关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章,请考虑订阅我们的获奖新闻,以支持我们的工作。 订阅。购买订阅即表示您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
在西班牙格拉纳达附近,超过 28,000 公吨的盐现在正在 Andasol 1 发电厂的管道中流淌。这些盐将用于解决太阳能发电一个紧迫而显而易见的问题:当太阳不发光时(即在夜间)该怎么办?
答案是:将太阳光作为热能储存起来,以备不时之需。
作为所谓的槽式抛物面 太阳能热发电厂的一部分,这些盐很快将帮助该设施在夜间发光——字面意义上如此。由于大多数盐仅在高温下熔化(例如,食盐在约 1472 华氏度或 800 摄氏度左右熔化),并且直到温度升高到相当高时才会变成蒸汽,因此它们可以用来储存大量太阳的热能。只需利用阳光加热盐,然后通过热交换器将这些熔融盐放置在靠近水的位置。然后可以制造高温蒸汽来转动涡轮机,而不会损失太多原始吸收的太阳能。
这些盐(硝酸钠和硝酸钾的混合物,否则用作肥料)可以储存足够多的太阳热量,使发电厂在太阳开始落山后可以持续输出近八个小时的电力。“足以在 7.5 小时内以 50 兆瓦的满负荷生产能量,”Solar Millennium, AG 的发言人斯文·穆尔曼说,该公司是开发 Andasol 电厂的德国太阳能公司。“生产时间几乎是无储存的[太阳能热]发电厂的两倍,我们有可能计划我们的电力生产。”
使用镜子集中太阳能是一个古老的技巧——中国和古希腊人都用它来生火——而采用这种技术的现代发电厂可能会提供重要的可再生能源,而不会产生任何温室气体排放。
这本身就是一个进步,但这种发电厂仅限于在有阳光时发电。因此,工程师们尝试了许多不同的技术来存储太阳能,以便更广泛地使用这种发电厂。他们尝试过电池,但投入的能量太多无法返回,而且根据科罗拉多州戈尔登市的国家可再生能源实验室(NREL)的分析,电池往往过于昂贵。压缩空气或将水抽到高处更有前景,但这样做的机会受到洞穴数量以及水和水库的可用性的限制。
然而,在高于 435 华氏度(224 摄氏度)的温度下熔化盐可以返回多达 93% 的能量,而且这些盐由于用作肥料而无处不在。
“有一个术语叫做往返效率。基本上,它是衡量如果首先存储热能,然后使用它,与直接获取能量相比,产生的电量多少的指标。这个数字约为 93%,”NREL 的高级工程师格雷格·格拉茨梅尔解释说。“对于压缩空气和机械式存储之类的东西,损失会更严重,”所有各种技术的平均损失至少为 20%。
Andasol 1 发电厂的建设成本约为 3.8 亿美元(3 亿欧元),是第一个实际使用该技术的发电厂,因此它在商业实践中的运作情况仍有待观察。但美国政府实验室——NREL 以及新墨西哥州阿尔伯克基的 桑迪亚国家实验室——已经证明该技术可以在采用该技术的示范项目中发挥作用,例如加利福尼亚州巴斯托郊外的 Solar Two 塔式发电厂。
Solar Millennium 对该技术的运作充满信心,以至于另一座同类型的 太阳能热发电厂(Andasol 2)已接近完工。“它将在夏季初——五月或六月开始运营,”穆尔曼说。
并且亚利桑那公共服务公司 (APS) 已与 Abengoa Solar 签约,在凤凰城西南 70 英里(110 公里)的近 2,000 英亩(800 公顷)的土地上建造一座 280 兆瓦的太阳能热发电厂,名为 Solana 或“阳光充足的地方”。“熔盐技术的一大优点是,你可以从纯太阳能资源中获得更多,从同一设施中获得更多能量,”APS 的可再生能源经理芭芭拉·洛克伍德说。“这是一种为我们提供额外绿色能源的替代方案”,在阴天或日落后可产生多达 1,680 兆瓦时的能量。
