什麼是沙電池？ 你需要知道的一切

來自芬蘭的沙電池的消息最近成為頭條新聞，儘管該系統僅儲存和釋放熱量。

蓄熱不是一項新技術，但這個試點項目突出了綠色能源技術和系統的一些未來可能性。

這篇文章著眼於用於儲能的沙子技術以及類似技術，以及它們對世界的意義。

來自沙子的能量？

天然沙子具有許多特性，使其成為熱能儲存的理想介質。 您可以將其加熱到超過 1,000°C (1,832°F) 的溫度而不會出現問題，並且它可以將這種熱量保持數天、數週甚至數月，而損失最小。

如果您認為電池是一種存儲在特定時間產生的能量的方式，因此它可以在不同的時間使用，那麼用電能加熱以進行存儲和以後使用的沙子就是電池。

來自芬蘭的病毒沙電池

在芬蘭西部的 Kankaanpaa 區，有一個由 Polar Night 開發的專利儲熱能源系統。 它使用來自可再生能源的多餘電能將 7 米高、4 米寬的筒倉中的沙子加熱到 600°C (1,112°F)，以供區域供熱網絡儲存和以後使用。

這裡有幾件事很重要。 首先，使用的能源是風能和太陽能等可再生能源的過剩發電量。 這消除了出於商業目的與其他儲能係統的任何客觀比較。

其次，該系統僅用於儲熱和輸送——即電能轉化為熱能並儲存在沙子中。 然後，當需要時，熱量被提取並分配到需要的家庭和工廠。

第三，天然沙子可以容納相當多的能量。 例如，這款芬蘭極地之夜電池在 600 攝氏度左右可容納 100 噸沙子，在 100 千瓦的加熱容量下總共存儲了 8 兆瓦時的能量。 這使得沙子成為一種非常便宜的儲能介質，沒有花哨的技術、裝置或危險的要求。

關於季節性熱能儲存

季節性熱能儲存或簡稱 STES，已經存在了很長時間。 在最簡單的形式中，您可以在夏季從屋頂收集熱水並將其保存在地下水箱中，然後您可以在冬季用於取暖。

然而，大多數 STES 系統在低於 100°C 的溫度下儲存熱量，這使得它們可以為家庭和辦公室供暖，但不太適合其他工業用途或發電。

該方法很簡單，將任何可以捕獲和保持熱量的介質暴露於輻射源，例如太陽、工業廢熱等。 系統的效率取決於熱交換方法及其效率。

接下來，您必須將加熱的介質存儲在絕緣外殼中，以最大限度地減少能量損失。 一些外殼可以保溫好幾個月。

最後，儲存介質在冬季被抽出，通過另一個熱交換裝置（如散熱器加熱器）為家庭和辦公室供暖。 用作STES存儲介質的常用材料包括水、油、土壤、鹽水合物等。

儲存熱能的流行用途

儲存的熱能有很多用途，具體取決於預期的應用。 以下是最受歡迎的：

1. 家庭和辦公室供暖——儲存的熱量可以很容易地為冬季的生活和工作空間提供供暖。
   
2. 熱水——熱量也可以轉移，為日常使用提供隨時可用的熱水。
   
3. 工業應用——熱水用於廣泛的工業應用，從混合到清潔、食品加工、製造溶劑、滅菌等等。
   
4. 電力生產——您還可以使用儲存的熱能將水加熱成蒸汽，並讓它驅動渦輪機，而渦輪機反過來又驅動交流發電機產生電力。

沙電池的經濟學

與沙子相比，水可以儲存更多的能量，但它從 100°C (212°F) 向上變得不穩定，而沙子很容易包含 600°C (1112°F) 的溫度。

水也將比沙子更長時間地保留其熱能，這使水成為季節性能量儲存的更好介質。 但是，如果您正在考慮在數小時或幾天內耗盡熱量的應用程序，那麼沙子再次成為首選。 它非常適合補充間歇性能源，例如光伏太陽能和風能。

