儲(chǔ)能系統(tǒng)ESS的技術(shù)新趨勢(shì)

?近日，世界著名的工業(yè)控制產(chǎn)品制造商-美國(guó)C3CONTROLS在其技術(shù)白皮書中分析了當(dāng)今儲(chǔ)能系統(tǒng)ESS的技術(shù)新趨勢(shì)，以下為節(jié)選內(nèi)容：
原始形式的電不能以任何規(guī)模存儲(chǔ)，但通過(guò)使用儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS)，它可以轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，才可以存儲(chǔ)。這些形式的能量可以在需要時(shí)重新轉(zhuǎn)換為電能。儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了廣泛的技術(shù)方法來(lái)管理我們的電力供應(yīng)，以努力創(chuàng)建更具彈性的能源基礎(chǔ)設(shè)施并為公用事業(yè)和消費(fèi)者節(jié)省成本。當(dāng)前的電力存儲(chǔ)系統(tǒng)技術(shù)包括電池、飛輪、壓縮空氣、抽水蓄能等。今天，所有這些系統(tǒng)在它們可以存儲(chǔ)的總能量方面仍然有限，但研究繼續(xù)快速改進(jìn)這些技術(shù)。美國(guó)電網(wǎng)建立在電力供應(yīng)與消費(fèi)者需求之間的微妙平衡之上。幫助平衡電力供需波動(dòng)的有效方法是在高產(chǎn)量和低需求時(shí)期儲(chǔ)存電力，然后在低產(chǎn)量或高需求時(shí)期將其釋放回電網(wǎng)。在這里，我們將討論電力存儲(chǔ)如何為我們所有人提供可靠性、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。根據(jù)其部署的程度，電力存儲(chǔ)可以幫助美國(guó)電網(wǎng)更有效地運(yùn)行，減少高峰需求期間停電的可能性，并允許使用更多的可再生資源。

世界對(duì)電力存儲(chǔ)的需求不斷增長(zhǎng)自發(fā)現(xiàn)電以來(lái)，許多研究人員和科學(xué)家一直在尋找有效的方法來(lái)儲(chǔ)存能量以供按需使用。在過(guò)去的 100 年里，儲(chǔ)能行業(yè)不斷發(fā)展和創(chuàng)新，以應(yīng)對(duì)不斷變化的電力需求和技術(shù)進(jìn)步。今天，美國(guó)的消費(fèi)者每天 24 小時(shí)都在用電。無(wú)論我們醒著還是睡著，我們對(duì)電力的需求都是持續(xù)不斷的。美國(guó)消費(fèi)者傾向于理所當(dāng)然地認(rèn)為獲得為設(shè)備、電器、工具、機(jī)器、車輛以及我們?nèi)找故褂玫乃袞|西供電所需的能量是多么容易。然而，當(dāng)下比如電動(dòng)汽車的迅速普及給電網(wǎng)帶來(lái)了更大的壓力，需要滿足更大的電力需求。此外，鑒于對(duì)電網(wǎng)的重大影響，可再生能源市場(chǎng)（如太陽(yáng)能、風(fēng)能等）的技術(shù)進(jìn)步和增長(zhǎng)一直是儲(chǔ)能需求的重要驅(qū)動(dòng)因素。

