“美國最大”能源存儲工廠將在拜登現(xiàn)金刺激下開創(chuàng)巨型“混凝土電池”。近日，西屋電氣公司已獲得美國政府的資金支持，用于其在阿拉斯加開發(fā)的1.2GWh抽水蓄能項(xiàng)目。這一舉措標(biāo)志著未來美國最大的儲能設(shè)施的建設(shè)，將為計(jì)劃中的風(fēng)電項(xiàng)目提供有力支持。
之前，美國能源部 (DOE) 宣布將撥款3.25億美元用于支持15個(gè)儲能項(xiàng)目。西屋電氣公司與Echogen Power Systems在阿拉斯加開發(fā)的1.2GWh抽水熱力項(xiàng)目就是其中之一。
該項(xiàng)目將采用一套系統(tǒng)，其中大型熱泵從電網(wǎng)吸取電力并將其轉(zhuǎn)化為儲存在混凝土塊中的熱量。在需要時(shí)，通過熱機(jī)將存儲的能量轉(zhuǎn)換回電能。該項(xiàng)目的開發(fā)旨在有力支持計(jì)劃中的風(fēng)力發(fā)電，展現(xiàn)了一種智能而可持續(xù)的能源整合方案。
西屋公司表示，該系統(tǒng)采用“容易獲得且廉價(jià)的本地材料，如碳鋼、水和混凝土”，可在全球范圍內(nèi)快速部署。同時(shí)，阿拉斯加工廠將展示“突破性技術(shù)”。西屋的長期儲能系統(tǒng)有望提高可再生能源在電網(wǎng)中的滲透率，實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)的同時(shí)確保整體穩(wěn)定性。
今天我們要探討的是一項(xiàng)源自美國的尖端科技，即麻省理工開發(fā)的一種名為超級電容器的水泥“儲能方案”。一提到“超級”，你可能會想到一些高科技的納米材料，或者一些特殊的合金，但麻省理工給出的答案卻會讓你驚訝：水，水泥，炭黑。
你或許會感到驚訝，用水泥和炭黑制作儲能裝置，這真的行得通嗎？
這項(xiàng)技術(shù)利用了水、水泥和炭黑這三種成本低廉的材料，能將一棟大樓、一條道路轉(zhuǎn)化為一個(gè)龐大的儲能裝置，以儲存和釋放大量能量。這種古老而豐富的材料可能成為儲存風(fēng)能和太陽能發(fā)電場能源的重要組成部分，用于構(gòu)建地基供電的房屋，以及為行駛中的電動汽車提供充電的道路。
這種堅(jiān)固的材料可用作建筑物混凝土基礎(chǔ)的組成部分。一塊寬3.5米的材料可儲存約10kWh的能量，相當(dāng)于一個(gè)家庭的平均每日用電量。據(jù)稱，它還可用于修建道路，為電動汽車提供非接觸式充電，就像現(xiàn)在手機(jī)可以無線充電一樣。若將此儲能系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)能和太陽能發(fā)電場后，便可在多余能量不需要時(shí)將其存儲到超級電容器中。
這使其擁有極高的內(nèi)表面積，對于材料的充電能力至關(guān)重要。
最重要的是，因?yàn)檫@些材料在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用非常廣泛，成本也最低，而且無需單獨(dú)制造電池，可以與建筑、道路等相結(jié)合，從而將成本降到最低。
這個(gè)技術(shù)的確稱不上是傳統(tǒng)意義上的“電池”，它更像是一種同時(shí)具備了電池和電容功能的儲能裝置。簡單來說，電池是通過在介質(zhì)中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，而電容則通過物理過程，將電荷分隔并儲存在兩個(gè)導(dǎo)電電極之間。
水泥作為建筑的基本材料，而炭黑與微米級的炭材料一樣，可用于制造油墨、顏料、橡膠等等。這兩種物質(zhì)看似毫不相關(guān)，但一旦與水混合，就會發(fā)生奇妙的化學(xué)變化。
