零碳科技： 建筑重新定义储能格局

麻省理工学院的研究人员融合了古代和现代，将水泥、水和炭黑的特性结合起来，创造了一种被称为“电化水泥”的化合物。纳米复合材料允许水泥用作超级电容器，能够以前所未有的速度储存和释放电能。带电水泥的独特性能在于它能够在空隙中形成卷须状，这些空隙充当电线以增强材料的导电性。这种材料已被用于建筑地基和道路，以创建全市范围的电力系统，为其附近的家庭和电动汽车提供可持续能源。

水泥和炭黑（类似于非常细的木炭），可能构成一种新型低成本储能系统的基础。该技术可以促进太阳能、风能和潮汐能等可再生能源的使用，使能源网络在可再生能源供应波动的情况下保持稳定。

研究人员发现，水泥和炭黑可以与水结合，制成超级电容器 - 电池的替代品 - 可以提供电能的存储。例如，开发该系统的麻省理工学院研究人员表示，他们的超级电容器最终可以集成到房屋的混凝土地基中，在那里它可以储存一整天的能量，同时增加很少（或没有）地基的成本，并且仍然提供所需的结构强度。研究人员还设想了一条混凝土道路，可以在电动汽车通过该道路时为电动汽车提供非接触式充电。

电容器原则上是非常简单的器件，由浸入电解质中并由膜隔开的两块导电板组成。当在电容器上施加电压时，电解液中的带正电的离子会积聚在带负电的板上，而带正电的板上会积聚带负电的离子。由于极板之间的膜阻止带电离子迁移，这种电荷分离在极板之间产生电场，电容器带电。两块板可以长时间保持这对电荷，然后在需要时非常快速地输送它们。超级电容器只是可以存储异常大电荷的电容器。

电容器可以存储的功率取决于其导电板的总表面积。该团队开发的新型超级电容器的关键来自一种生产具有极高内表面积的水泥基材料的方法，该材料是由于在其体积内具有密集、互连的导电材料网络。研究人员通过将高导电性炭黑与水泥粉和水一起引入混凝土混合物中，并使其固化来实现这一目标。当水与水泥发生反应时，水自然会在结构内形成一个分支的开口网络，碳迁移到这些空间中，在硬化的水泥内形成金属丝状结构。这些结构具有类似分形的结构，较大的分支会长出较小的树枝，而那些会长出更小的树枝，依此类推，最终在相对较小的体积范围内具有非常大的表面积。然后将材料浸泡在标准电解质材料中，例如氯化钾，一种盐，它提供积聚在碳结构上的带电粒子。研究人员发现，由这种材料制成的两个电极，由薄空间或绝缘层隔开，形成一个非常强大的超级电容器。

由这种材料制成的超级电容器具有巨大的潜力，可以帮助世界向可再生能源过渡。无排放能源、风能、太阳能和潮汐能的主要来源都在可变时间产生输出，这些时间通常与用电高峰不对应，因此储存电力的方法至关重要。对大型储能有巨大的需求，但是现有的电池太贵了，而且主要依赖锂等材料，锂的供应有限，因此迫切需要更便宜的替代品。这就是该技术有前途的地方，因为水泥无处不在。

该团队计算出，一块尺寸为45立方米（或码）的纳米碳黑掺杂混凝土 - 相当于一个直径约3.5米的立方体 - 能够存储约10千瓦时的能量，这被认为是一个家庭的平均每日用电量。由于混凝土将保持其强度，因此由这种材料制成的地基的房屋可以储存太阳能电池板或风车产生的一天的能量，并在需要时随时使用。而且，超级电容器的充电和放电速度比电池快得多。

在进行了一系列用于确定水泥、炭黑和水最有效比例的测试后，该团队通过制造小型超级电容器来演示这一过程，这些超级电容器的大小与一些纽扣电池差不多，直径约1厘米，厚度约1毫米，每个超级电容器可以充电到1伏特，相当于1伏特电池。然后，他们连接了其中三个，以展示它们点亮 3 伏发光二极管 （LED） 的能力。在证明了这一原理之后，他们计划建造一系列更大的版本，从大约一个典型的12伏汽车电池大小的版本开始，然后发展到45立方米的版本，以证明其存储房屋价值的电力的能力。

他们发现，材料的存储容量与其结构强度之间存在权衡。通过添加更多的炭黑，产生的超级电容器可以储存更多的能量，但混凝土略弱，这对于混凝土不起结构作用或不需要混凝土的全部强度潜力的应用可能很有用。他们发现，对于地基或风力涡轮机底座的结构元件等应用，“最佳点”是混合物中约10%的炭黑。

