2021-12-10
混凝土變充電池！水泥儲能比抽水蓄能成本更低，有望成綠能發電最佳拍檔？
全球現已吹響碳中和（Carbon Neutrality）的號角，而實現碳中和非要提高可再生能源的發電比例不可。現時建造一座新的太陽能或風力發電廠已比燃煤電廠便宜，但儲存可再生能源的電力卻相當昂貴，故此廉價、高效的儲能技術愈來愈受到重視。除傳統的抽水蓄能與大熱的電池儲能外，近年還有一項特殊儲能技術——「水泥儲能」異軍突起。究竟建築用的混凝土怎樣可以變身為儲能裝置？其儲電表現又會否比現今主流方案更具成本效益呢？
混凝土塊搭積木塔儲能
2021年9月，以水泥儲能技術掛帥的瑞士初創企業Energy Vault宣布，將透過與一家「特殊目的收購公司」（SPAC）合併的方式，在紐約證券交易所掛牌上市，合併後的公司估值高達11億美元（約85.8億港元），因而令這種嶄新的水泥儲能方案受到市場關注。其實，前日本首富孫正義早已看中Energy Vault的新型儲能技術：2019年，孫正義旗下的軟銀願景基金（SoftBank Vision Fund）向該公司投資1.1億美元（約8.58億港元）。
成立於2017年的Energy Vault構想出以混凝土塊搭積木的方式，實現儲能效果。當太陽能或風力發電廠有剩餘電力時，便會利用這些電力驅動6座塔式起重機，把每片重達35噸的混凝土塊吊到最高120米的高處，讓電能轉化為混凝土塊的位能（Potential Energy）。遇上電力不足時，就把混凝土塊從高處放到低處，藉著落下時釋放的下墜力，帶動發電機運作，讓位能轉化為電能。
當起重機在其周圍堆疊了一座由5,000多片混凝土塊組成、高達120米的積木巨塔時，水泥儲能系統便處於「完全充電」狀態，可儲存20兆瓦時（MWh）的電能，能夠滿足2,000戶瑞士家庭一整天的用電量。
由6台吊塔組成的巨型起重機，在發電廠有電能盈餘時，把剩餘的電能用來驅動起重機，逐一將混凝土塊吊起，堆疊成120米高的積木巨塔；當電力匱乏時，吊塔把混凝土塊放下，在落下的過程中，吊塔連接的發電機會被帶動發電。（圖片來源：Energy Vault官網）
2020年7月，Energy Vault在瑞士提契諾州築建了首個電網級規模的水泥儲能示範裝置，並連接到瑞士公用電網，進行大規模的持續測試。（圖片來源：Energy Vault官網）
科技資訊網Quartz於2018年發布一段Energy Vault原型機的運作短片。從片中所見，僅有20米高的測試塔被多重鋼箍牢牢緊綁，以防崩塌。鋼索在吊運混凝土塊時的擺幅十分明顯，遠不止幾毫米。由此可見，搭建120米高的混凝土塊積木巨塔時，非常容易出現偏差。（圖片來源：翻攝Quartz的YouTube官方影片）
廢料循環再造混凝土塊
水泥儲能系統最昂貴的部分是那些混凝土塊。為求降低成本，Energy Vault研製了一款機器，可以把建築廢料、煤灰、泥土等循環再造，成為使用壽命達30年的混凝土塊。這種都市裡常見的廢物，可說是完全免費的原料；甚至乎，有建築工地願意付錢給別人，代為處理這些建築垃圾。
在最理想的情況下，Energy Vault不但可以為發電廠提供儲能服務來賺錢，更可以向建築工地收取廢料處理費來獲得額外收入。該公司指出，水泥儲能系統的儲能效率可以高達90%，優於現存的儲能方案：抽水蓄能的儲能效率大概為60%至75%，電池儲能則為80%左右。
Energy Vault又宣稱，水泥儲能系統的輸出功率在2.9秒內能夠從0％增加到100%，在極短時間內響應電網的供電需求。另外，這套系統在選址上沒有特別的地理條件限制，還可以按照客戶要求，訂製規模正好滿足供電需求的儲能設施。因此，當年軟銀願景基金認為，這是極具前景的儲能技術，於是樂意向Energy Vault投入1.1億美元的融資。
巨塔遇強風或移位倒塌
然而，有不少科學家質疑，這項儲能技術在實際應用時，可能會面臨各種運作上的挑戰。一座由5,000多片混凝土塊堆疊而成的積木巨塔，輸出功率等於同等高度的風力發電機；換言之，可能要給每台風力發電機都配備一座儲能巨塔，那麼風電場的佔地面積豈非要擴大一倍！
一般混凝土磚在生產時會排放大量二氧化碳，相信由都市廢物再造而成的新型混凝土塊也不能例外。如此一來，製造混凝土塊所產生的碳排放量，會否比綠能發電省下來的還要多呢？