研究者們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥與水發(fā)生反應(yīng)時(shí)，會產(chǎn)生一些微小的空隙；而炭黑則會因水的排斥作用而聚集在這些微孔中，形成類似于金屬絲的“卷曲”結(jié)構(gòu)。這些卷曲結(jié)構(gòu)就像橋梁一樣，將兩塊極板連接在一起，使整個(gè)混合物具備導(dǎo)電性能。
然后，將混凝土制成兩個(gè)電極，浸泡在標(biāo)準(zhǔn)的電解質(zhì)材料如氯化鉀中，這種鹽能夠提供帶電粒子，通過薄薄的間隔或絕緣層隔開，就形成了一個(gè)極為強(qiáng)大的超級電容器，能夠儲存電能，并保持穩(wěn)定地進(jìn)行超過1萬次的充放電循環(huán)，而一般的鋰離子電池只能進(jìn)行數(shù)百到數(shù)千次的循環(huán)。
進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，添加的碳黑越多，超級電容器存儲的能量就越多，但混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也會下降，所以可以針對所需混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不同，來添加碳黑制造混凝土“電池”，只要大于3%就可以了。
比如對于建筑地基或風(fēng)電渦輪機(jī)底座，添加10%的碳黑可以達(dá)到最佳的平衡點(diǎn)，你想到什么沒有？風(fēng)電不是不穩(wěn)定嗎？如果把底座變成一個(gè)大電池，不就徹底解決問題了嗎？
研究人員為此制作了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室版的小型超級電容器來驗(yàn)證，他們用水、水泥和碳黑制造了一些和紐扣電池差不多大小的“混凝土電池”，直徑1厘米，厚度1毫米，每個(gè)都可以充放1伏的電壓，相當(dāng)于1伏的電池。
之后他們把三個(gè)超級電容器連接起來，結(jié)果令人驚訝，3伏的發(fā)光二極管真的被點(diǎn)亮了。
而電容器的儲能量是和電極的體積相關(guān)的，這意味著如果把1毫米變成1米后，就可能提供更多的電力，甚至為整個(gè)家庭供電。
研究人員下一步將制造一個(gè)12伏汽車電池大小的版本，然后是一個(gè)45立方米的版本——大約3.5米邊長的立方體，可以存儲約10千瓦時(shí)的電能，足以為一座房屋提供每天的用電量。
如果這種混凝土“電池”開發(fā)成功，并能穩(wěn)定運(yùn)行，或許會帶來革命性的變革或機(jī)遇，對環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會產(chǎn)生極大的影響。
隨著麻省理工的研究取得成功，水泥“儲能方案”很可能會成為解決能源存儲和分配方面的一大突破。這意味著我們可以更高效地利用清潔能源，降低對化石燃料的依賴，從而推動全球綠色能源的發(fā)展。
試想一下，未來的城市景象：高樓大廈的地基成為了巨大的儲能裝置，吸收并儲存太陽能、風(fēng)能等清潔能源。公路變成了能量儲存的通道，為行駛其中的電動汽車提供持續(xù)能源，無需頻繁充電。這不僅將減少能源的浪費(fèi)，也將大幅度減少環(huán)境污染。
還可以把這種混凝土制成供暖系統(tǒng)，用于地板、墻體供暖，或人行道除冰除雪，水管防凍，農(nóng)業(yè)大棚或溫室保暖等。
此外，這項(xiàng)技術(shù)還有望在偏遠(yuǎn)地區(qū)和發(fā)展中國家得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗梢詾槟切]有穩(wěn)定能源供應(yīng)的地方提供可靠的電力來源。這將對健康、教育、通訊等方面產(chǎn)生積極影響，提升人們的生活質(zhì)量。
怎么樣？是不是感覺潛力巨大啊，當(dāng)然，這一切還需要持續(xù)的努力和研究，但麻省理工的水泥“儲能方案”無疑為我們指明了一條光明的道路。
