碳热电池瞄准美国工业全天候廉价能源

GrafTech International，一家主要的碳和石墨产品制造商，正与一家热能储存开发商合作，开发碳基热电池，旨在为美国工业提供全天候、低成本能源。据Interesting Engineering报道，这项努力将石墨制造领域的知名企业之一置于储能类别的中心，该类别作为重工业负载传统电池的替代方案正受到越来越多的关注。

其前提很简单，尽管工程并不简单：热电池不像锂离子电池那样通过化学反应储存能量，而是将能量以热量的形式储存在固体介质中——在本例中为碳——并在工厂需要时释放热量。对于许多依靠高温热量而非仅靠电力运行的工业过程来说，这种方法直接契合了工厂实际消耗能源的方式。

为什么工业供热是难题

重工业是最难脱碳的行业之一，因为其大部分业务依赖于热量而非机械或电力做功。冶炼、煅烧、干燥、固化、精炼和化学加工都需要持续的高温，而提供这些温度的設備历来是围绕燃烧设计的。

这同时造成了两个问题。首先是排放：来自化石燃料的工艺热占工业能源使用的很大一部分，进而也占工业碳排放的很大一部分。其次是经济性。用依赖波动性批发电价的系统取代燃气炉会引入一种新的财务风险，因为工厂的成本结构现在取决于它选择何时取电。

热电池被定位为打破这种联系的一种方式。如果设施能够在电力廉价且充足时——包括可再生能源出力高的时段——吸收电力，然后按需释放储存的热量，它就可以持续运行而无需支付高价电力。这正是GrafTech及其合作伙伴所追求的全天候价值主张。

碳基热电池的作用

在这种设计中，热电池将电力输入转化为储存介质内的热量。热量被保存在隔热块中，直到工艺需要时，再以高温热能的形式输送。整个过程不依赖于燃料供应计划的间歇性可用性；约束变成了储存块能容纳多少能量以及能多高效地回收。

有几个特性使碳成为该角色的有吸引力的材料：

• 耐高温性。碳和石墨材料被用于工业环境，正是因为它们能承受极端高温而不失去结构完整性。
• 热性能。石墨能有效导热，这对储存介质的充热和以受控速率提取热量都很重要。
• 成熟的供应链。碳和石墨已经以工业规模生产，用于电极、炉衬和其他要求苛刻的应用。
• 成本特征。储存介质的经济性在很大程度上取决于原材料是否足够便宜，以便大规模部署，而不是以小批量、精密工程的数量使用。

这些特性使碳基储存成为解决仅靠电池化学在工业规模上难以经济地解决的问题的一个可行答案。

GrafTech与Antora的配对

GrafTech在合作中的角色立足于制造业。该公司大规模生产碳和石墨产品，这意味着它带来的是材料生产和工业加工方面的专业知识，而非储能软件或电力电子方面的专长。其合作伙伴，热能储存公司Antora，致力于将电力转化为储存的热量并将其输送回工业客户。

这种分工很说明问题。重工业的热储存既是一项材料和制造挑战，也是一项能源技术挑战。建造能够安置在运行中的工厂内、经受多年热循环、并以足够大的数量生产以产生影响的储存系统，需要GrafTech已经运营的那种重工业供应基础。

这种配对也表明了开发商认为市场正走向何方：不是面向消费电子产品或乘用车，而是面向能源需求大、连续且脱碳成本高昂的工业客户。

全天候能源作为卖点

“全天候”一词在此语境中有特定含义。工业设施不会在太阳落山或风力发电下降时停止运行。仅能在几个小时内转移能量的储存系统并不能解决它们的问题。工业需要的是一种在能源最便宜时购买并仍能连续运行的方式。

热电池通过将购买时刻与使用时刻解耦来解决这个问题。电力可以在低价窗口期抽取，转化为热量，并保持到工艺需要时。对于工厂运营商来说，结果是更可预测的成本基础，以及在不重新设计整条生产线的情况下使用低碳电力的途径。

还有一个电网层面的论点。能够灵活吸收电力的大型工业负载对于可变可再生能源发电量不断增长的系统很有用，因为它们可以在供应充足时消耗电力，而不是在高峰时段增加压力。热储存实际上将工厂变成了灵活资产，而非刚性资产。

值得关注的事项

这项合作是一个值得关注的进展，而非已完成的部署故事。该技术的表现将取决于随着项目推进而变得更加清晰的几个因素：

• 每单位储存热量的成本。只有当交付成本具有竞争力时，热储存才能取代化石燃料工艺热。
• 与现有工厂的整合。将储存改造到运行中的工业场地是一个不同于在实验室中建造的工程问题。
• 材料耐久性。在反复高温循环下的长使用寿命决定了经济性能否在数十年内保持。
• 制造规模。碳和石墨的生产能力将决定该技术部署的速度。

对于GrafTech来说，该计划将材料业务扩展到能源转型领域，在那里石墨和碳的专业知识对传统工业客户之外也有价值。对于美国工业来说，它代表着又一次尝试，使廉价、连续、低碳的热量成为实际选择，而非长期愿望。 underlying bet很简单：如果热量能像产生它一样便宜地储存，电价时机就不再决定美国工厂何时能运行。

本文基于Interesting Engineering的报道。阅读原文。