伯克利實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)能源技術(shù)的副主任Ravi Prasher說(shuō)："使建筑物脫碳是非常具有挑戰(zhàn)性的，尤其是供暖方面。但是，如果以最終用途（即熱能）的形式儲(chǔ)存能量，而不是以能源供應(yīng)（即電力）的形式儲(chǔ)存能量，那么成本節(jié)約可能是非常引人注目的。現(xiàn)在有了我們開(kāi)發(fā)的框架，我們將能夠權(quán)衡熱能儲(chǔ)存與電力儲(chǔ)存的成本，例如用鋰電池，這在以前是不可能的。"
在美國(guó)，建筑物占總能源消耗的40%。其中，幾乎一半用于熱負(fù)荷，包括空間加熱和冷卻，以及水加熱和制冷。換句話說(shuō)，所有生產(chǎn)的能源中有五分之一用于建筑物的熱負(fù)荷。而到2050年，隨著天然氣的逐步淘汰，供暖越來(lái)越多地由電力驅(qū)動(dòng)，熱負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的需求預(yù)計(jì)將急劇增加。
伯克利實(shí)驗(yàn)室熱能組負(fù)責(zé)人Sumanjeet Kaur說(shuō)："如果我們使用熱能存儲(chǔ)，其中的原材料更豐富，以滿足熱負(fù)荷的需求，這將放松對(duì)電化學(xué)存儲(chǔ)的一些需求，并釋放出更多電池資源用于不能使用熱能存儲(chǔ)的地方。
隨著我們的社會(huì)繼續(xù)電氣化，預(yù)計(jì)對(duì)電池儲(chǔ)存能源的需求將是巨大的，到2030年，估計(jì)每年的電池產(chǎn)量將達(dá)到2至10太瓦時(shí)（TWh），而現(xiàn)在還不到0.5TWh。隨著鋰離子電池在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)成為主導(dǎo)的存儲(chǔ)技術(shù)，一個(gè)關(guān)鍵的限制因素是原材料的有限可用性，包括鋰、鈷和鎳，這些都是今天鋰電池的基本成分。盡管伯克利實(shí)驗(yàn)室正在積極努力解決這一制約因素，但也需要替代形式的能源儲(chǔ)存。
熱能儲(chǔ)存可以在一系列規(guī)模上部署，包括在單個(gè)建筑物中--如你的家、辦公室或工廠--或在地區(qū)或區(qū)域一級(jí)。雖然最常見(jiàn)的熱能形式是使用大型的熱水或冷水箱，但還有其他類(lèi)型的所謂顯熱存儲(chǔ)，如使用沙子或巖石來(lái)存儲(chǔ)熱能。然而，這些方法需要大量的空間，這限制了它們對(duì)住宅的適用性。
為了繞過(guò)這一限制，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了高科技材料來(lái)儲(chǔ)存熱能。例如，相變材料在相間轉(zhuǎn)換時(shí)吸收和釋放能量，如從液體到固體再到固體。
相變材料有許多潛在的應(yīng)用，包括電池的熱管理（防止它們變得太熱或太冷），先進(jìn)的紡織品（可以自動(dòng)保持溫暖或涼爽的衣服，從而實(shí)現(xiàn)舒適穿著，同時(shí)減少建筑能耗），以及發(fā)電廠的干式冷卻（以節(jié)約用水）。在建筑物中，相變材料可以被添加到墻壁上，就像建筑物的熱電池。當(dāng)環(huán)境溫度上升到材料的熔點(diǎn)以上時(shí)，材料會(huì)改變相位并吸收熱量，從而冷卻建筑物。相反，當(dāng)溫度下降到熔點(diǎn)以下時(shí)，材料改變相位并釋放熱量。
然而，相變材料的一個(gè)問(wèn)題是，它們通常只在一個(gè)溫度范圍內(nèi)工作。這意味著夏季和冬季將需要兩種不同的材料，這就增加了成本。伯克利實(shí)驗(yàn)室著手克服這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)所謂的過(guò)渡溫度的"動(dòng)態(tài)可調(diào)性"。
在最近發(fā)表在《細(xì)胞報(bào)告》物理科學(xué)上的一項(xiàng)研究中，研究人員首次在相變材料中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)性。他們的突破性方法使用離子和一種獨(dú)特的相變材料，將熱能儲(chǔ)存與電能儲(chǔ)存結(jié)合起來(lái)，因此它既能儲(chǔ)存也能供應(yīng)熱量和電力。將熱能和電能結(jié)合到一個(gè)設(shè)備中，就像一個(gè)熱能和電能電池。更重要的是，由于能夠根據(jù)不同的環(huán)境溫度調(diào)整材料的熔點(diǎn)，這種能力增加了熱存儲(chǔ)潛力。這將大大增加相變材料的利用率。這有助于降低儲(chǔ)存成本，因?yàn)楝F(xiàn)在同樣的材料可以全年利用，而不僅僅是用半年閑置半年。