此外，堆砌積木巨塔對起重機的操作精度要求極高。起重機透過幾十米長的纜索，吊起逾5,000片混凝土塊，運送至誤差少於幾毫米的指定位置；稍有差池的話，百米巨塔隨時就會倒塌。儘管有先進的軟件系統進行控制，但如遇有強風，擺放位置會否出現偏差呢？一旦發生地震，巨塔會否塌下來？長時間運作後，塔基會否出現沉降或歪斜呢？事實上，混凝土塊搭積木技術的容錯率是非常低，任何一次失誤，都足以讓整座巨塔崩塌瓦解，瞬間變成一堆廢土。
高樓大廈變身水泥電池
若說混凝土重力儲能方案尚有不少技術難題有待克服，那麼索性把混凝土當作充電池使用又如何？2021年3月，來自瑞典查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology）的建築與土木工程研究團隊，發表了一種可充電的混凝土混合物，並成功製造出可充電水泥電池（Rechargeable Cement-based Battery）的原型；假如日後能夠量產，未來我們所住的高樓大廈便會化身為大型混凝土電池，讓內裡的住宅供電變成自給自足。
要製成這種水泥電池，首先研究人員要在混凝土中添加0.5%短碳纖維，當做電解質；跟著，把具有鎳或鐵塗層的網狀碳纖維分別嵌進混凝土，充當電極板，其中鐵為陽極，鎳為陰極。電解質會在帶正電的鎳板與帶負電的鐵板之間傳遞離子，藉此形成電位，進而產生電壓。
歷經6個充電與放電循環後，研究團隊發現，水泥電池的平均能量密度達到每平方米7瓦時（Wh）。與鋰電池相比，這樣的能量密度仍然很低，不過如果整楝建築物都是由這種可充電混凝土所建成，就可以用巨大體積來克服能量密度不足的問題。假設一間100平方米的房子，有200平米混凝土牆和地板，這樣就等同一個200平方米的水泥電池，每天可儲能2千瓦時（kWh），大概等於一間房子每日耗電量的7.5 %。
因為水泥電池產生的電流與電壓較低，所以在100年內都不會對內裡的碳纖維造成顯著侵蝕。同時，充電期間產生的溫度也不會太高，只會使牆壁比環境溫度略高幾度，未致於大幅提高室內溫度。
120米高的混凝土塊巨塔，輸出功率跟一座同等高度的風力發電機屬同一級別；如果要落實推行此儲能方案，可能要為每一台風力發電機配備一座水泥巨塔。（圖片來源：Energy Vault官網）
瑞典查爾姆斯理工大學的研究團隊成功製造出9厘米高、9厘米闊、1厘米厚的可充電混凝土板，能量密度達到每平方米7瓦時。（圖片來源：查爾姆斯理工大學）
水泥電池的結構有如「三文治」，頂層為有鐵塗層的碳纖維網充當陽極，底層以有鎳塗層的碳纖維網作為陰極，中間則是含有短碳纖維的混凝土混合物。（圖片來源：查爾姆斯理工大學）
水泥儲能具低成本優勢
目前水泥電池技術仍處於研發的初期階段，如要將之商業化，還是有不少問題有待解決。譬如說，混凝土建築物通常可以使用50年至100年，水泥電池的使用壽命能否要提升至這一標準？當水泥電池壽命結束時，要以甚麼方法進行更換與回收？回收後能否循環再造成新的水泥電池？這些問題都是研究團隊要面對的重要課題。
在世界碳中和的願景下，太陽能與風力發電技術都已經很成熟的今天，擴大可再生能源發電比例的最大攔路虎之一，正是廉價而高效的儲能技術。當下最主流的抽水蓄能方案，雖然儲能成本低，每度電只需十幾美分，但對特殊地理條件的依賴性卻很高：既要有足夠多的江河湖泊等水資源，又有足夠大的地勢落差來修建水壩，不是有很多地方可以滿足這些條件。
正因如此，電池儲能遂成為近年大熱的儲能方案。憑著能量密度高、循環壽命長、自放電率低、沒有地理限制等優點，電池儲能系統在全球的裝機率迅速增長。可是，其每度電的成本卻高達20至30美分（約1.56至2.34港元）。相較之下，混凝土塊儲能的每度電成本只有5美分（約0.39港元），不僅遠遠低於電池儲能，更連抽水蓄能的三分之一也不到。這就是為甚麼水泥儲能技術甫問世，已獲得如此多關注。
彭博能源財經（Bloomberg New Energy Finance）預估，及至2030年底，全球儲能裝置規模將達到1,028吉瓦時（GWh，即100萬千瓦時），是2020年底的30倍以上，這背後涉及對儲能系統逾2,620億美元（約2.04兆港元）的投資。相信未來10年內將會有更多公司研發更先進的新型儲能技術，以搶佔這龐大的新藍海市場。
抽水蓄能的運作過程是，發電廠利用過剩電力來驅動水泵，將水從低處送到高處的水庫來儲存能量；電力匱乏時，讓水從高處落下，推動水輪發電機發電。（圖片來源：Pixabay）
在電池儲能系統的支援下，風力發電機的剩餘電能將被儲存至鋰電池組；風停了的時候，即可釋放鋰電池組內電能，以維持供電的穩定性。（圖片來源：Tesla官網）
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