沙中儲能為可再生能源時代的可靠電力和熱力供應提供低成本途徑在新的NREL開發的顆粒熱能儲存系統中，二氧化硅顆粒通過電阻加熱元件進行重力供給。加熱的顆粒儲存在隔熱的混凝土筒倉中。當需要能量時，加熱的顆粒通過熱交換器供給，為電網發電。該系統在高

沙中儲能為可再生能源時代的可靠電力和熱力供應提供低成本途徑

在新的 NREL 開發的顆粒熱能儲存系統中，二氧化硅顆粒通過電阻加熱元件進行重力供給。加熱的顆粒儲存在隔熱的混凝土筒倉中。當需要能量時，加熱的顆粒通過熱交換器供給，為電網發電。該系統在高電力需求期間放電，并在電力便宜時充電。 圖片來自 NREL 的 Patrick Davenport 和 Al Hicks

隨著社區、城市和州制定雄心勃勃的能源效率和脫碳目標，儲能成為我們能源經濟中越來越重要的組成部分。太陽能和風能等可再生能源正在改變我們為建筑物、工業和電網供電的方式；然而，它們是間歇性的——即使在太陽落山或風減弱之后，我們也需要持續供電。因此，儲能對于確保持續供電至關重要，并允許能源生產商在晴天（或有風）的過度發電期間充分利用。

在能源存儲方面，電池并不是全部。

在短時儲能方面，鋰離子電池被認為是領跑者，但電池并不是全部。我們的建筑、企業、工業和電網需要更多的存儲、更低的成本、更長的持續時間和更大的容量，而不是電池所能提供的，以取代化石燃料以實現可持續的未來。

為了應對這一儲能挑戰，美國國家可再生能源實驗室 (NREL) 的研究人員正處于原型測試的后期階段，該技術改變了游戲規則的新型熱儲能技術，該技術使用廉價的硅砂作為存儲介質。使用低成本熱能儲存和高效電力循環 (ENDURING) 的經濟型長期電力儲存是一種可靠、經濟高效且可擴展的解決方案，可以安裝在任何地方。

持久的機制：可儲存的電加熱沙子提供按需電力

ENDURING 使用多余的太陽能或風能來加熱蓄熱材料——硅砂。顆粒被送入一系列電阻加熱元件，將它們加熱到 1,200°C（想象一下將沙子倒入一個巨大的烤面包機）。然后將加熱的顆粒重力送入隔熱混凝土筒倉以儲存熱能。基線系統設計用于經濟地存儲高達 26,000 MWh 的熱能。通過模塊化設計，可以相對輕松地擴展或縮減存儲容量。

當需要能量時，熱粒子通過熱交換器重力饋送，加熱和加壓內部的工作氣體，以驅動渦輪機和旋轉發電機，為電網發電。該系統會在電力需求旺盛和太陽能光伏或風能有限時放電，例如清晨和傍晚、準備晚餐期間以及打開電視時。排放后，用過的冷顆粒再次被送入絕緣筒倉進行儲存，直到條件（和經濟性）再次適合充電。

筒倉中的熱沙如何徹底改變能源脫碳

粒子熱能儲存系統可以利用退役煤和天然氣發電廠的現有基礎設施建造。圖片由 NREL 的 Jeffrey Gifford 和 Patrick Davenport 提供

ENDURING 相對于其他電力存儲技術具有多項優勢。

作為儲存介質，豐富的硅砂穩定且價格低廉，每噸 30 至 50 美元，并且在提取和壽命結束時對生態的影響有限。相比之下，鋰離子電池具有出色的能量存儲密度——這對于重量很重要的某些行業（例如運輸）很重要——但它的成本很高。粒子熱能儲存是一種能量密度較低的儲存形式，但非常便宜（在 900°C 的充放電溫差下，每千瓦時熱能 2-4 美元）。儲能系統是安全的，因為使用惰性硅砂作為存儲介質，使其成為大規模、長期儲能的理想選擇。

ENDURING 系統沒有特定的選址限制，可以位于該國的任何地方。這些系統也可以使用退役的燃煤和燃氣發電廠的現有基礎設施建造。

ENDURING 技術可以支持在我國擴大可再生能源發電。在美國各地建造這些具有成本效益的粒子熱能存儲系統可以幫助公用事業公司繼續使用太陽能和風能，而不會冒破壞電網穩定或需要減少可再生能源發電的風險。粒子熱能儲存還將提供能量儲備，以便我們的社區能夠更好地應對長期天氣事件，無論是為期一周的冷鋒還是夏季熱浪。

到 2050 年，多個潛在的經濟用例支持脫碳

拜登政府力求在2050年實現在2035年和凈零排放，經濟無碳電力部門馬志文，他也是持久項目的主要研究者，看到了實現這些目標的粒子熱能儲存了重要的作用。“雖然電力脫碳有明確的路徑，但整個經濟的脫碳——包括建筑供暖和工業流程等——更具挑戰性，因為天然氣非常便宜，很難被取代，”他說。“工業過程脫碳和建筑供暖非常困難。”

將可再生電力轉化為熱能是這些行業脫碳的一種方式。Ma 看到了粒子熱能儲存在經濟高效地取代天然氣方面發揮作用的機會。通過使用熱泵，將一單位電能轉化為兩到三單位熱量，儲存在顆粒熱能存儲系統中，然后輸送到最終用戶（取決于熱泵的性能系數）或使用新興的抽水蓄熱技術）。這些技術可用于建筑和工業過程加熱以替代煤炭或天然氣。

除了提供電網存儲和建筑熱量外，ENDURING 還為工業和化學過程提供穩定的熱源，否則與太陽能和風能相關的間歇性不相容。

根據 NREL 研究員Patrick Davenport 的說法，經濟環境、脫碳目標和技術已經與粒子熱能存儲保持一致。“具有耐火絕緣材料的沙子和混凝土筒倉是非常便宜的材料，可以實現低成本的儲能，”他說。“傳統的四小時儲能技術不能很好地擴展到電網或城市規模。現在我們需要大規模的儲能，這項技術很有意義。”

早期成就和持久承諾

ENDURING 項目正在取得可喜的進展和早期的興趣。該團隊最近獲得了美國機械工程師協會高級能源系統分部和太陽能分部 2021 年一等獎最佳論文獎和多個美國能源部技術資助獎。聚光太陽能集成專利已經獲得，還有多項專利正在申請中。

ENDURING 原型加熱器和熱交換器目前正在高溫條件下進行測試。如果原型任務在今年秋天成功，馬志文相信 ENDURING 技術將為支持可再生能源整合以實現未來無碳能源供應提供巨大潛力。

看到前景的人并非只有馬志文：NREL 和清潔能源技術公司 Babcock & Wilcox 簽署了一項獨家知識產權選擇協議，以許可 ENDURING 粒子熱能存儲技術。Babcock & Wilcox 是為 ENDURING 項目做出貢獻的多個行業和學術研究合作伙伴之一，包括通用電氣、Allied Mineral Products、Worley、普渡大學和科羅拉多礦業學院。