伯克利实验室的科学家Ravi Prasher(左)和Sumanjeet Kaur正在领导一项开发热能储存以使建筑脱碳的努力。信用:托尔·斯威夫特/伯克利实验室一罐冰或热水可以作为电池吗？没错。如果电池是一种储存能量的装置，那么储存热水或冷水来为建筑物的供暖或空调系统供电就是一种不同类型的能量储存。这项技术被称为热能储存，已经存在了很长时间，但经常被忽视。现在，劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家们正在齐心协力地推动热能储存更上一层楼。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，用作加热或冷却介质。他们还创建了一个分析成本的框架和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这些领域的重要进展。
伯克利实验室负责能源技术的副实验室主任拉维·普拉舍说:“建筑脱碳非常具有挑战性，尤其是在供暖方面。“但如果你以最终用途(即热量)的形式储存能源，而不是以能源供应(即电力)的形式储存，成本节约可能会非常引人注目。现在有了我们开发的框架，我们将能够权衡热能储存和电能储存的成本，例如锂电池，这在以前是不可能的。”
在美国，建筑占总能耗的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，产生的所有能量的五分之一用于建筑物的热负荷。到2050年，随着天然气逐渐被淘汰，供暖越来越多地由电力驱动，热负荷对电网的需求预计将大幅增加。
“如果我们使用热能储存，其中原材料更丰富，以满足热负荷的需求，这将放松对电化学储存的一些需求，并释放电池用于热能储存无法使用的地方，”伯克利实验室热能小组的负责人苏曼吉特·考尔说。
可行、经济的电池替代品
随着我们的社会继续电气化，对电池储存能量的需求预计将是巨大的，到2030年，电池年产量预计将从目前的不到0.5太瓦时达到2至10太瓦时。随着锂离子电池在可预见的未来成为主要的存储技术，一个关键的制约因素是原材料的有限可用性，包括锂、钴和镍，这些是当今锂电池的基本成分。尽管伯克利实验室正在积极努力解决这一限制，但也需要替代形式的能量存储。
“锂电池现在面临巨大的原材料供应压力，”普拉舍说。“我们相信，热能储存可以成为其他形式能源储存的可行、可持续和具有成本效益的替代品。”
热能储存可以在一系列规模上进行部署，包括在单个建筑中，如在您的家中、办公室或工厂中，或者在地区或区域级别上。虽然最常见的热能形式使用大罐热水或冷水，但也有其他类型的所谓显热储存，如使用沙子或岩石储存热能。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。
从液体到固体，再返回
为了克服这一限制，科学家们开发了高科技材料来储存热能。例如，相变材料在相之间转换时吸收和释放能量，例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)、高级纺织品(想想可以自动让你保暖或凉爽的衣服，从而在降低建筑能耗的同时实现热舒适性)和发电厂的干式冷却(以节约用水)。在建筑物中，相变材料可以添加到墙壁上，就像建筑物的热电池一样。当环境温度上升到高于材料的熔点时，材料会发生相变并吸收热量，从而冷却建筑物。相反，当温度降至熔点以下时，材料会发生相变并释放热量。
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。这意味着夏天和冬天需要两种不同的材料，这增加了成本。伯克利实验室着手克服这个问题，实现所谓的转变温度的“动态可调性”。
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了动态可调性。他们的突破性方法使用离子和一种独特的相变材料，将热能储存和电能储存相结合，因此它可以储存和供应热量和电力。
“这项新技术确实是独一无二的，因为它将热能和电能结合到一个设备中，”该研究的共同作者、应用能源材料小组组长刘高说。“它的功能就像一个热电电池。此外，这种能力提高了储热潜力，因为它能够根据不同的环境温度调节材料的熔点。这将大大提高相变材料的利用率。”
考尔也是该论文的合著者，他补充说:“从更大的角度来看，这有助于降低存储成本，因为现在同一种材料可以全年使用，而不是半年使用一次。”
在大规模建筑施工中，这种热电结合的储能能力将允许材料储存现场太阳能或风能操作产生的多余电力，以满足热和电需求。
推进相变材料的基础科学
今年早些时候伯克利实验室的另一项研究解决了过冷问题，过冷在某些相变材料中并不特别冷，因为它使材料不可预测，因为它可能不会每次都在相同的温度下相变。这项研究由伯克利实验室研究生助理、加州大学伯克利分校博士生德鲁·利利(Drew Lilley)领导，发表在《应用能源》杂志上，首次展示了一种定量预测材料过冷性能的方法。
今年发表在《应用物理快报》上的第三项伯克利实验室研究描述了一种从原子和分子层面理解相变的方法，这对设计新的相变材料至关重要。
“到目前为止，大多数与相变物理相关的基础研究本质上都是计算性的，但我们已经开发了一种简单的方法来预测相变材料的能量密度，”普拉舍说。“这些研究是为更广泛地使用相变材料铺平道路的重要步骤。”
苹果对苹果
刚刚发表在《能源与环境科学》上的第四项研究开发了一个框架，允许对电池和热能储存进行直接成本比较，这在以前是不可能的。
考尔说:“这是一个非常好的框架，人们可以用来比较——苹果对苹果——电池和储热。“如果有人来问我，‘我应该安装一个Powerwall(特斯拉的锂电池系统来储存太阳能)还是热能储存’，没有办法对它们进行比较。该框架为人们了解多年来的存储成本提供了一种方法。”
该框架是由国家可再生能源实验室和橡树岭国家实验室的研究人员开发的，考虑了寿命成本。例如，热系统安装的资本成本较低，热系统的寿命通常为15至20年，而电池通常在8年后必须更换。
用于在建筑暖通空调系统中部署热能存储的模拟工具
最后，加州大学戴维斯分校和加州大学伯克利分校的研究人员发表在《能源》杂志上的一项研究证明了使用基于相变材料的热能储存部署暖通空调系统的技术经济可行性。首先，该团队开发了评估此类系统的能源成本节约、峰值负载降低和成本所需的模拟模型和工具。该工具将向公众提供，将使研究人员和建筑商能够比较具有热能储存的暖通空调系统与具有和不具有电化学储存的全电动暖通空调系统的系统经济性。
伯克利实验室项目负责人斯潘塞·达顿说:“这些工具提供了一个前所未有的机会，可以探索热能储存集成暖通空调的现实应用的经济性。“集成热能存储使我们能够显著降低热泵的容量和成本，这是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“现场就绪”的原型暖通空调系统，该系统采用基于相变材料的冷热热电池。这种系统将冷负荷和热负荷都从电网转移出去。最后，该团队正在部署住宅规模的现场演示，重点是家庭电气化和转移家庭供暖和热水负荷。
伯克利实验室能源存储中心执行主任诺埃尔·巴赫蒂安说:“如果你想想世界各地的能源是如何消耗的，人们会认为能源是以电力的形式消耗的，但实际上大部分是以热量的形式消耗的。“如果你想让世界脱碳，你需要让建筑和工业脱碳。这意味着你需要去碳化热量。热能储存在那里可以发挥重要作用。”
这项研究得到了能源部能源效率和可再生能源办公室建筑技术办公室的支持。
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