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10/12/2021

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?

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    方展策

    少年時,曾研習 Geographic Information System,可惜學無所成,僥倖畢業。成年後,誤打誤撞進入傳媒圈子,先後在印刷、電子、網絡媒體打滾,略有小成。中年後,修畢資訊科技碩士,眼界漸擴,決意投身初創企業,窺探不同科技領域。近年,積極鑽研數據分析與數碼策略,又涉足 Location Intelligence 開發項目;有時還會抽空執教鞭,既可向他人分享所學,亦可鞭策自己保持終身學習。

    智城物語

  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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