回到芬蘭的沙子電池，這個 7 米高的鋼製容器專為 100 噸沙子而設計，可容納高達 8MWh 的能量。

換個角度來看，美國家庭平均每年使用約 10MWh 的能源，而歐洲的這一數字從羅馬尼亞的 2MWh 到瑞典的 9MWh 不等。 此外，30-50% 的能源用於冬季取暖。

這意味著一個 7 米高的沙水庫可以產生足夠的電力來為幾個家庭供暖過冬，具體取決於您所在的位置。 但考慮到它的規模，在人口密集的城市中心應用它是不切實際的。

另一方面，將其 100kW 的供暖能力轉換為 30% 的電力可以在白天為 20 多個家庭提供足夠的電力，在晚上為更多的家庭提供電力。

因此，經過適當優化，每千瓦時容量成本約為 5 美元的沙子電池可以替代目前鉛酸和鋰離子電池系統每千瓦時 100 美元以上的成本。 是的，它可能更笨重，但它更便宜。

發電用沙電池

儲存熱能以供以後用於發電是一項經過驗證且可靠的技術，已在聚光太陽能 (CSP) 項目中實施了數十年。

現代 CSP 系統中的能量是通過將數百或數千個鏡子集中在一個熔爐中來捕獲的。 然後，這些鏡子在一天中跟踪太陽，以確保爐子的持續熱量高達 565°C (1,049°F)。

CSP 裝置通常非常大，面積跨越數百萬平方英尺（~1+km2），其太陽能接收器位於中心，發電能力在 100+ 兆瓦範圍內。

含有 60% 硝酸鈉和 40% 硝酸鉀的熔鹽混合物用於在 CSP 系統中儲存能量以供夜間發電。 然而，與沙電池不同的是，這種鹽混合物在高溫下會熔化，使其像流體一樣流動。

CSP 和沙子電池系統都將太陽能轉化為熱能，效率大致相同，均為 15-20%。 但是，雖然 CSP 熔鹽系統將儲存的熱量轉化為電能的效率約為 50%，但芬蘭沙電池的理論效率為 20-25%。

CSP 系統在商業上是可行的，因此，如果您可以調整這種芬蘭電池以達到 30% 以上的熱電轉換效率，那麼它就可以成為一種可行的技術，以廉價存儲和供應可再生電力。

類似的存儲技術

還有許多其他形式的能量存儲，每一種都有其優點和缺點。 最受歡迎的類型包括：

1. 電化學能量存儲——正如您在電池中發現的那樣，它利用兩種元素之間的電位差通過可逆的電化學反應來存儲和釋放能量。
   
2. 機械能量儲存——這涉及不同的方法，包括使用飛輪和彈簧，以及通過絞盤和增加物體高度將能量儲存在物體中的引力系統。
   
3. 熔鹽儲能 (MSES) – 這裡的儲能是熱能的，例如使用 60% 硝酸鈉和 40% 硝酸鉀的組合。
   
4. 熱水——這種方法可以在一個 50 加侖的熱水箱中儲存多達 6kWh 的能量。
   
5. 抽水蓄能——最便宜的儲能形式。 然而，它的主要問題是可以實施的位置有限。
   
6. 壓縮空氣——與水力類似，這種方法只是壓縮空氣來儲存能量。 然後，當您需要能量時，您釋放壓縮空氣為渦輪機提供動力。
   
7. 飛輪——您只需使用能量來旋轉平衡良好的輪子，從而將其存儲為動能，可用於運動或發電。
   
8. 液流電池- 這是一種電化學存儲系統，其中電解質位於不同的罐中，並且必須從充滿電的罐流到空的充電罐。 然後為電解質充電，您只需反轉流動即可。 這種方法可以產生非常強大的電池，因為兩種電解質通過可以廣泛擴展的膜相互作用。
   
9. 相變材料——這些材料在熔化時吸收能量，然後在固化時釋放能量。 它們非常適合在精確溫度下儲存熱能。

常見問題 (FAQ)

結論

我們已經完成了對沙電池及其經濟潛力的探索。 您一定已經意識到，它們提供了許多可能性。

從為社區供熱到發電，矽砂極其便宜，使其成為未來能源項目的有前途的媒介。