一箱冰或热水可以是电池吗？是的！如果电池是用于储存能量的设备，那么储存热水或冷水为建筑物的供暖或空调系统供电是一种不同类型的储能。该技术被称为热能存储，已经存在了很长时间，但经常被忽视。现在，劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的科学家们正在齐心协力地将热能储存提升到一个新的水平。
为了克服传统水基热能储存的一些局限性，伯克利实验室的科学家们正在研究开发下一代材料和系统，用作加热或冷却介质。他们还创建了一个分析成本的框架以及一个比较成本节约的工具。在今年发表的一系列论文中，伯克利实验室的研究人员报告了这些领域的重要进展。
“使建筑物脱碳是非常具有挑战性的，特别是在供暖方面，”伯克利实验室能源技术副实验室主任Ravi Prasher说。“但是，如果你以最终用途的形式储存能量，即热量，而不是以能源供应的形式，即电力，那么成本节约可能会非常引人注目。现在，通过我们开发的框架，我们将能够权衡热能存储与电力存储的成本，例如锂电池，这在迄今为止是不可能的。
在美国，建筑物占总能耗的40%。其中，几乎一半用于热负荷，包括空间加热和冷却以及水加热和制冷。换句话说，产生的所有能量中有五分之一用于建筑物中的热负荷。到2050年，随着天然气的逐步淘汰和供暖越来越多地由电力驱动，预计热负荷对电网的需求将急剧增加。
“如果我们使用热能存储，其中原材料更丰富以满足热负荷的需求，这将放宽对电化学存储的一些需求，并释放电池用于无法使用热能存储的地方，”伯克利实验室热能小组负责人Sumanjeet Kaur说。
伯克利实验室的科学家Ravi Prasher（左）和Sumanjeet Kaur正在领导一项开发热能存储以使建筑物脱碳的努力。 （图片来源：Thor Swift/Berkeley Lab）
可行、经济高效的电池替代品
随着我们的社会继续电气化，对电池储存能量的需求预计将是巨大的，到 2 年估计达到 10 至 2030 太瓦时 （TWh） 的电池年产量，从今天的不到 0.5 太瓦时。在可预见的未来，锂离子电池将成为主导的存储技术，一个关键的制约因素是原材料的可用性有限，包括锂、钴和镍，这是当今锂电池的基本成分。尽管伯克利实验室正在积极努力解决这一限制，但也需要替代形式的储能。
“锂电池现在在原材料供应方面面临巨大压力，”Prasher说。“我们相信热能储存可以成为其他形式的储能的可行，可持续和具有成本效益的替代方案。
热能存储可以以各种规模部署，包括在单个建筑物中 - 例如在您的家中，办公室或工厂 - 或在地区或区域级别。虽然最常见的热能形式使用大型热水箱或冷水箱，但还有其他类型的所谓显热储存，例如使用沙子或岩石来储存热能。然而，这些方法需要大量的空间，这限制了它们对住宅的适用性。
从液体到固体，然后再返回
为了绕过这一限制，科学家们开发了高科技材料来储存热能。例如，相变材料在相之间转换时吸收并释放能量，例如从液体到固体再返回。
相变材料有许多潜在的应用，包括电池的热管理（防止它们变得太热或太冷），高级纺织品（想想可以自动保持温暖或凉爽的衣服，从而在降低建筑能耗的同时实现热舒适性）和发电厂的干式冷却（节约用水）。在建筑物中，相变材料可以添加到墙壁上，就像建筑物的热电池一样。当环境温度上升到材料熔点以上时，材料会改变相位并吸收热量，从而冷却建筑物。相反，当温度降至熔点以下时，材料会改变相位并释放热量。
然而，相变材料的一个问题是它们通常只在一个温度范围内工作。这意味着夏季和冬季需要两种不同的材料，这增加了成本。伯克利实验室着手克服这个问题，并实现转变温度的所谓“动态可调性”。
图中显示了在建筑物中集成热能存储的两种不同方法。热电池（由相变材料供电）可以连接到建筑物的热泵或传统的HVAC系统（左），或者可以将相变材料整合到墙壁内。（图片来源：伯克利实验室）
