Sperra引领能源革命，3D打印海底能源发电新技术获400万美元资助

2024年11月6日，南极熊获悉，加州可再生能源公司Sperra获得了美国和德国政府的项目资助，以推进3D 打印海底抽水蓄能水电 (SPSH) 技术。

SPSH技术利用3D打印的混凝土球体在海底储存能量，通过抽水驱动涡轮机发电。所产生的能量可以储存在城市附近的水下，并在需要时释放。这一过程不依赖于受供应链限制的关键电池材料，为沿海城市的本地发电提供了一种可持续的解决方案。

项目获得了美国能源部水力发电技术办公室的400 万美元资助，将用于在南加州海岸设计、制造和测试一个 500 kW/600 kWh、直径 10 米的储能装置。Sperra还与FraunhoferIEE和Pleuger Industries合作开展一个平行的泵和涡轮机开发项目，这一项目最近从德国经济和气候行动部(BMWK) 获得了 370 万美元的资助。

Sperra 表示，这些合作将支持开发低成本海底能源存储能力，以增强电网脱碳。SPSH 技术将使美国能够利用约 75 太瓦时的未使用海上能源潜力，这是陆上闭环存储替代方案的两倍多。

Sperra 首席执行官 JasonCotrell 评论道：“该项目是实现储能全部潜力以实现电网脱碳的重要一步。采用 3D 打印混凝土的海底抽水蓄能水电将加速能源转型，雇用当地劳动力并使用现成的材料。”

△SPSH 储存站的艺术效果图，与变电站和浮动海上风电场相连。图片来自 Sperra。

3D打印海底能源发电机

Sperra 表示，长时储能支持美国可再生能源的更广泛整合。据报道，它通过按需在当地提供能源，在高峰需求期间减少化石燃料的使用，提高了电网的可靠性。SPSH 能够在大型沿海人口中心附近储存可持续发电的电力。

这项技术旨在发挥传统抽水蓄能水力发电的优势，同时避免与陆基系统相关的许多挑战。每个单元都配有一个安装在管道内的水下电动泵。为了产生能量，阀门打开，让海水流过管道进入球体。这种流动使泵的运行反向，将其变成涡轮机，驱动电动机产生可储存的电能。

据报道，SPSH 消除了对锂等关键电池材料的需求，而锂通常伴随着复杂的供应链问题以及环境和社会影响。此外，模块化球体可以在需要的地方用当地采购的混凝土进行 3D 打印。SPSH工艺以 HorstSchmidt-Böcking 教授、Gerhard Luther 博士和 Fraunhofer IEE 于 2013 年至 2017 年开发的“海洋储能”（StEnSea）技术为基础。  

在美国能源部支持的项目中，Sperra 将在长滩工厂使用当地采购的混凝土 3D 打印大型混凝土球。据报道，这将减少运输排放并减轻钢铁等材料对环境的影响。

为了扩大技术规模并将 SPSH 商业化用于美国风能应用，Sperra 正在与研究、工程和能源供应链成员合作。这些成员包括WSP USA、普渡大学、国家可再生能源实验室、Pleuger Industries GmbH、Fraunhofer IEE 和一个咨询利益相关者小组。

弗劳恩霍夫 IEE 高级项目经理Bernhard Ernst 博士解释道：“抽水蓄能电站特别适合将电力储存数小时至数天，但在全球范围内的扩展潜力受到严重限制。”

据恩斯特称，将抽水蓄能电站的功能原理转移到海底能够克服这些挑战，因为那里的自然和生态限制要低得多。他补充表示，将这些装置安置在海底使它们更容易被当地居民接受。   

该项目以加州可持续能源企业家发展（CalSEED）计划和纽约州能源研究与发展局（NYSERDA）的研发资金为基础。

展望未来，Sperra 将计划进行电网连接试点演示。据报道，这将有助于降低 SPSH 技术的风险，并产生公共和私人资金，以支持未来更广泛的部署。      

△在康斯坦茨湖使用三米球体进行球形储能现场测试。照片来自 Fraunhofer IEE

增材制造增强可再生能源

随着人们不断努力扩大可持续和可再生化石燃料替代品的使用，增材制造在能源领域的应用也日益广泛。

今年早些时候，美国能源部(DOE)橡树岭国家实验室(ORNL)宣布正在3D 打印水电大坝组件———大型金属流道旋转并将水流转化为电能。项目名为 Rapid RUNNERS，将在三年内从美国能源部获得 1500 万美元资助。

△ORNL的3D 打印水力发电站转轮。照片来自 JimTobin/ORNL，美国能源部。

目前，水力涡轮机几乎全部在美国境外制造。ORNL 希望举措能够振兴美国制造业，并将清洁能源生产重新带回美国。

3D 打印有望缩短关键流道部件的交付周期，并加速能源制造业的增长。ORNL 研发人员兼项目技术负责人 Adam Stevens 解释道：“这有可能改变大型金属部件的锻造和铸造。”  

此外，沙特阿拉伯的 3D 打印服务提供商National Additive Manufacturing & Innovation (NAMI) 收购了3D Systems 的 3D 打印机，以实现能源供应链的本地化。3D 打印机正用于为沙特电力公司(SEC) 生产零部件，使关键能源零部件的生产更接近需求点。

据 3D Systems 称，这笔交易将使 NAMI 利用价值 26 亿美元的能源行业，预计到 2032 年行业价值将增长到 170 亿美元。