Sperra引領(lǐng)能源革命，3D打印海底能源發(fā)電新技術(shù)獲400萬美元資助

2024年11月6日，南極熊獲悉，加州可再生能源公司Sperra獲得了美國(guó)和德國(guó)政府的項(xiàng)目資助，以推進(jìn)3D 打印海底抽水蓄能水電 (SPSH) 技術(shù)。

SPSH技術(shù)利用3D打印的混凝土球體在海底儲(chǔ)存能量，通過抽水驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。所產(chǎn)生的能量可以儲(chǔ)存在城市附近的水下，并在需要時(shí)釋放。這一過程不依賴于受供應(yīng)鏈限制的關(guān)鍵電池材料，為沿海城市的本地發(fā)電提供了一種可持續(xù)的解決方案。

項(xiàng)目獲得了美國(guó)能源部水力發(fā)電技術(shù)辦公室的400 萬美元資助，將用于在南加州海岸設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試一個(gè) 500 kW/600 kWh、直徑 10 米的儲(chǔ)能裝置。Sperra還與FraunhoferIEE和Pleuger Industries合作開展一個(gè)平行的泵和渦輪機(jī)開發(fā)項(xiàng)目，這一項(xiàng)目最近從德國(guó)經(jīng)濟(jì)和氣候行動(dòng)部(BMWK) 獲得了 370 萬美元的資助。

Sperra 表示，這些合作將支持開發(fā)低成本海底能源存儲(chǔ)能力，以增強(qiáng)電網(wǎng)脫碳。SPSH 技術(shù)將使美國(guó)能夠利用約 75 太瓦時(shí)的未使用海上能源潛力，這是陸上閉環(huán)存儲(chǔ)替代方案的兩倍多。

Sperra 首席執(zhí)行官 JasonCotrell 評(píng)論道：“該項(xiàng)目是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能全部潛力以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)脫碳的重要一步。采用 3D 打印混凝土的海底抽水蓄能水電將加速能源轉(zhuǎn)型，雇用當(dāng)?shù)貏趧?dòng)力并使用現(xiàn)成的材料。”

△SPSH 儲(chǔ)存站的藝術(shù)效果圖，與變電站和浮動(dòng)海上風(fēng)電場(chǎng)相連。圖片來自 Sperra。

3D打印海底能源發(fā)電機(jī)

Sperra 表示，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能支持美國(guó)可再生能源的更廣泛整合。據(jù)報(bào)道，它通過按需在當(dāng)?shù)靥峁┠茉�，在高峰需求期間減少化石燃料的使用，提高了電網(wǎng)的可靠性。SPSH 能夠在大型沿海人口中心附近儲(chǔ)存可持續(xù)發(fā)電的電力。

這項(xiàng)技術(shù)旨在發(fā)揮傳統(tǒng)抽水蓄能水力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)避免與陸基系統(tǒng)相關(guān)的許多挑戰(zhàn)。每個(gè)單元都配有一個(gè)安裝在管道內(nèi)的水下電動(dòng)泵。為了產(chǎn)生能量，閥門打開，讓海水流過管道進(jìn)入球體。這種流動(dòng)使泵的運(yùn)行反向，將其變成渦輪機(jī)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生可儲(chǔ)存的電能。

據(jù)報(bào)道，SPSH 消除了對(duì)鋰等關(guān)鍵電池材料的需求，而鋰通常伴隨著復(fù)雜的供應(yīng)鏈問題以及環(huán)境和社會(huì)影響。此外，模塊化球體可以在需要的地方用當(dāng)?shù)夭少?gòu)的混凝土進(jìn)行 3D 打印。SPSH工藝以 HorstSchmidt-Böcking 教授、Gerhard Luther 博士和 Fraunhofer IEE 于 2013 年至 2017 年開發(fā)的“海洋儲(chǔ)能”（StEnSea）技術(shù)為基礎(chǔ)。  