儲(chǔ)能技術(shù)電力部門的一個(gè)主要特征是可以產(chǎn)生的電力水平在短時(shí)間內(nèi)是可以固定的。相反，電力需求全天波動(dòng)。開(kāi)發(fā)存儲(chǔ)電能的技術(shù)，以便在需要時(shí)隨時(shí)滿足需求，這代表了電力分配方式的重大變化。儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 旨在管理需求最大的高峰時(shí)段為客戶供電所需的電力水平——最終將有助于更順暢地使用可再生能源，并更容易將其注入配電系統(tǒng)。ESS 還將幫助平衡微電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電和負(fù)載之間的穩(wěn)定平衡。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供頻率調(diào)節(jié)——將整個(gè)系統(tǒng)的頻率保持在 60 Hz，這一點(diǎn)至關(guān)重要。這維持了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和產(chǎn)生的功率之間的平衡。此外，ESS 的部署還可以為高科技工業(yè)設(shè)施提供更可靠的電力供應(yīng)。儲(chǔ)能和電力電子技術(shù)為電力行業(yè)的轉(zhuǎn)型帶來(lái)了令人鼓舞的前景。高壓電力電子開(kāi)關(guān)、控制器和逆變器等高壓電力電子設(shè)備可以快速、精確地控制電力，以支持長(zhǎng)距離傳輸。這些高壓設(shè)備將使系統(tǒng)更有效地運(yùn)行并更快地有效響應(yīng)干擾。另一個(gè)正在解決的主要挑戰(zhàn)是降低儲(chǔ)能技術(shù)和電力電子設(shè)備的成本，以加快市場(chǎng)接受度。

美國(guó)能源部電力辦公室 (OE) 制定的儲(chǔ)能計(jì)劃(ESP)對(duì)各種儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。這一廣泛的技術(shù)基礎(chǔ)包括電池（傳統(tǒng)和先進(jìn)）、電化學(xué)電容器、飛輪、電力電子、控制系統(tǒng)以及用于存儲(chǔ)優(yōu)化和尺寸調(diào)整的軟件工具。ESP 與行業(yè)合作伙伴密切合作——它的許多項(xiàng)目都是高度分?jǐn)偝杀镜?。?chǔ)能計(jì)劃ESP 為公用事業(yè)和國(guó)家能源部門提供了合作設(shè)計(jì)、采購(gòu)、安裝和調(diào)試規(guī)模高達(dá)幾兆瓦的主要開(kāi)創(chuàng)性存儲(chǔ)裝置的機(jī)會(huì)。它還支持對(duì)存儲(chǔ)技術(shù)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能的分析研究，以及對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)組件和操作系統(tǒng)的技術(shù)評(píng)估。增強(qiáng)型儲(chǔ)能可以為電力行業(yè)及其住宅客戶以及工業(yè)制造公司和商業(yè)企業(yè)帶來(lái)多重好處。這些好處將包括改善電能質(zhì)量和向客戶可靠地輸送電力——并將提高輸配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。儲(chǔ)能計(jì)劃ESP 鼓勵(lì)公用事業(yè)公司改造現(xiàn)有設(shè)備以推遲或消除昂貴的升級(jí)——提高可用性并增加分布式電源的市場(chǎng)價(jià)值。ESP 為公用事業(yè)和供應(yīng)商提供更高的可再生能源發(fā)電價(jià)值，并通過(guò)更高的容量以及傳輸支付延期來(lái)降低成本。ESP 還致力于通過(guò)研究液流電池的先進(jìn)電解質(zhì)、低溫鈉電池的開(kāi)發(fā)以及具有改進(jìn)的電化學(xué)性能的納米結(jié)構(gòu)電極來(lái)提高儲(chǔ)能密度。在電力電子領(lǐng)域，碳化硅、氮化鎵等新型高壓、大功率、高頻、寬帶隙材料的研究正在推進(jìn)。此外，對(duì)使用高級(jí)磁性元件、高壓電容器、封裝和高級(jí)控制以顯著提高功率密度和性能的高級(jí)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的研究正在進(jìn)行中。

能源地球計(jì)劃Energy Earthshots Initiative 是美國(guó)能源部制定的另一項(xiàng)計(jì)劃，旨在在十年內(nèi)加速突破更豐富、負(fù)擔(dān)得起和可靠的清潔能源解決方案。實(shí)現(xiàn) Energy Earthshots Initiative 將幫助美國(guó)解決解決氣候危機(jī)、發(fā)展清潔能源經(jīng)濟(jì)以及更快實(shí)現(xiàn)到 2050 年凈零碳排放目標(biāo)的最嚴(yán)峻的障礙。

