全球首个商用“沙电池”供热系统正式投入使用

自工业革命以来，化石能源始终是推动人类文明前进的燃料。即便是大力发展可再生能源的现在，化石能源依旧占全球能源总消耗的80%以上。几乎所有机器的运作，都是建立在石油、天然气和煤炭之上。

而经过数十年的努力，虽然我们找到了核电、水电、风电等新能源，却依旧难以取代化石能源。这是因为非化石的各种发电虽然无污染，但稳定性基本都严重受自然现象制约。

其中光电受太阳影响，风电受天气影响，水电也怕枯水季，导致总是无法在需要时发电，同时也产生了很多垃圾电。因此将富余时的绿色能源储存起来，留到有需要的时候使用，便成了异常重要的问题。

说到把电存起来，我猜屏幕前的你一定想到了电池!作为一种最常见的化学储能方式，电池早已深入我们生活的方方面面。而无论是从传统的锂基“大电池”装置，到液流电池、硅相变电池、熔盐电池、铁空气电池、重力电池、二氧化碳膨胀电池，其在效率、尺寸、位置、安装成本、运营成本、输入和输出额定功率、寿命以及可以储存能量的时间方面，都有着各自的优点和缺点。

据英国《每日邮报》报道，芬兰西部的一家初创公司建造了世界上第一个功能齐全的商用沙子储能供热系统，据称一次能够储存可再生能源长达数月。如果你曾在夏天烈日暴晒过的海滩上赤脚走过，肯定会对灼热的沙子印象深刻。这些储存在沙子里的太阳能热量为一种新型电池的开发提供了灵感。在芬兰，一家名为“极夜能源”(Polar Night Energy)的初创公司就开发出了一种新技术，并建成了世界上第一座功能齐全的“沙电池”供热系统。

该热能储存系统由一个巨大的绝缘钢筒组成，可容纳约100吨建筑用沙。来自太阳能电池板和风力涡轮机的能量可以使沙子升温至500摄氏度，并产生热空气，在筒仓内循环。这种“绿色”能源可以在需要时，例如在缺乏阳光、气温下降的时候，或者在冬季能源价格过高的时候，提供给周围区域的供暖系统。

极夜能源公司的研究人员称，这种沙电池可以为全年利用可再生能源为建筑物供暖的问题提供解决方案，并最终用于发电。该公司联合创始人Markku Ylönen在接受采访时说：“向绿色能源的过渡导致可用电力出现巨大变动，进而导致生产和消费的不匹配。这种不匹配有时会相当可观，可能会出现高达数十吉瓦(GW，1吉瓦等于10^9瓦特)的不可用电力。”

“我们的储热电池可以为大量能源提供一个低成本的‘水槽’，使其在高温下以热量的形式存储起来，并将这些能源以可用的形式用于工业和区域供热，甚至未来也可以用于发电。” Markku Ylönen补充道，“其中关键之处在于我们可以提供的存储规模，我们能够以合理的成本存储几十吉瓦时的能量，而且系统不会随着时间的推移而显著衰减。”随着气候变化的加剧，以及化石燃料的价格上涨，导致了近年来对可再生能源的投资激增。然而，对许多绿色能源解决方案而言，如何将环境资源(如风能和太阳能等)中获取的能源储存起来以供未来使用，是一个巨大的挑战。

风能和太阳能产生的电力可以并入国家电网，但对电力的需求是恒定的，可再生能源的供应则是间歇性的。这意味着，在缺乏阳光和风力较低时产生的能源供应不足仍必须由化石燃料来弥补。就芬兰当地而言，由于最近其寻求加入北约的举动，该国的主要电力来源俄罗斯已经停止了天然气和电力供应，这让芬兰的能源自给问题更加紧迫。在芬兰，冬天一般从11月至4月，可以持续200天，温度可以降至零下45摄氏度，居民供暖用能是主要的能耗品类。极夜能源公司的两位创始人Tommi Eronen和Markku Ylönen声称，他们的沙电池可以储存电网容量饱和时产生的多余可再生能源。不久前，该公司已经在芬兰西南部坎康佩(Kankaanpää)的瓦塔扬科夫斯基(Vatajankoski)发电厂安装了沙电池，并与区域供热网络相连。