在最近发表在Cell Reports Physical Science上的一项研究中，研究人员是第一个在相变材料中实现动态可调性的研究人员。他们的突破性方法使用离子和独特的相变材料，将热能存储与电能存储相结合，因此可以存储和供应热量和电力。
“这项新技术确实是独一无二的，因为它将热能和电能结合到一个设备中，”应用能源材料组负责人，该研究的共同通讯作者高柳说。“它的功能就像一个热电池和电池。更重要的是，这种能力增加了蓄热潜力，因为能够根据不同的环境温度调整材料的熔点。这将显著提高相变材料的利用率。
Kaur也是该论文的合著者，他补充说：“从更大的角度来看，这有助于降低存储成本，因为现在相同的材料可以全年使用，而不仅仅是半年。
在大型建筑施工中，这种结合的热能和电能存储能力将使材料能够存储现场太阳能或风能操作产生的多余电力，以满足热（加热和冷却）和电力需求。
推进相变材料的基础科学
伯克利实验室今年早些时候的另一项研究解决了过冷的问题，在某些相变材料中，过冷度非常不冷，因为它使材料不可预测，因为它可能不会每次在相同温度下改变相位。在伯克利实验室研究生助理和加州大学伯克利分校博士生Drew Lilley的带领下，这项研究发表在《应用能源》杂志上，首次展示了定量预测材料过冷性能的方法。
伯克利实验室今年发表在《应用物理快报》（Applied Physics Letters）上的第三项研究描述了一种发展原子和分子尺度上理解相变的方法，这对于设计新的相变材料至关重要。
“到目前为止，大多数与相变物理学相关的基础研究本质上都是计算性的，但我们已经开发出一种简单的方法来预测相变材料的能量密度，”Prasher说。“这些研究是重要的步骤，为更广泛地使用相变材料铺平了道路。
苹果对苹果
刚刚发表在《能源与环境科学》杂志上的第四项研究开发了一个框架，该框架将允许在电池和热能存储之间进行直接成本比较，这在以前是不可能的。
“这是一个非常好的框架，人们可以比较 - 苹果对苹果 - 电池与热存储，”Kaur说。“如果有人来找我，问我，'我应该安装Powerwall（特斯拉的锂电池系统来存储太阳能）还是热能存储，'没有办法比较它们。这个框架为人们提供了一种了解多年来存储成本的方法。
该框架是与国家可再生能源实验室和橡树岭国家实验室的研究人员一起开发的，考虑了生命周期成本。例如，热系统的安装资本成本较低，热系统的使用寿命通常为 15 到 20 年，而电池通常需要在 <> 年后更换。
用于在建筑暖通空调系统中部署热能存储的仿真工具
最后，加州大学戴维斯分校和加州大学伯克利分校的研究人员进行的一项研究表明，部署基于相变材料的热能存储的HVAC系统的技术经济可行性。首先，该团队开发了所需的仿真模型和工具，以评估此类系统的能源成本节约、峰值负载降低和成本。该工具将向公众开放，将使研究人员和建筑商能够将具有热能存储的HVAC系统的系统经济性与具有和没有电化学存储的全电动HVAC系统进行比较。
“这些工具为探索热能存储集成HVAC的实际应用的经济性提供了前所未有的机会，”伯克利实验室项目负责人Spencer Dutton说。“集成热能存储使我们能够显着降低热泵的容量，从而降低成本，这是降低生命周期成本的重要因素。
接下来，该团队继续为小型商业建筑开发一种“现场就绪”原型HVAC系统，该系统采用基于相变材料的冷热电池和热电池。这样的系统将冷却和加热负荷从电网转移出去。最后，该团队正在部署一个住宅规模的现场演示，重点是家庭电气化和转移家庭供暖和热水负荷。
“如果你考虑一下世界各地的能源消耗方式，人们认为它以电力的形式消耗，但实际上它主要以热量的形式消耗，”伯克利实验室储能中心执行主任Noel Bakhtian说。“如果你想让世界脱碳，你需要使建筑和工业脱碳。这意味着您需要使热量脱碳。热能储存可以在那里发挥重要作用。
