熱化學(xué)儲(chǔ)熱實(shí)現(xiàn)15$/kWhth的儲(chǔ)熱投資成本？
發(fā)布者：本網(wǎng)記者Alice | 來(lái)源：CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng) | 1評(píng)論 | 15149查看 | 2014-06-22 18:35:00
光熱發(fā)電的最大優(yōu)勢(shì)毫無(wú)疑問(wèn)是其可通過(guò)廉價(jià)的儲(chǔ)熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電，尋求最具成本經(jīng)濟(jì)效益的可行的儲(chǔ)熱技術(shù)方案是削減光熱發(fā)電成本的關(guān)鍵。這其中最有潛力和前景的技術(shù)是熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)。
CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)報(bào)道：儲(chǔ)熱的方法按照原理可以分為顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱三類?，F(xiàn)在主流的太陽(yáng)能熱發(fā)電儲(chǔ)熱裝置是雙罐融鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，屬于顯熱儲(chǔ)熱， 存在著蓄熱密度低、成本高、低溫凝固、高溫分解和腐蝕等問(wèn)題。很多研究人員在開發(fā)高溫混凝土顯熱蓄熱技術(shù)，但混凝土的蓄熱密度過(guò)低，影響了其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。潛熱蓄熱的蓄熱密度大， 但存在著導(dǎo)熱系數(shù)低等問(wèn)題。熱化學(xué)反應(yīng)蓄熱具有更大的能量?jī)?chǔ)存密度，而且不需要保溫，可以在常溫下無(wú)損失地長(zhǎng)期儲(chǔ)存熱能。
有潛力削減光熱發(fā)電的儲(chǔ)熱成本的方案有兩種，分別是：采用一種新型的儲(chǔ)熱材料，或采用一種新的工藝流程。
在今年6月份公布的一項(xiàng)價(jià)值1000萬(wàn)美元的資金支持計(jì)劃中，美國(guó)能源部SunShot計(jì)劃正在支持儲(chǔ)熱技術(shù)向上述兩個(gè)方向進(jìn)行研發(fā)。研究者們獲得SunShot的支持以嘗試研發(fā)新型的儲(chǔ)熱材料，并開發(fā)一種新的工藝來(lái)儲(chǔ)存這些材料，即以實(shí)際的化學(xué)鍵方式。
科羅拉多礦業(yè)大學(xué)和Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)獲得了SunShot計(jì)劃的支持。他們采用熱化學(xué)儲(chǔ)存的方式，利用砂石顆粒類的鈣鈦礦（指一類具有特定結(jié)構(gòu)的氧化物陶瓷）作為儲(chǔ)熱材料；佛羅里達(dá)州立大學(xué)和南方研究所則正在研究采用碳酸鹽化學(xué)儲(chǔ)熱材料；加州大學(xué)洛杉磯分校正在研究氨化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)，西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室則采用金屬氫化物儲(chǔ)熱技術(shù)。
與當(dāng)前領(lǐng)先的采用熔鹽儲(chǔ)熱的光熱發(fā)電儲(chǔ)熱技術(shù)不同，熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)通過(guò)類似于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里的本生燈那樣的熱化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行。該輪SunShot資金支持被稱為新型工程性熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)的高效利用均衡機(jī)制(ELEMENTS)。
更高的能量密度
Pitchuman表示，“我們之所以聚集熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)，是因?yàn)檫@種通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)以化學(xué)鍵的方式存儲(chǔ)太陽(yáng)能的技術(shù)擁有更高的能量密度。相對(duì)其它儲(chǔ)熱方式，這種技術(shù)可以在更小的存儲(chǔ)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)相同的儲(chǔ)熱量，從而降低投資成本?！?/div>
SunShot計(jì)劃的目標(biāo)是降低光熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)建設(shè)的投資成本降至15美元/kWhth以下，這將幫助光熱發(fā)電的LCOE在2020年實(shí)現(xiàn)6美分/kWh以內(nèi)的宏偉目標(biāo)。