普通电池多使用锂或锂合金作为阳极材料，但金属锂的资源开采成本昂贵，而且所能容纳的多余电量有限。极夜能源的沙电池储热系统安装于今年年初，并于2022年5月投入使用。该电池使用了“电阻加热”的工作原理，即可再生能源产生的电能通过加热电阻元件，振动元件内部的粒子，使其升温。这些电阻元件可以将沙子加热到500摄氏度以上，进而加热空气，使其通过填满沙子的储热容器中的一系列管道进行循环，一次可以使可再生能源储存数月。

当电力需求较高而供应不足时，沙电池系统可以将热空气排出到一个热交换器中，在那里使水加热升温。之后，热水被泵到该地区周围，为3.5万居民的建筑供暖。“我们可以为通往坎康佩的水管提供大约200千瓦的加热电力，”Markku Ylönen说道。

从沙电池储热系统出来的热水被混合到供暖系统中，通过水循环为整个街区提供部分热能。这一比例会随季节而变化，因为集中供暖网络的负荷高度依赖于环境温度。极夜能源的试点发电厂可以储存现有电网的电力，以及太阳能电池板和风力涡轮机产生的电力。可靠的储热系统使坎康佩能够以最低的成本发电或购买电能，然后在最需要的时候分配热量。

据英国广播公司网站7月4日报道，芬兰研究人员已经安装了世界上第一款正常工作的、一次可以储存数月绿色电力的“沙子电池”。

研发人员说，这可以解决全年供应问题，而这是绿色能源面临的一个主要问题。

这种设备使用低品位沙，充入由来自太阳能或风能的低价电力制造的热量。这些沙子储存500摄氏度左右的热量，然后可以在冬季能源价格更高时为家庭供暖。

芬兰使用的大部分天然气来自俄罗斯，因此乌克兰战争令绿色能源备受关注。

供暖和供电来源问题令政治家和民众都忧心忡忡，尤其是考虑到即将到来的漫长而寒冷的芬兰冬天。然而，在芬兰西部一个小发电厂的角落里出现了一种新技术设备，它有可能缓解一些担忧。

这个设备的关键组成部分是什么?堆在一个暗灰色筒仓里的约100吨建筑用沙。这些粗糙的沙子很可能代表着一种简单且划算的、储存电力以供人们在最需要时使用的方式。

由于气候变化以及现在化石燃料价格迅速上涨，新的可再生能源生产方面的投资激增。虽然新的太阳能电池板和风力涡轮机可以迅速加入国家电网，但这些额外能源也带来了巨大挑战。最棘手的问题是其间歇性——在没有阳光、没有风的时候，如何让电灯不熄灭?

在电网中加入更多可再生能源，还意味着需要增加其他能源来保持网络平衡，因为电力过多或过少会导致它崩溃。

在电网变得更加环保之际，对这些问题的最显而易见的答案是可以储存能源和平衡能源需求的大型电池。

目前，大多数电池都是用锂制成的，价格昂贵，而且只能存储有限的过剩电力。

但在坎康佩镇，一个年轻的芬兰工程师团队完成了沙子电池的首次商业安装。这个团队认为，这种电池可以通过低成本、对环境影响小的方式解决储存问题。

该产品的研发者马尔库·于勒宁说：“无论什么时候，只要有这么多可用的绿色电力，我们就希望能够非常迅速地把它储存起来。”

该装置被安装在运行地区供暖系统的瓦塔扬科斯基发电厂。

低成本电力通过电阻加热使沙子温度达到500摄氏度。这会产生热空气，热空气通过热交换器在沙子中循环。

沙子是储存热量的有效介质，长期储存过程中的损耗很小。研发人员说，他们的装置能将沙子保持在500摄氏度长达数月。

因此，当能源价格上涨时，电池会释放热空气，给地区供暖系统的水加热，这些热水随后被输送到住宅、办公室甚至当地的游泳池。