在大規(guī)模的建筑施工中，這種結(jié)合熱能和電能的儲(chǔ)存能力將允許該材料儲(chǔ)存現(xiàn)場(chǎng)太陽(yáng)能或風(fēng)能操作產(chǎn)生的多余電力，以滿足熱能（加熱和冷卻）和電能需求。
今年早些時(shí)候，伯克利實(shí)驗(yàn)室的另一項(xiàng)研究解決了過(guò)冷的問(wèn)題，在某些相變材料中，過(guò)冷是不理想的，因?yàn)樗共牧蠣顟B(tài)不可預(yù)測(cè)，因?yàn)樗赡懿粫?huì)每次都在同一溫度下改變相位。由伯克利實(shí)驗(yàn)室研究生助理和加州大學(xué)伯克利分校博士生Drew Lilley領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究，發(fā)表在《應(yīng)用能源》雜志上，首次展示了定量預(yù)測(cè)材料過(guò)冷性能的方法。
第三項(xiàng)伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究發(fā)表在今年的《應(yīng)用物理學(xué)通訊》上，描述了一種發(fā)展原子和分子尺度的相變理解的方法，這對(duì)設(shè)計(jì)新的相變材料至關(guān)重要。到目前為止，大多數(shù)與相變物理學(xué)有關(guān)的基礎(chǔ)研究都是計(jì)算性質(zhì)的，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)預(yù)測(cè)相變材料的能量密度。
第四項(xiàng)研究剛剛發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》上，它開(kāi)發(fā)了一個(gè)框架，允許在電池和熱能儲(chǔ)存之間進(jìn)行直接的成本比較，這在以前是不可能的。該框架是與國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員共同開(kāi)發(fā)的，考慮到了終身成本。例如，熱力系統(tǒng)的安裝資本成本較低，而且熱力系統(tǒng)的壽命通常為15至20年，而電池通常在8年后就必須更換。
最后，與來(lái)自加州大學(xué)戴維斯分校和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員合作的一項(xiàng)研究證明了部署基于相變材料的熱能儲(chǔ)存的暖通空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。首先，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了評(píng)估這種系統(tǒng)的能源成本節(jié)約、峰值負(fù)荷減少和成本所需的模擬模型和工具。該工具將向公眾開(kāi)放，它將使研究人員和建筑商能夠比較帶有熱能儲(chǔ)存的暖通空調(diào)系統(tǒng)與帶有或不帶有電化學(xué)儲(chǔ)存的全電動(dòng)暖通空調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。
這些工具提供了一個(gè)前所未有的機(jī)會(huì)，以探索熱能儲(chǔ)存-集成暖通空調(diào)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性，整合熱能儲(chǔ)存使我們能夠大大減少熱泵的容量，從而降低其成本，這是推動(dòng)降低生命周期成本的一個(gè)重要因素。
接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)為小型商業(yè)建筑開(kāi)發(fā)一個(gè)"可現(xiàn)場(chǎng)使用"的暖通空調(diào)系統(tǒng)原型，該系統(tǒng)采用了基于相變材料的冷熱電池。這樣一個(gè)系統(tǒng)將冷卻和加熱負(fù)荷從電網(wǎng)中轉(zhuǎn)移出來(lái)。最后，該團(tuán)隊(duì)正在部署一個(gè)住宅規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)演示，重點(diǎn)是家庭電氣化和轉(zhuǎn)移家庭加熱和熱水負(fù)荷。
這項(xiàng)研究得到了能源部能源效率和可再生能源辦公室的建筑技術(shù)辦公室的支持。