这种超级电容器的另一个潜在应用是建造混凝土道路，这些道路可以储存太阳能电池板产生的能量，然后使用与无线充电手机相同的技术将能量输送到沿道路行驶的电动汽车。德国和荷兰的公司已经在开发一种相关的汽车充电系统，但使用标准电池进行存储。

研究人员说，该技术的最初用途可能是用于远离电网的孤立房屋或建筑物或避难所，这些房屋或避难所可以由连接到水泥超级电容器的太阳能电池板供电。

该系统具有很强的可扩展性，因为储能容量是电极体积的直接函数。可以从1毫米厚的电极变成1米厚的电极，通过这样做，基本上可以将储能容量从点亮LED几秒钟，扩展到为整个房子供电。

除了能够以超级电容器的形式储存能量外，通过简单地将电力施加到碳混凝土上，相同种类的混凝土混合物可以用作加热系统。

根据给定应用所需的特性，可以通过调整混合物来调整系统。对于车辆充电道路，需要非常快的充电和放电速率；而对于家庭供电，有一整天的时间来充电，因此可以使用较慢的充电材料。

总部位于加利福尼亚州的Rondo Energy开发了一种由砖块制成的热电池。独立的单元由一堆带有电加热元件的砖块组成。砖通过将可再生电力转化为热能来储存能量，而热能又可用于为各种工业过程提供最佳热量。总部位于以色列的 Brenmiller 同样利用碎石作为其 TES 技术，将火山岩转化为用于公用事业和工业应用的持续蒸汽供应。总部位于芬兰的Polar Night公司开发了一种砂电池，声称已经安装了世界上第一个商用砂电池，作为区域供热网络的一部分。这些TES系统利用建筑中现成的材料，从而为能源存储和使用提供了可行且可扩展的解决方案。

1.将低成本、间歇性的电力转化为热量

• 在世界许多地区，零碳风能和太阳能发电的成本现在低于化石燃料，Rondo 热电池使用电加热元件，如烤面包机或烤箱中的电加热元件，在可用时将电力转化为高温热量。

• 电加热器（焦耳加热器）以 100% 的效率将电能转化为热能，并与电网平稳互动。

2.热辐射在高达1500°C的温度下加热砖块，储存热量

• 当有电时，电加热器会发出明亮的光，并迅速温暖周围的物体。

• 数千吨砖直接通过这种热辐射加热，并以非常低的损失（每天不到 1%）储存数小时或数天的能量。

3.热量可在需要时按需、启停或连续输送

• 当需要热量时，空气会流过砖堆并被过热至1000°C以上。通过改变气流，可以很容易地调节热传递速率。

• 出口处的热量通过自动 AI 专利控制以精确所需的温度传递。

• 空气最终通过系统循环使用，最大限度地减少了热损失并最大限度地提高了效率。

• Rondo以精确的温度和压力提供热量，以满足设施需求

• 热电池可轻松集成到现有基础设施中。

• 该系统是一种即插即用、零排放的锅炉替代品。

5.空气和/或蒸汽 24/7 全天候输送

Rondo 热电池是模块化的、可扩展的和能量密集的。每个单独的热电池都提供兆瓦级的热量，而更大的装置则作为电池组建造。

Rondo 热电池旨在进入现有设施或为新建设施供电，并为脱碳和降低运营成本提供快速、低成本的途径。

现有产品

RHB300型

存储：300 MWh

排量：20 MWt

充电：高达70MWac

热量输送：24/7 连续

周期：无限，40+年寿命

排放：零

RHB100型

存储：100 MWh

放电：7 MWt

充电：高达20MWac

热量输送：24/7 连续

周期：无限，40+年寿命

排放：零

高耸入云的建筑也可以成为大号电池，研究人员对电梯中的势能进行了研究和实验。被称为电梯储能技术 （LEST），高层建筑中的电梯通过提升湿砂容器在空闲时刻储存能量，转变为动态存储单元。重力和现有基础设施的结合为储存能源和改善城市电能质量提供了一种具有成本效益的替代方案。

除高层建筑外，越来越多的单户住宅和多户住宅一直在使用专用电池系统和车辆到电网（V2G）系统。这些存储技术允许清洁能源被房屋利用，并进一步共享或出售给城市电网。美国此类系统的安装量稳步增长。

当规划通往可持续能源未来的路线时，储能装置现有的高成本令人担忧。然而，分布式、电网交互建筑和创新建筑储能解决方案给出了一个美好的愿景。建筑已经成为潜在的储能站，将重新定义储能的格局。