甚至零成本的儲(chǔ)熱介質(zhì)，整個(gè)過程這么簡(jiǎn)單和廉價(jià)，以至于聲稱，設(shè)施裝機(jī)成本每千瓦時(shí)不到10歐元(US$10.27);全自動(dòng)方式運(yùn)行，無需消耗品，運(yùn)行成本也最低。

該公司透露將繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模，要有20GWh左右的儲(chǔ)能設(shè)施;某些設(shè)計(jì)，額定功率幾百M(fèi)W, 加熱沙子溫度可高達(dá)1000℃。如果廢棄的礦井形狀合適，可在其中建造大型地下儲(chǔ)熱裝置。不需要高壓容器，通常涉及的最大成本是管道工程。

“極夜能源”的商業(yè)名稱，當(dāng)然指芬蘭北部部分地區(qū)冬天看不到太陽(yáng)，因?yàn)榫暥雀?～北緯68度)，隆冬季節(jié)，連續(xù)幾個(gè)星期沒有光照。在這個(gè)季節(jié)，“沙電池”將發(fā)揮最大作用：在芬蘭寒冷的冬天，它長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存的熱能，可用于建筑物廉價(jià)和清潔地供暖。

固態(tài)沙介質(zhì)儲(chǔ)能的確有它自己的特點(diǎn)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)允許沙內(nèi)有多個(gè)儲(chǔ)能“區(qū)域”。這就可建一個(gè)系統(tǒng)，目的在于沙圓筒的中心長(zhǎng)期儲(chǔ)熱，而只在接近頂部表面或外部，短期重復(fù)利用的周期較短。這對(duì)于水或熔鹽之類的液態(tài)介質(zhì)是不可能的，因?yàn)橐后w會(huì)不斷地混合和移動(dòng)。

公平地說，這個(gè)系統(tǒng)只在集中供暖的地區(qū)才會(huì)有廣泛的應(yīng)用。但集中供暖的數(shù)量驚人。所有斯堪的納維亞的住房，幾乎一半采用集中采暖方式。在其他許多地區(qū)，包括中國(guó)北部和美國(guó)也是如此。

照此，“使命創(chuàng)新”倡議[2]的氣候解決方案架構(gòu)做了估計(jì)。據(jù)說到2030年，部署的極夜能源公司的儲(chǔ)能系統(tǒng)將充分發(fā)揮其潛力，足以取代碳燃燒“熱源”，把每年的溫室氣體排量減少57-283億噸二氧化碳當(dāng)量。這將是個(gè)相當(dāng)重大的貢獻(xiàn)。

見解與思考

“沙電池”是芬蘭初創(chuàng)公司極夜能源公司開發(fā)的專利“沙-基儲(chǔ)熱系統(tǒng)”。公開報(bào)道后反應(yīng)強(qiáng)烈，關(guān)鍵是其適用于世界廣大的高緯度寒冷地區(qū)采暖，工程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、運(yùn)行高效、清潔、安全。最大優(yōu)勢(shì)是長(zhǎng)周期、高效儲(chǔ)存電網(wǎng)上富裕的電力，在寒冷季節(jié)為集中熱力系統(tǒng)大量供熱。

盡管報(bào)道說，將電能轉(zhuǎn)化為熱能很容易，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工仍然有訣竅。如利用電網(wǎng)富裕的電力，高效儲(chǔ)熱、升溫，就值得專業(yè)人士深入研究。

改革開放以來，國(guó)家科學(xué)技術(shù)有巨大進(jìn)步。但引進(jìn)技術(shù)，利用世界最先進(jìn)的科技成果，相互學(xué)習(xí)，仍可少走許多“彎路”，累計(jì)效益巨大。

資料與注釋

[1] Loz Blain, World's first commercial sand battery begins energy storage in Finland，New Atlas, July 05, 2022; Miika Peltola, The First Commercial Sand-based Thermal Energy Storage in the World Is in Operation - BBC News Visited Polar Night Energy, Polar Night Energy, July 5, 2022.

[2] Mission Innovation is a global initiative to catalyze action and investment in research, development and demonstration to make clean energy affordable, attractive and accessible to all this decade. This will accelerate progress towards the Paris Agreement goals and pathways to net zero.