摘要：从寻找 HVO 和氢气等替代燃料到尝试减少水泥行业的巨大碳足迹，科学家和工程师正在探索各种可能性，以便在不加剧气候变化威胁的情况下保持灯火通明和车轮转动。

Caldera 的“megacell”蓄能锅炉需要一个大型太阳能电池阵列

不懈地寻找低碳替代品来替代传统的化石燃料技术是当今世界最多产的技术创新领域之一。

从寻找 HVO 和氢气等替代燃料到尝试减少水泥行业的巨大碳足迹，科学家和工程师正在探索各种可能性，以便在不加剧气候变化威胁的情况下保持灯火通明和车轮转动。

风能和太阳能等可再生能源现在是能源结构的既定组成部分。我们倾向于从电力的角度来考虑可再生能源——当然，这就是我们从风能和太阳能发电厂获得的东西。但最终用户需要的往往是热量。

国内客户需要热量来取暖和提供热水 - 由于政府已颁布法令，从明年起，新住宅不能安装燃气锅炉，因此家用空气源热泵的普及迅速增长。

但工业也消耗大量的热能。事实上，制造商（尤其是食品生产和制药等行业）消耗的大部分电力和天然气都用于加热水和为生产过程供电。

正是着眼于这个市场，一家位于汉普郡的初创公司 Caldera 开发了一种储电锅炉（也称为“巨型电池”），以热量的形式储存太阳能电池板提供的能量。

“人们认为蒸汽时代在上个世纪结束了——但它从未消失，”Caldera 首席执行官 James Macnaghten 说

该系统由由废铝和火山岩制成的固体矩阵组成，包裹在真空绝缘外壳内。每个电池可以储存高达 500℃ 的热量并按需以热水或蒸汽的形式提供能量，温度高达 210℃。

Caldera 在其位于 Fareham 的工厂已经有一个小型演示器，现在正在通过建造其第一台全尺寸蓄能锅炉来扩大规模，该锅炉的直径为 2.9 米，高 7 米，能够储存高达 4MWh 的低碳热能。

该公司开发的专有铝岩复合材料 - 被 Caldera 描述为“热超级材料” - 以低成本和有效的方式将低碳电力作为热量储存起来。

“材料非常简单，”Caldera 的首席商务官 Daniel Kirk 说。

“我们熔化铝（我们使用最低等级的废料——主要是旧发动机缸体）并将其倒在岩石上。如果你愿意，你可以完全用铝做锅炉的核心——岩石只是一个填料，“他解释说。

Kirk 说，Caldera 的目标之一是生产一种易于在世界任何地方复制的解决方案，因此使用廉价材料。

太阳能光伏板产生的电力通过嵌入矩阵中的元件加热电池芯。该系统最复杂的部分是围绕芯材的真空绝缘双层钢外壳。

“它基本上是真空瓶中的储热器，”Kirk 说。“家用储热器的问题一直是，无论你是否愿意，它们都会让热量散发出来。我们的保温瓶非常高效，可以防止大量热量损失。

大型储水锅炉高 7 米，直径近 3 米

该项目得到了英国能源安全和净零部门的4.3百万英镑的支持，现在公司首席执行官詹姆斯·麦克诺滕正在寻找工业合作伙伴来托管其大型蓄能锅炉。

“大多数人认为蒸汽时代在上个世纪结束了——但实际上它从未消失，”他说。“英国大约 70% 的工业能源需求是供热，其中工业蒸汽占总量的 31%。

“这种蒸汽对于制药、食品制造和酿造等行业的过程至关重要，通常由锅炉燃烧天然气或石油产生。蒸汽是许多企业的理想选择，因为它含有大量热量，可以通过管道和阀门相对容易地移动。

“迄今为止，大多数工厂仍然依靠天然气来加热水——但我们的技术允许工业用户利用可以在现场或附近陆地上产生的廉价太阳能。”

Kirk 说，将太阳能发电厂与电池安装相匹配是一个非常复杂的过程。“这取决于很多因素，例如位置、所需的温度和需求水平。”您不能简单地为每个蓄能锅炉规定一定面积的太阳能电池板。

但是，您确实需要大量的太阳能电池板来为系统供电。“仅靠屋顶太阳能通常无法做到这一点，”Kirk 说。“它们通常不够大。”在大多数情况下，用户需要在附近拥有或租用土地以容纳专用的太阳能发电厂。

Hepworth Brewery 是第一家安装 Futraheat Greensteam 系统的企业

“太阳能一天比一天便宜，许多企业还没有意识到安装专用太阳能发电厂的巨大潜力——即使在屋顶空间很小的地方，”Macnaghten 评论道。

“在附近为太阳能发电厂租赁土地，并铺设一条专用电缆（称为'专用电线'）到工业现场一公里或更远，这通常既可行又经济，”他说。

“我们的系统消除了对昂贵的电网连接升级的需求，这可能需要数年时间，这意味着工厂所有者可以以成本成本和使用所有太阳能。

“这改变了太阳能的经济性，并为场地所有者提供了几十年的价格确定性，使制造商能够专注于他们的核心业务，而不是天然气价格。”