僅僅在最近的三年內(nèi)，光熱發(fā)電的LCOE成本已經(jīng)被削減至13美分/kWh，這使我們?cè)谶~向最終的6美分/kWh的終極目標(biāo)的道路上實(shí)現(xiàn)了很大的跨越，比三年之前的27美分/kWh的成本已經(jīng)降低了一半。這是目前在無(wú)補(bǔ)貼的情況下可以實(shí)現(xiàn)的成本數(shù)據(jù)。
在無(wú)補(bǔ)貼的情景下進(jìn)行對(duì)比，大規(guī)模光伏發(fā)電的LCOE目前大約為11美分/kWh，而光熱發(fā)電帶儲(chǔ)熱的LCOE已經(jīng)可以達(dá)到13美分/kWh的水平。
金屬氫化物
其中一個(gè)受SunShot計(jì)劃資助的單位，即西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）獲得了2906415美元資助。其技術(shù)方案是把高溫和低溫的金屬氫化物組合在一起，形成低壓力儲(chǔ)熱。
金屬氫化物在釋放熱量后不會(huì)結(jié)晶，這與熔鹽不同，其不需要吸收能量來(lái)保持某種流動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)其可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的壽命周期，PNNL期待其可以滿足30年的壽命目標(biāo)。
高級(jí)研究科學(xué)家EwaRonnebro解釋了PNNL為何選擇金屬氫化物作為熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)的研發(fā)方向來(lái)實(shí)現(xiàn)SunShot的目標(biāo)。他說(shuō)，“金屬氫化物在工作狀態(tài)時(shí)擁有比熔鹽高八倍的能量密度，因此在儲(chǔ)存同樣的能量時(shí)，我們的系統(tǒng)在體積方面可以縮小至八分之一?！?/div>
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“我們采用低成本的金屬，輔以一種簡(jiǎn)單的緊湊的工程化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。我們基于一種高焓值的可逆的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)這種熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)接近100%的儲(chǔ)熱效率?！?/div>
他的團(tuán)隊(duì)采用的技術(shù)基于一種雙金屬氫化物床的設(shè)計(jì)，這種金屬氫化物吸熱后可達(dá)到的運(yùn)行溫度高達(dá)675攝氏度，金屬氫化物可以保持在環(huán)境室溫下，在有太陽(yáng)的白天用于吸收熱量，在需要時(shí)釋放熱量以發(fā)電。
這兩種金屬氫化物粉末將被存儲(chǔ)入不銹鋼罐中，兩個(gè)罐子相互連接，以實(shí)現(xiàn)在環(huán)境溫度下的互相流通。
“金屬氫化物運(yùn)行在675攝氏度的較高溫度范圍，基于可逆的熱化學(xué)反應(yīng)，這種技術(shù)比熔鹽的500~550攝氏度的運(yùn)行溫度更高，因此我們可以獲得99%的放能效率”。
早期的成功
SunShot計(jì)劃支持那些處于早期研發(fā)階段的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，他們可以據(jù)此扶持對(duì)技術(shù)進(jìn)行示范，高溫金屬氫化物儲(chǔ)熱技術(shù)可以滿足光熱儲(chǔ)熱技術(shù)的開發(fā)目標(biāo)。
“SunShot的ELEMENTS項(xiàng)目于今年的6月1日啟動(dòng)，一年之后，我們將可以看到這種金屬氫化物儲(chǔ)熱技術(shù)被應(yīng)用于一個(gè)3kWh的示范系統(tǒng)內(nèi)，用于驗(yàn)證該技術(shù)?！盧onnebro表示。
如果這個(gè)實(shí)驗(yàn)取得成功，他們將與高級(jí)冶金粉末制造商ADMA、Butler Sun解決方案公司和前Sandia太陽(yáng)能熱化學(xué)研究人員Diver Solar的Richard Diver合作在下一步建設(shè)一個(gè)大型的30kW示范系統(tǒng)。
未來(lái)，他們還將合作嘗試建設(shè)更大規(guī)模的，重達(dá)1000kg的低成本的、長(zhǎng)壽命周期的金屬氫化物儲(chǔ)熱系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)240kWh的熱量存儲(chǔ)能力，放熱效率達(dá)到99%。
Ronnebro期待她的團(tuán)隊(duì)能夠幫助實(shí)現(xiàn)SunShot計(jì)劃15美元/kWhth的儲(chǔ)熱成本目標(biāo)，以幫助光熱發(fā)電實(shí)現(xiàn)6美分/kWh的均化成本。
當(dāng)然，Ronnebro的團(tuán)隊(duì)僅僅是致力于熱化學(xué)創(chuàng)新儲(chǔ)熱技術(shù)研究的其中之一。
我們是十分樂(lè)觀的，Pitchumani確信SunShot的目標(biāo)是可以實(shí)現(xiàn)的?！拔覀兂掷m(xù)向光熱發(fā)電投入研發(fā)力量，這將確保我們最終實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)”。
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