美國(guó)能源部高級(jí)能源研究計(jì)劃署(ARPA-E)如今正在尋找可以提供更長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能技術(shù)，以及可以在電網(wǎng)任何位置儲(chǔ)存可再生能源技術(shù)，其價(jià)格必須低于100美元/千瓦時(shí)。

而作為新計(jì)劃的一部分，ARPA-E最近宣布為持續(xù)增加電力儲(chǔ)能(DAYS)項(xiàng)目提供高達(dá)3000萬美元資金。持續(xù)增加電力儲(chǔ)能(DAYS)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將采用創(chuàng)新技術(shù)，在電網(wǎng)規(guī)模上實(shí)現(xiàn)提供長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能可靠的電力，其持續(xù)時(shí)間為10至約100小時(shí)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)將在未來的彈性電網(wǎng)中發(fā)揮越來越重要的作用。儲(chǔ)能系統(tǒng)提供改進(jìn)的電網(wǎng)穩(wěn)定性，備用電源以及允許集成更多可再生資源的重要服務(wù)。如今主要儲(chǔ)能選項(xiàng)具有一些限制，阻礙了它們作為長(zhǎng)期解決方案的使用，特別是其高成本。

持續(xù)增加電力儲(chǔ)能(DAYS)團(tuán)隊(duì)將開發(fā)能夠在幾乎任何地點(diǎn)部署的儲(chǔ)能系統(tǒng)，并以每周期成本目標(biāo)放電，遠(yuǎn)低于目前可用系統(tǒng)的成本。

所提供的資助機(jī)會(huì)將對(duì)一系列儲(chǔ)能技術(shù)選擇性開放，其中包括熱、機(jī)械、電化學(xué)、化學(xué)等技術(shù)，但其面臨成本目標(biāo)、選址、功率輸出等諸多挑戰(zhàn)。

GRIDS計(jì)劃

在實(shí)施持續(xù)增加電力儲(chǔ)能(DAYS)計(jì)劃之前，美國(guó)能源部高級(jí)能源研究計(jì)劃署(ARPA-E)為電網(wǎng)規(guī)?？蓴U(kuò)展間歇可調(diào)度式儲(chǔ)能(GRIDS)設(shè)置了目標(biāo)。其目標(biāo)是開發(fā)能夠存儲(chǔ)可再生能源的儲(chǔ)能技術(shù)，可以在電網(wǎng)任何位置使用，投資成本低于每千瓦時(shí)100美元。這個(gè)靈活的大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)將使可再生能源提供可靠的發(fā)電，從而創(chuàng)造更強(qiáng)大、更健壯的電網(wǎng)。下表列出了電網(wǎng)規(guī)?？蓴U(kuò)展間歇可調(diào)度式儲(chǔ)能(GRIDS)計(jì)劃中的公司及其項(xiàng)目描述。

如今，美國(guó)的發(fā)電量為1,100GW，每年發(fā)電量約為410萬GWh。而電網(wǎng)是一種關(guān)鍵資源，可提供美國(guó)家庭和企業(yè)消耗的所有能源的30%。然而，目前的發(fā)電系統(tǒng)嚴(yán)重依賴化石燃料?，F(xiàn)在近70%的美國(guó)電力來自煤炭或天然氣，發(fā)電占美國(guó)二氧化碳排放量的40%以上。

解決氣候變化和獨(dú)立能源供應(yīng)問題將需要更多地使用低碳的排放發(fā)電，其中包括太陽(yáng)能和風(fēng)能的可再生能源發(fā)電，以及提高美國(guó)電力分配的效率和可靠性。

可再生能源發(fā)電源的一個(gè)重要特征是其可變性。圖1顯示了間歇性可再生能源(太陽(yáng)能和風(fēng)能)在幾分鐘到一小時(shí)的時(shí)間范圍發(fā)生的功率輸出的強(qiáng)烈變化，間歇性功率變化超過80%。電網(wǎng)功率電平偏差頻譜顯示發(fā)電和輸電調(diào)度功率電平之間的過多/欠缺的變化。

圖1.由于太陽(yáng)能(a)和風(fēng)力發(fā)電(b)中與天氣有關(guān)的變化，提供電力的間歇性會(huì)限制可再生能源的可調(diào)度性。(c)顯示了發(fā)電和負(fù)載之間的電網(wǎng)偏差頻率。

