上海市太阳能学会

在储能方面，电池并不是全部。硅砂储能为可再生能源时代的可靠电力和供热提供低成本途径。

SolarPACES报道，电网规模的长期存储对于实现气候目标至关重要。太阳能光伏和风电将成为新能源经济的重要组成部分，但前提是我们能够增加足够的储能，使这些间歇性能源能够以更低的成本和更长的持续时间按需调度。为此，美国国家可再生能源实验室（NREL）研究人员开发了一个系统，以测试一种新型热储能技术，该技术使用廉价的硅砂作为储能介质。通过使用低成本热储能和高效动力循环（ENDURING）技术构建经济可行的长时储能系统是一种可靠、经济高效且可扩展的解决方案，可以在任何地方安装和部署。该储能技术能够经济可行地存储高达26GWht的热能/135MWe电力，可用于建筑和工过程用热，以NREL研发的4天热能储存装置ENDURING，图片来源：Jeffrey Gifford, Patrick Davenport, Zhiwen Ma及替代燃煤或天然气发电设施。

图片来源：Jeffrey Gifford, Patrick Davenport, Zhiwen Ma

NREL研发的4天热能储存装置ENDURING

报道表示，当前，我们需要一种不影响环境、不受地点限制，但又像抽水蓄能一样的便宜、长时效的储能技术。为此，3年前，美国能源部（DOE ）高级研究计划署-能源（ARPA-E）“DAYS”计划资助NREL推进由光伏或风能剩余电 力充电的长持续时间（100小时）热能储存项目。

硅砂颗粒储热

热能储存是商业化太阳能光热电站中经过全面验证的技术，其广泛使用的介质是熔盐。然而越来越多的研究表明，硅砂颗粒作为存储介质的温差比熔盐高得多，熔盐的工作范围在290℃～560℃，而硅砂颗粒则可达300℃～1000℃。

“自2011年以来，我们一直在研究基于颗粒的热能储存，最初用于太阳能光热发电。”NREL项目负责人Zhiwen Ma说，“现在已经扩展到独立的颗粒热能储存和工业过程热，以及建筑物中的加热和冷却，通过取代煤炭和天然气，实现更广泛的脱碳。”

图片由 NREL 的 Patrick Davenport 和 Al Hicks 提供

在一个新的 NREL 开发的粒子热能存储系统中，二氧化硅颗粒通过电阻加热元件重力供给。加热的颗粒储存在绝缘的混凝土筒仓中。当需要能量时，加热的粒子通过热交换器发电。该系统在电力需求高的时期放电，并在电力便宜时充电。

ENDURING项目 技术被称为“模块化、经济高效、随处可建的粒子热能存储技术，实现长期电力储存”。据介绍，该 热能储存周期长达4天，循环30年或更长时间，并且成本不超过2.5美分/kWh。

在太阳能光热电站中摊销储热成本中，热能储存已经比电池便宜。为了降低独立蓄热的成本，NREL设计了一个重新利用现有的涡轮机和颗粒筒仓技术的系统。

目前，这项新技术证明了可以通过130MWe/26GWht的基于颗粒热能储存系统的存储和释放电力长达4天，约100小时。 该系统可以根据客户对能源的需求而扩大或缩小，但一般会有几层楼高。该系统既可以连接到电网，也可以安装在退役或需要更新的煤电站或天然气电站。

替代游离气体；空气，而不是发电厂中的天然气

ENDURING项目团队与GE公司合作，将储能与燃气轮机动力循环集成。科罗拉多矿业学院博士生和NREL合作者Jeffrey Gifford表示，关键是要尝试在功率循环方面尽可能多地使用商业系统，因为它们已经发展了一百年，技术非常成熟。

硅砂颗粒将加热空气（一种以氮气为主的混合气体）以驱动商业的燃气轮机。作为一种比天然气更环保的气体，当被储存的沙粒加热时，它可以驱动与目前天然气发电厂使用的相同的热燃气轮机，而无需进行任何改动。混合气体将被储存在90米高的筒仓（相当于现在工业筒仓的高度）中，加热沙粒。

“我们希望研制一个可以与现有系统集成的热能存储系统。”Giffords说，就像我们当前在需要时启动天然气发电厂一样便捷，这是我们长期储能系统的作用，即能够塑造可以调度的风能和太阳能。

运行方式

该系统的运行方式是，将廉价的硅砂颗粒储存在4个90米高的筒仓中，这些筒仓经过隔热以储存热量。来自电网的电线连接到筒仓顶部的加热器，沙子在电加热棒上层叠，将其温度提高到1200℃，并将其堆积起来，填充筒仓。

在筒仓底部，热沙通过一对锁形料斗落入热交换器中，热沙加热空气，然后漏斗并流向电力块，在那里它运行涡轮机，产生电力。 为了防止颗粒污染空气，像戴森真空一样的离心力将颗粒与空气分离，以便在流入涡轮机之前清理加热的空气。

在筒仓底部300℃温度下冷却的硅砂，然后用一个由行业合作伙伴的子公司设计的绝缘箕斗提升机，重新提升到筒仓顶部，沿着筒仓侧面运行。 在100MW的存储系统中，这种寄生能源仅消耗1～4MW的电力。

系统“充电时”是将电能转为热能储存的过程

系统“发电”时，高温硅砂经机械提升，流进管式换热器外层，加热发电介质进行发电

ENDURING系统的原型加热器和热交换器

在充电或放电模式下，4个筒仓将连续清空和补充。存储的热能可以根据电网需求进行释放，他们可能只是将加热的颗粒保持数天，直到需要为止。热量损失约为1%/天，几乎可以忽略不计。

下一步将建设一个2~5MW中试测试系统

“ENDURING项目将于今年春天结束。在前3年，我们测试了所有组件，以确保该试验系统可以正常工作。现在我们正在寻找并积极寻求将其从实验室规模转变为中试规模。”Gifford说，他主要负责对这些组件中的每一个进行建模，以评估其在100MW或更多的全尺寸下的表现。

“我们的项目正在开创一个使用颗粒和空气涡轮机进行电力储存的集成系统。”他指出，我们做了很多基础测试，建立了一堆不同的测试站，对系统的所有新颖组件进行实验室规模的测试，如新的电阻加热器或储料仓或热交换器等。

为了降低新型组件的风险，他们示范了流化床热交换器，并使用涡轮机械与动力岛集成。该团队在1200℃至300℃之间进行了100次循环。在1200℃的炉子中对颗粒耐久性进行了500小时的热测试，没有发现降解。

到目前为止，美国能源部的资金使该团队能够将实验室规模的开发提升到“技术就绪等级 (TRL)”为5。下一步是建立一个2～5MW中试规模的测试系统。

NREL已经与Babcock&Wilcox公司开展合作开发这种储热能技术，Babcock&Wilcox公司拥有独家知识产权。此外，Xcel Energy已经表现出了兴趣，但与其他公用事业公司一样，他们需要首先看到试点规模级别的系统，NREL团队希望在未来几年内获得资金。

“接下来，我们希望获得资金用于全面的组件测试，我们已经申请了ARPA-E计划，放大以提升到技术就绪等级7级。如果我们被选中，市场资金进入，这可以为预商业化提供足够的资金。” ENDURING项目的研究员Zhiwen Ma认为 ，因为SCALEUP的资金旨在将有前途的新型能源技术推向商业规模，ARPA-E将于2022年8月宣布获奖者。