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）