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混凝土变充电池!水泥储能有望成绿能发电最佳拍档?
方展策
作者:方展策评论评论:点击率点击率:

发表时间: 2021-12-10 16:39:53

作者介绍

少年时,曾研习 Geographic Information System,可惜学无所成,侥幸毕业。成年后,误打误撞进入传媒圈子,先后在印刷、电子、网络媒体打滚,略有小成。中年后,修毕信息科技硕士,眼界渐扩,决意投身初创企业,窥探不同科技领域。近年,积极钻研数据分析与数码策略,又涉足 Location Intelligence 开发项目;有时还会抽空执教鞭,既可向他人分享所学,亦可鞭策自己保持终身学习。

   全球现已吹响碳中和(Carbon Neutrality)的号角,而实现碳中和非要提高可再生能源的发电比例不可。现时建造一座新的太阳能或风力发电厂已比燃煤电厂便宜,但储存可再生能源的电力却相当昂贵,故此廉价、高效的储能技术愈来愈受到重视。除传统的抽水蓄能与大热的电池储能外,近年还有一项特殊储能技术——“水泥储能”异军突起。究竟建筑用的混凝土怎样可以变身为储能装置?其储电表现又会否比现今主流方案更具成本效益呢?


混凝土块搭积木塔储能


   2021年9月,以水泥储能技术挂帅的瑞士初创企业Energy Vault宣布,将透过与一家“特殊目的收购公司”(SPAC)合并的方式,在纽约证券交易所挂牌上市,合并后的公司估值高达11亿美元(约85.8亿港元),因而令这种崭新的水泥储能方案受到市场关注。其实,前日本首富孙正义早已看中Energy Vault的新型储能技术:2019年,孙正义旗下的软银愿景基金(SoftBank Vision Fund)向该公司投资1.1亿美元(约8.58亿港元)。


   成立于2017年的Energy Vault构想出以混凝土块搭积木的方式,实现储能效果。当太阳能或风力发电厂有剩余电力时,便会利用这些电力驱动6座塔式起重机,把每片重达35吨的混凝土块吊到最高120米的高处,让电能转化为混凝土块的位能(Potential Energy)。遇上电力不足时,就把混凝土块从高处放到低处,藉着落下时释放的下坠力,带动发电机运作,让位能转化为电能。


   当起重机在其周围堆栈了一座由5,000多片混凝土块组成、高达120米的积木巨塔时,水泥储能系统便处于“完全充电”状态,可储存20兆瓦时(MWh)的电能,能够满足2,000户瑞士家庭一整天的用电量。


由6台吊塔组成的巨型起重机,在发电厂有电能盈余时,把剩余的电能用来驱动起重机,逐一将混凝土块吊起,堆栈成120米高的积木巨塔;当电力匮乏时,吊塔把混凝土块放下,在落下的过程中,吊塔连接的发电机会被带动发电。(图片来源:Energy Vault官网)


2020年7月,Energy Vault在瑞士提契诺州筑建了首个电网级规模的水泥储能示范装置,并连接到瑞士公用电网,进行大规模的持续测试。(图片来源:Energy Vault官网)


科技信息网Quartz于2018年发布一段Energy Vault原型机的运作短片。从片中所见,仅有20米高的测试塔被多重钢箍牢牢紧绑,以防崩塌。钢索在吊运混凝土块时的摆幅十分明显,远不止几毫米。由此可见,搭建120米高的混凝土块积木巨塔时,非常容易出现偏差。(图片来源:翻摄Quartz的YouTube官方影片)


废料循环再造混凝土块


   水泥储能系统最昂贵的部分是那些混凝土块。为求降低成本,Energy Vault研制了一款机器,可以把建筑废料、煤灰、泥土等循环再造,成为使用寿命达30年的混凝土块。这种都市里常见的废物,可说是完全免费的原料;甚至乎,有建筑工地愿意付钱给别人,代为处理这些建筑垃圾。


   在最理想的情况下,Energy Vault不但可以为发电厂提供储能服务来赚钱,更可以向建筑工地收取废料处理费来获得额外收入。该公司指出,水泥储能系统的储能效率可以高达90%,优于现存的储能方案:抽水蓄能的储能效率大概为60%至75%,电池储能则为80%左右。


   Energy Vault又宣称,水泥储能系统的输出功率在2.9秒内能够从0%增加到100%,在极短时间内响应电网的供电需求。另外,这套系统在选址上没有特别的地理条件限制,还可以按照客户要求,订制规模正好满足供电需求的储能设施。因此,当年软银愿景基金认为,这是极具前景的储能技术,于是乐意向Energy Vault投入1.1亿美元的融资。


巨塔遇强风或移位倒塌


   然而,有不少科学家质疑,这项储能技术在实际应用时,可能会面临各种运作上的挑战。一座由5,000多片混凝土块堆栈而成的积木巨塔,输出功率等于同等高度的风力发电机;换言之,可能要给每台风力发电机都配备一座储能巨塔,那么风电场的占地面积岂非要扩大一倍!


   一般混凝土砖在生产时会排放大量二氧化碳,相信由都市废物再造而成的新型混凝土块也不能例外。如此一来,制造混凝土块所产生的碳排放量,会否比绿能发电省下来的还要多呢?


