伯克利實驗室負(fù)責(zé)能源技術(shù)的副主任Ravi Prasher說："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）的形式儲存能量，而不是以能源供應(yīng)（即電力）的形式儲存能量，那么成本節(jié)約可能是非常引人注目的?，F(xiàn)在有了我們開發(fā)的框架，我們將能夠權(quán)衡熱能儲存與電力儲存的成本，例如用鋰電池，這在以前是不可能的。"
在美國，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，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，供暖越來越多地由電力驅(qū)動，熱負(fù)荷對電網(wǎng)的需求預(yù)計將急劇增加。
伯克利實驗室熱能組負(fù)責(zé)人Sumanjeet Kaur說："如果我們使用熱能存儲，其中的原材料更豐富，以滿足熱負(fù)荷的需求，這將放松對電化學(xué)存儲的一些需求，并釋放出更多電池資源用于不能使用熱能存儲的地方。
隨著我們的社會繼續(xù)電氣化，預(yù)計對電池儲存能源的需求將是巨大的，到2030年，估計每年的電池產(chǎn)量將達(dá)到2至10太瓦時（TWh），而現(xiàn)在還不到0.5TWh。隨著鋰離子電池在可預(yù)見的未來成為主導(dǎo)的存儲技術(shù)，一個關(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。盡管伯克利實驗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存。
熱能儲存可以在一系列規(guī)模上部署，包括在單個建筑物中--如你的家、辦公室或工廠--或在地區(qū)或區(qū)域一級。雖然最常見的熱能形式是使用大型的熱水或冷水箱，但還有其他類型的所謂顯熱存儲，如使用沙子或巖石來存儲熱能。然而，這些方法需要大量的空間，這限制了它們對住宅的適用性。
為了繞過這一限制，科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)了高科技材料來儲存熱能。例如，相變材料在相間轉(zhuǎn)換時吸收和釋放能量，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（可以自動保持溫暖或涼爽的衣服，從而實現(xiàn)舒適穿著，同時減少建筑能耗），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以上時，材料會改變相位并吸收熱量，從而冷卻建筑物。相反，當(dāng)溫度下降到熔點以下時，材料改變相位并釋放熱量。
然而，相變材料的一個問題是，它們通常只在一個溫度范圍內(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。伯克利實驗室著手克服這一問題，實現(xiàn)所謂的過渡溫度的"動態(tài)可調(diào)性"。
在最近發(fā)表在《細(xì)胞報告》物理科學(xué)上的一項研究中，研究人員首次在相變材料中實現(xiàn)動態(tài)可調(diào)性。他們的突破性方法使用離子和一種獨特的相變材料，將熱能儲存與電能儲存結(jié)合起來，因此它既能儲存也能供應(yīng)熱量和電力。將熱能和電能結(jié)合到一個設(shè)備中，就像一個熱能和電能電池。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，這種能力增加了熱存儲潛力。這將大大增加相變材料的利用率。這有助于降低儲存成本，因為現(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)合熱能和電能的儲存能力將允許該材料儲存現(xiàn)場太陽能或風(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。
今年早些時候，伯克利實驗室的另一項研究解決了過冷的問題，在某些相變材料中，過冷是不理想的，因為它使材料狀態(tài)不可預(yù)測，因為它可能不會每次都在同一溫度下改變相位。由伯克利實驗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)的這項研究，發(fā)表在《應(yīng)用能源》雜志上，首次展示了定量預(yù)測材料過冷性能的方法。
第三項伯克利實驗室的研究發(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，這對設(shè)計新的相變材料至關(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)研究都是計算性質(zhì)的，研究人員已經(jīng)開發(fā)了一種簡單的方法來預(yù)測相變材料的能量密度。
第四項研究剛剛發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》上，它開發(fā)了一個框架，允許在電池和熱能儲存之間進(jìn)行直接的成本比較，這在以前是不可能的。該框架是與國家可再生能源實驗室和橡樹嶺國家實驗室的研究人員共同開發(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研究證明了部署基于相變材料的熱能儲存的暖通空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。首先，該團(tuán)隊開發(fā)了評估這種系統(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。該工具將向公眾開放，它將使研究人員和建筑商能夠比較帶有熱能儲存的暖通空調(diào)系統(tǒng)與帶有或不帶有電化學(xué)儲存的全電動暖通空調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。
這些工具提供了一個前所未有的機(jī)會，以探索熱能儲存-集成暖通空調(diào)的現(xiàn)實應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性，整合熱能儲存使我們能夠大大減少熱泵的容量，從而降低其成本，這是推動降低生命周期成本的一個重要因素。
接下來，該團(tuán)隊繼續(xù)為小型商業(yè)建筑開發(fā)一個"可現(xiàn)場使用"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。這樣一個系統(tǒng)將冷卻和加熱負(fù)荷從電網(wǎng)中轉(zhuǎn)移出來。最后，該團(tuán)隊正在部署一個住宅規(guī)模的現(xiàn)場演示，重點是家庭電氣化和轉(zhuǎn)移家庭加熱和熱水負(fù)荷。
這項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。