能源咨询公司Gemserv的分析表明，Caldera的系统可以在不到六年的时间内将燃料费用减少45%并收回成本。

迄今为止，Caldera 一直在开发许多并联连接的小型热电池，并且“megacell”的开发是通过与工业用户的讨论实现的。

Hepworth Brewery 董事长 Andy Hepworth（左）与 Futraheat 老板 Tom Taylor（右）一起庆祝 Greensteam 系统的安装

“许多工业场所的占地面积有限。因此，从多个小细胞转向更大、更高的细胞对我们来说是有意义的，“Macnaghten 说。

新型“megacell”蓄能锅炉足够紧凑，可以用普通卡车运送，但比其前辈高得多，可以储存更多的热量。

在对其小型储能锅炉进行了几个月的试验后，Caldera 现在已经在其位于 Fareham 的工厂委托了一台大型演示器。

虽然仍处于测试阶段，但Caldera已经忙于与参与制造各种产品（包括纸张、农产品、食品和饮料，甚至建筑材料）的潜在客户进行交谈。他们包括“很多你可能听说过的公司”，Kirk 调侃道，他说 Caldera 预计将在明年初开始安装其第一个商业装置。

将可再生电力与节能储热相结合，是以工业规模提供可持续的按需蒸汽和热水的一种方式;但这并不是唯一的方法。

另一家新企业 Futraheat 正在使用一种截然不同的技术提供类似的服务。这家总部位于萨里郡瑟比顿的公司开发了一种新型热泵，可以产生高达 130°C 的蒸汽，明显高于传统热泵技术通常达到的最高 80°C。

Futraheat 由三位具有航空航天工业背景的工程师于三年前成立。

该公司的 Greensteam 热泵使用名为 TurboClaw 的专利涡轮压缩机实现其高温性能。Futraheat 声称，这是一款无油压缩机，具有独特的几何形状，可将离心式压缩机的优势带到低容量应用中，例如亚 MW 级高温热泵。

TurboClaw 压缩机只有一个活动部件，因此可靠且易于维护，其基本的简单性意味着它可以用传统材料以较低的成本进行批量生产。

与 Caldera 系统一样，Greensteam 热泵直接针对需要大量热水或蒸汽的工业
用户。Futraheat 已经获得了它的第一个客户，即位于西萨塞克斯郡普尔伯勒的 Hepworth 啤酒厂。

该啤酒厂预计其新的热泵将与麦芽汁煮沸相关的能耗和碳排放量减少多达 90%，同时将燃料费用降低多达40%。该技术也有可能在整个酿造过程中推出。

热量通过高温蒸汽管道输送，是酿造和许多其他工业过程的核心组成部分，通常由使用燃气或燃料油的锅炉输送。

借助新系统，Hepworth 啤酒厂现在可以回收酿造过程中通常排放到大气中的废蒸汽，并通过 Futraheat 的热泵对其进行增压，从而在 130°C 下将有用的蒸汽输送回啤酒厂。

Futraheat 首席执行官 Tom Taylor 和他的革命性 TurboClaw

这将减少啤酒厂对碳排放油锅炉的依赖，并使其能够将麦芽汁煮沸的几乎所有热量需求切换到采用绿色电价运行的电动热泵。

Futraheat 表示，该试点项目可以在整个工厂范围内扩大规模，以抵消目前啤酒厂燃烧化石燃料产生的几乎所有热量。当然，它相信其技术可以应用于酿造以外的许多行业。

Futraheat 首席执行官 Tom Taylor 表示，由于英国近四分之三的工业能源需求是供热，其中大部分可以通过高温热泵输送：“热量是大量工业流程的重要组成部分，从制药到食品和饮料，其中大部分是通过蒸汽输送的。

“到目前为止，热泵既负担不起，又无法在行业所需的温度下提供热量。该项目展示了该技术现在可以在啤酒厂内实施。

“我们有信心它可以在英国和全球的一系列行业中推广。”

当前的项目已经与Hepworth Brewery以及能源安全与净零部门的工业能源效率加速器（IEEA）计划合作交付，该计划由碳信托管理。

Futraheat 在 2023 年从包括清洁增长基金在内的支持者那里获得了 £2m 的投资，用于开发和部署其下一代机器，该机器将包含两台 TurboClaw 压缩机，可提供高达 150℃的热量。

Hepworth Brewery 董事长 Andy Hepworth 说：“Futraheat 的高温热泵将帮助我们降低成本和减少二氧化碳排放，并且很容易集成到我们现有的流程中。如果在整个酿造过程中采用这项技术，将大大减少我们的排放。

“从第一天起，可持续性就推动了我们开展业务的方式。我们一直希望在当地采购大麦和啤酒花，以尽量减少我们的食品里程，自 2016 年搬到我们现在的啤酒厂以来，我们采取了许多措施，使我们成为一家更可持续的企业。

来源：陈讲运清洁能源