   此外,堆砌积木巨塔对起重机的操作精度要求极高。起重机透过几十米长的缆索,吊起逾5,000片混凝土块,运送至误差少于几毫米的指定位置;稍有差池的话,百米巨塔随时就会倒塌。尽管有先进的软件系统进行控制,但如遇有强风,摆放位置会否出现偏差呢?一旦发生地震,巨塔会否塌下来?长时间运作后,塔基会否出现沉降或歪斜呢?事实上,混凝土块搭积木技术的容错率是非常低,任何一次失误,都足以让整座巨塔崩塌瓦解,瞬间变成一堆废土。


高楼大厦变身水泥电池


   若说混凝土重力储能方案尚有不少技术难题有待克服,那么索性把混凝土当作充电池使用又如何?2021年3月,来自瑞典查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology)的建筑与土木工程研究团队,发表了一种可充电的混凝土混合物,并成功制造出可充电水泥电池(Rechargeable Cement-based Battery)的原型;假如日后能够量产,未来我们所住的高楼大厦便会化身为大型混凝土电池,让内里的住宅供电变成自给自足。


   要制成这种水泥电池,首先研究人员要在混凝土中添加0.5%短碳纤维,当做电解质;跟着,把具有镍或铁涂层的网状碳纤维分别嵌进混凝土,充当电极板,其中铁为阳极,镍为阴极。电解质会在带正电的镍板与带负电的铁板之间传递离子,藉此形成电位,进而产生电压。


   历经6个充电与放电循环后,研究团队发现,水泥电池的平均能量密度达到每平方米7瓦时(Wh)。与锂电池相比,这样的能量密度仍然很低,不过如果整栋建筑物都是由这种可充电混凝土所建成,就可以用巨大体积来克服能量密度不足的问题。假设一间100平方米的房子,有200平米混凝土墙和地板,这样就等同一个200平方米的水泥电池,每天可储能2千瓦时(kWh),大概等于一间房子每日耗电量的7.5%。


   因为水泥电池产生的电流与电压较低,所以在100年内都不会对内里的碳纤维造成显著侵蚀。同时,充电期间产生的温度也不会太高,只会使墙壁比环境温度略高几度,未致于大幅提高室内温度。


120米高的混凝土块巨塔,输出功率跟一座同等高度的风力发电机属同一级别;如果要落实推行此储能方案,可能要为每一台风力发电机配备一座水泥巨塔。(图片来源:Energy Vault官网)


瑞典查尔姆斯理工大学的研究团队成功制造出9厘米高、9厘米宽、1厘米厚的可充电混凝土板,能量密度达到每平方米7瓦时。(图片来源:查尔姆斯理工大学)


水泥电池的结构有如“三明治”,顶层为有铁涂层的碳纤维网充当阳极,底层以有镍涂层的碳纤维网作为阴极,中间则是含有短碳纤维的混凝土混合物。(图片来源:查尔姆斯理工大学)


水泥储能具低成本优势


   目前水泥电池技术仍处于研发的初期阶段,如要将之商业化,还是有不少问题有待解决。譬如说,混凝土建筑物通常可以使用50年至100年,水泥电池的使用寿命能否要提升至这一标准?当水泥电池寿命结束时,要以什么方法进行更换与回收?回收后能否循环再造成新的水泥电池?这些问题都是研究团队要面对的重要课题。


   在世界碳中和的愿景下,太阳能与风力发电技术都已经很成熟的今天,扩大可再生能源发电比例的最大拦路虎之一,正是廉价而高效的储能技术。当下最主流的抽水蓄能方案,虽然储能成本低,每度电只需十几美分,但对特殊地理条件的依赖性却很高:既要有足够多的江河湖泊等水资源,又有足够大的地势落差来修建水坝,不是有很多地方可以满足这些条件。


   正因如此,电池储能遂成为近年大热的储能方案。凭着能量密度高、循环寿命长、自放电率低、没有地理限制等优点,电池储能系统在全球的装机率迅速增长。可是,其每度电的成本却高达20至30美分(约1.56至2.34港元)。相较之下,混凝土块储能的每度电成本只有5美分(约0.39港元),不仅远远低于电池储能,更连抽水蓄能的三分之一也不到。这就是为什么水泥储能技术甫问世,已获得如此多关注。


   彭博能源财经(Bloomberg New Energy Finance)预估,及至2030年底,全球储能装置规模将达到1,028吉瓦时(GWh,即100万千瓦时),是2020年底的30倍以上,这背后涉及对储能系统逾2,620亿美元(约2.04兆港元)的投资。相信未来10年内将会有更多公司研发更先进的新型储能技术,以抢占这庞大的新蓝海市场。


抽水蓄能的运作过程是,发电厂利用过剩电力来驱动水泵,将水从低处送到高处的水库来储存能量;电力匮乏时,让水从高处落下,推动水轮发电机发电。(图片来源:Pixabay)


在电池储能系统的支持下,风力发电机的剩余电能将被储存至锂电池组;风停了的时候,即可释放锂电池组内电能,以维持供电的稳定性。(图片来源:Tesla官网)

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