圖1顯示了一天內(nèi)電力供應(yīng)間歇性，持續(xù)時(shí)間為幾分鐘到幾小時(shí)，在這些時(shí)間范圍內(nèi)，功率輸出超過80%的變化限制了由于太陽(yáng)能(a)和風(fēng)力發(fā)電(b)的天氣相關(guān)變化導(dǎo)致可再生能源發(fā)電的可調(diào)度性。特別是對(duì)于風(fēng)力發(fā)電而言，電力變化率是平衡電力系統(tǒng)關(guān)鍵問題，具有很高的變化率(MW/min)，需要幾分鐘到幾小時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)支持(如圖1b中的虛線)。(c)顯示電網(wǎng)上的分鐘到小時(shí)和小時(shí)到天的時(shí)間幀中發(fā)電和負(fù)載之間的電網(wǎng)偏差頻率。通過電網(wǎng)輔助服務(wù)在秒到分鐘時(shí)間范圍內(nèi)增加了頻率和電壓調(diào)節(jié)。

因此需要存儲(chǔ)將可再生資源轉(zhuǎn)化為可預(yù)測(cè)和可調(diào)度的電網(wǎng)的固定電力，構(gòu)建低碳、高可靠性的電網(wǎng)。

斯坦福大學(xué)的水基錳氫電池研究

“自然能源”雜志的高級(jí)作者，斯坦福大學(xué)材料科學(xué)教授崔屹(YiCui)日前表示，錳氫電池技術(shù)可能是美國(guó)能源之謎中缺失部分之一。它可以提供一種存儲(chǔ)不可預(yù)測(cè)的風(fēng)能或太陽(yáng)能的方法，從而減少化石燃料的需求。

錳氫電池原型只有3英寸長(zhǎng)，僅產(chǎn)生20毫瓦時(shí)的電力，這與掛在鑰匙環(huán)上的LED手電筒的能量水平相當(dāng)。盡管電池原型規(guī)模很小，但研究人員相信他們可以將這種技術(shù)擴(kuò)展到可以充電和充電10,000次的工業(yè)級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，從而創(chuàng)造出一種工作壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過十年的電網(wǎng)。

“我們所做的是將一種特殊的鹽投入水中，滴在電極中，并產(chǎn)生可逆的化學(xué)反應(yīng)，以氫氣的形式存儲(chǔ)電子。”崔屹說。

創(chuàng)造這個(gè)概念并建造電池原型的團(tuán)隊(duì)由崔實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者WeiChen領(lǐng)導(dǎo)。從本質(zhì)上講，研究人員實(shí)現(xiàn)了水和硫酸錳之間的可逆電子交換，硫酸錳是一種豐富廉價(jià)的工業(yè)鹽，可用于制造干電池、肥料、紙張和其他產(chǎn)品。

為了模仿風(fēng)能或太陽(yáng)能源如何為電池供電，研究人員在原型上安裝了一個(gè)電源。電子與溶解在水中的硫酸錳產(chǎn)生反應(yīng)，留下附著在電極上的二氧化錳顆粒。過量的電子以氫氣的形式冒出來，從而儲(chǔ)存能量以備將來使用。而工程師都知道如何利用氫氣產(chǎn)生電力，因此下一步研究是證明水基電池可以充電。

研究人員通過將其電源重新連接到耗盡的原型來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這次目的是誘導(dǎo)附著在電極上的二氧化錳顆粒與水結(jié)合，形成硫酸錳鹽。一旦這種鹽恢復(fù)，獲得的電子就會(huì)過剩，過剩的能量就以氫氣的形式冒出來，這個(gè)過程可以多次重復(fù)。

崔屹估計(jì)，考慮到水基電池的預(yù)期壽命，其存儲(chǔ)的電力可以為100瓦燈泡供電12小時(shí)，成本僅為一美分。

“我們相信這種原型技術(shù)將能夠滿足美國(guó)能源部目標(biāo)的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能實(shí)用性?！贝抟僬f。

美國(guó)能源部(DOE)推薦用于電網(wǎng)規(guī)模的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，然后在一小時(shí)內(nèi)放電至少20千瓦，能夠至少充放5000次，并且使用壽命為10年。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這種電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本應(yīng)為2000美元或更低，或每千瓦時(shí)100美元。