但是,额外的能量是有代价的。首先,必须扩大发电厂的规模,使其既能产生全部发电量,又能加热盐。就 Andasol 1 而言,这意味着要用长长的槽和管道覆盖 126 英亩(50 公顷)的土地。然后,据穆尔曼称,还有熔盐储罐的额外费用。
总而言之,根据 NREL 的格拉茨梅尔的说法,在 Andasol 1 或类似发电厂安装热能存储的成本约为每千瓦时 50 美元。但是,它并没有给由此产生的电力增加太多成本,因为它允许涡轮机运行更长时间,并且可以将这些成本分摊到更多的发电小时数上。根据格拉茨梅尔的说法,太阳能热发电厂的电力成本约为每千瓦时 13 美分,无论是否有熔盐存储系统。
如果未考虑环境成本,那么这个价格仍然几乎是燃煤发电厂电力的两倍——燃煤发电厂是目前最便宜的发电选择。但是亚利桑那州的 APS 和其他公司可以利用太阳能来满足当天晚些时候的最大电力需求。“我们的[电力]峰值需求在晚上晚些时候,一旦太阳能发电量开始下降,”洛克伍德说。这就是“我们朝那个方向发展并对存储技术如此感兴趣的原因”。
使用带有熔盐存储系统的抛物槽的太阳能热发电厂(如 Andasol 1 或 Solana)的效率虽然很高,但它们无法像可能的那样捕获尽可能多的太阳热量。在 750 华氏度(400 摄氏度)以上,用于捕获槽中太阳热量的合成油开始分解,但熔盐可以吸收更多的热量。
为了使盐的温度更高,一些公司,例如加利福尼亚州圣莫尼卡的 SolarReserve,正在开发所谓的塔式发电厂——大片的镜子将阳光集中到一个中心塔上。由于集中式设计,这种结构可以在更高的温度下运行(高达 1,000 华氏度,即 535 摄氏度),并直接使用熔盐作为发电厂中传递热量的流体。“我们将盐加热到 1,000 华氏度以上,这会产生与公用事业公司在燃煤或核电厂看到的相同的入口条件,”SolarReserve 的总裁特里·墨菲说。
但是,这样的发电厂(墨菲说,该公司有大约 50 个此类项目正在进行中,并预计至少有一个项目(在美国或西班牙)将在 2013 年投入运营)将耗资高达 8 亿美元建造一座 200 兆瓦的塔式发电厂。“建造的第一个熔盐塔式发电厂将是一个真正的试验,”桑迪亚的 聚光太阳能项目经理托马斯·曼奇尼说。“这将需要足够进步的人来为其提供资金或承担更大的风险。”
因此,研究人员还在研究可以替代抛物槽发电厂中油的盐,例如那些在较低温度下熔化的盐,因此在寒冷的夜晚不会那么容易结冰,Abengoa Solar 的技术开发副总裁汉克·普莱斯说。
据穆尔曼称,Solar Millennium 正在研究这样一种盐,桑迪亚已经开发出少量的新型混合盐,包括硝酸钙和硝酸锂,它们在低于 212 华氏度(100 摄氏度)的温度下熔化。“使用硝酸锂的成本与其他所有成分加起来一样贵。虽然仍然比有机传热油便宜得多,”加利福尼亚州桑迪亚的化学工程师鲍勃·布拉德肖说,他正在领导这项研究。“你不可能不付出任何代价就得到东西。”
长期研究项目正在研究其他热存储技术,例如将热量存储在沙子中或创建单罐熔盐存储。“主要目标是找到一种可以降低将其添加到发电厂的实际资本成本的存储技术,”APS 的可再生能源技术服务主管菲尔·史密瑟斯说,该公司正在根据美国能源部赠款研究这些技术。
最终,这将取决于政策制定者和消费者对可再生和无排放电力的重视程度。“如果我们开始重视碳排放,并迫使燃煤电厂通过碳捕获和封存实现无碳化,那么煤电的成本将达到或超过每千瓦时10美分,”曼奇尼说。“任何这些技术都可以通过[熔盐]储能达到相同的10美分水平。然后市场将做出选择。”
如果 Andasol 1 号电站发生泄漏或其他未能按预期交付的情况,损害将不仅仅是地面上的一堆盐肥——它可能成为整个太阳能存储努力的挫折。“我们必须建造第一个[商业](熔盐储能)电厂,而这正是 Andasol 的作用,”曼奇尼说,为了证明这项技术。“它不必是完美的,但他们必须让它运转起来。”