在美國(guó)能源部支持的項(xiàng)目中，Sperra 將在長(zhǎng)灘工廠使用當(dāng)?shù)夭少?gòu)的混凝土 3D 打印大型混凝土球。據(jù)報(bào)道，這將減少運(yùn)輸排放并減輕鋼鐵等材料對(duì)環(huán)境的影響。

為了擴(kuò)大技術(shù)規(guī)模并將 SPSH 商業(yè)化用于美國(guó)風(fēng)能應(yīng)用，Sperra 正在與研究、工程和能源供應(yīng)鏈成員合作。這些成員包括WSP USA、普渡大學(xué)、國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、Pleuger Industries GmbH、Fraunhofer IEE 和一個(gè)咨詢利益相關(guān)者小組。

弗勞恩霍夫 IEE 高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理Bernhard Ernst 博士解釋道：“抽水蓄能電站特別適合將電力儲(chǔ)存數(shù)小時(shí)至數(shù)天，但在全球范圍內(nèi)的擴(kuò)展?jié)摿κ艿絿?yán)重限制。”

據(jù)恩斯特稱，將抽水蓄能電站的功能原理轉(zhuǎn)移到海底能夠克服這些挑戰(zhàn)，因?yàn)槟抢锏淖匀缓蜕鷳B(tài)限制要低得多。他補(bǔ)充表示，將這些裝置安置在海底使它們更容易被當(dāng)?shù)鼐用窠邮堋?nbsp;  

該項(xiàng)目以加州可持續(xù)能源企業(yè)家發(fā)展（CalSEED）計(jì)劃和紐約州能源研究與發(fā)展局（NYSERDA）的研發(fā)資金為基礎(chǔ)。

展望未來，Sperra 將計(jì)劃進(jìn)行電網(wǎng)連接試點(diǎn)演示。據(jù)報(bào)道，這將有助于降低 SPSH 技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，并產(chǎn)生公共和私人資金，以支持未來更廣泛的部署。      

△在康斯坦茨湖使用三米球體進(jìn)行球形儲(chǔ)能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。照片來自 Fraunhofer IEE

增材制造增強(qiáng)可再生能源

隨著人們不斷努力擴(kuò)大可持續(xù)和可再生化石燃料替代品的使用，增材制造在能源領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛。

今年早些時(shí)候，美國(guó)能源部(DOE)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)宣布正在3D 打印水電大壩組件———大型金屬流道旋轉(zhuǎn)并將水流轉(zhuǎn)化為電能。項(xiàng)目名為 Rapid RUNNERS，將在三年內(nèi)從美國(guó)能源部獲得 1500 萬美元資助。

△ORNL的3D 打印水力發(fā)電站轉(zhuǎn)輪。照片來自 JimTobin/ORNL，美國(guó)能源部。

目前，水力渦輪機(jī)幾乎全部在美國(guó)境外制造。ORNL 希望舉措能夠振興美國(guó)制造業(yè)，并將清潔能源生產(chǎn)重新帶回美國(guó)。

3D 打印有望縮短關(guān)鍵流道部件的交付周期，并加速能源制造業(yè)的增長(zhǎng)。ORNL 研發(fā)人員兼項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人 Adam Stevens 解釋道：“這有可能改變大型金屬部件的鍛造和鑄造�！�  

此外，沙特阿拉伯的 3D 打印服務(wù)提供商N(yùn)ational Additive Manufacturing & Innovation (NAMI) 收購(gòu)了3D Systems 的 3D 打印機(jī)，以實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)鏈的本地化。3D 打印機(jī)正用于為沙特電力公司(SEC) 生產(chǎn)零部件，使關(guān)鍵能源零部件的生產(chǎn)更接近需求點(diǎn)。

據(jù) 3D Systems 稱，這筆交易將使 NAMI 利用價(jià)值 26 億美元的能源行業(yè)，預(yù)計(jì)到 2032 年行業(yè)價(jià)值將增長(zhǎng)到 170 億美元。