美國(guó)能源部前部長(zhǎng)，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，現(xiàn)任斯坦福大學(xué)教授的朱棣文長(zhǎng)期以來一直關(guān)注和鼓勵(lì)向可再生能源過渡?！半m然精確的材料和設(shè)計(jì)仍然需要開發(fā)，但這個(gè)電池原型展示了科學(xué)和工程的類型，它提出了實(shí)現(xiàn)低成本、長(zhǎng)效、實(shí)用規(guī)模電池的新方法。”朱棣文說。

遠(yuǎn)離碳排放

據(jù)美國(guó)能源部估計(jì)，美國(guó)約70%的電力來自煤炭發(fā)電或天然氣發(fā)電廠，占二氧化碳排放量的40%。而轉(zhuǎn)向風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電是減少這些碳排放的一種方法。但這帶來了涉及電源可變性的新挑戰(zhàn)。最明顯的是，太陽(yáng)和風(fēng)力提供的電力不穩(wěn)定，并且不持續(xù)。

然而，另一個(gè)不太了解但重要的可變性形式來自對(duì)電網(wǎng)的需求激增，在炎熱的夏天，當(dāng)人們下班回家啟動(dòng)空調(diào)時(shí)，公用事業(yè)公司必須采用負(fù)載平衡策略來滿足高峰需求，這需要在幾分鐘內(nèi)提高發(fā)電量的一些方法，以避免停電或故障，否則可能導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓。

如今，公用事業(yè)公司通常會(huì)通過啟動(dòng)按需或可調(diào)度的發(fā)電廠來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這些發(fā)電廠可能在大部分時(shí)間閑置，但需要在幾分鐘內(nèi)提供電力，從而產(chǎn)生快速能源，但會(huì)增加碳排放。一些公用事業(yè)公司開發(fā)了短期負(fù)荷平衡，不依賴于化石燃料燃燒設(shè)備。

最常見和最具成本效益的策略是抽水蓄能。它使用多余的電力將水輸送到高處，然后讓它回流以在高峰需求期間產(chǎn)生能量。然而，水力發(fā)電儲(chǔ)能僅適用于水資源和空間充足的地區(qū)。因此，為了使風(fēng)能和太陽(yáng)能更加有用，美國(guó)能源部鼓勵(lì)使用高容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為替代方案。

高容量低成本的電池技術(shù)

崔屹表示，市場(chǎng)上有幾種類型的可充電電池技術(shù)。但是目前尚不清楚哪些方法符合美國(guó)能源部要求，并證明其對(duì)公用事業(yè)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和維護(hù)國(guó)家電網(wǎng)的其他利益相關(guān)者的實(shí)用性。

例如可充電鋰離子電池，可以存儲(chǔ)手機(jī)和筆記本電腦所需的少量能源，但其采用稀有材料，因此成本太高昂，無法存儲(chǔ)大量的電力。他說，電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)需要一種低成本、高容量、可充電電池。錳氫電池工藝似乎很有希望。他補(bǔ)充說，“其他可充電電池技術(shù)在其工作壽命中的成本將是錳氫電池成本的五倍。”

WeiChen表示，新型低成本材料和相對(duì)簡(jiǎn)單使錳氫電池成為低成本電網(wǎng)規(guī)模部署的理想選擇。“我們?cè)谧匀荒茉吹难芯繄?bào)告的突破有可能符合美國(guó)能源部電網(wǎng)規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)。”他說。

但這種錳氫電池原型需要開發(fā)研究進(jìn)行證明。一方面，它使用金屬鉑作為催化劑來催化電極上的關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)，使充電過程高效，并且該組件的成本對(duì)于大規(guī)模部署而言是不能接受的。但他說，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在研究成本更低的方法來誘導(dǎo)硫酸錳和水進(jìn)行可逆電子交換。他說：“我們采用了新型催化劑，產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)可能會(huì)達(dá)到美國(guó)能源部的低于每千瓦時(shí)100美元的目標(biāo)?！?br/>
研究人員報(bào)告說，可以對(duì)錳氫電池原型進(jìn)行10,000次充電，這是美國(guó)能源部要求的兩倍，但表示有必要在實(shí)際電網(wǎng)儲(chǔ)能條件下測(cè)試錳氫電池，以便真正評(píng)估其壽命、性能和成本。

崔屹表示，他已經(jīng)通過斯坦福技術(shù)許可辦公室尋求申請(qǐng)專利，并計(jì)劃組建一家公司將該技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。