美國(guó)能源部DOE – 長(zhǎng)期儲(chǔ)能 EarthshotsLong Duration Storage Energy Earthshots (LDSEE)制定了一個(gè)目標(biāo)，即在十年內(nèi)將持續(xù)時(shí)間超過(guò) 10 小時(shí)的系統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能成本降低 90%。儲(chǔ)能有可能加速電網(wǎng)的完全脫碳。目前正在安裝較短持續(xù)時(shí)間的存儲(chǔ)以支持當(dāng)今的可再生能源發(fā)電水平。隨著越來(lái)越多的可再生能源部署在電網(wǎng)上，需要更長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的存儲(chǔ)技術(shù)。更便宜和更高效的存儲(chǔ)將使捕獲和存儲(chǔ)可再生清潔能源更加可行，以便在能源生產(chǎn)不可用或低于需求時(shí)使用。例如，白天產(chǎn)生的可再生能源（如太陽(yáng)能發(fā)電）可以在夜間使用，或者當(dāng)需求增加時(shí)可以使用在低需求時(shí)期產(chǎn)生的核能。LDSS 將考慮所有類型的技術(shù)——電化學(xué)、機(jī)械、熱、化學(xué)載體或任何有可能滿足電網(wǎng)靈活性所需持續(xù)時(shí)間和成本目標(biāo)的組合。巨額儲(chǔ)能資金美國(guó)能源部的幾個(gè)辦公室開(kāi)展儲(chǔ)能活動(dòng)，總統(tǒng)的 2022 財(cái)年預(yù)算申請(qǐng)包括用于這些活動(dòng)的總計(jì) 11.6 億美元，通過(guò)儲(chǔ)能大挑戰(zhàn)橫切面進(jìn)行跟蹤。在等待撥款之前，美國(guó)能源部預(yù)計(jì)會(huì)有資金機(jī)會(huì)和其他活動(dòng)來(lái)幫助推進(jìn)實(shí)現(xiàn) LDSS 目標(biāo)的進(jìn)展，這與美國(guó)能源部的儲(chǔ)能大挑戰(zhàn)路線圖一致。

實(shí)現(xiàn)凈零碳排放的目標(biāo)長(zhǎng)期地球儲(chǔ)能計(jì)劃(LDSS) 目標(biāo)是到 2035 年實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)凈零碳排放以及到 2050 年整個(gè)經(jīng)濟(jì)體實(shí)現(xiàn)凈零碳排放目標(biāo)的關(guān)鍵。儲(chǔ)能可以加強(qiáng)對(duì)電力系統(tǒng)的本地控制，并為電力系統(tǒng)建立彈性經(jīng)常停電或可能無(wú)法接入電網(wǎng)的社區(qū)。開(kāi)發(fā)技術(shù)和制造以達(dá)到 LDSS 成本目標(biāo)也將在美國(guó)建立一個(gè)新的存儲(chǔ)產(chǎn)品制造業(yè)。由于太陽(yáng)能和風(fēng)能技術(shù)的成本迅速下降，可變可再生能源份額的增加將成為未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)。電動(dòng)汽車的使用正在加速交通部門脫碳的努力。需要在電力部門提供不間斷輸出的同時(shí)適應(yīng)可變能源供應(yīng)是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。將可再生能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能和其他可再生資源）整合到最終使用部門的努力已經(jīng)顯示出巨大的潛力，以及電力儲(chǔ)存對(duì)于實(shí)現(xiàn)深度脫碳的至關(guān)重要性?；诳焖俑倪M(jìn)的電池和其他技術(shù)的電力存儲(chǔ)將允許更大的系統(tǒng)靈活性，隨著可變可再生能源的份額不斷增加，這是一項(xiàng)關(guān)鍵資產(chǎn)。電力存儲(chǔ)可以使以電動(dòng)汽車為主的交通部門成為可能，實(shí)現(xiàn)有效的 24 小時(shí)離網(wǎng)太陽(yáng)能家庭系統(tǒng)，并支持 100% 可再生微型電網(wǎng)。

國(guó)際預(yù)測(cè)國(guó)際可再生能源署（IRENA）在報(bào)告《電力儲(chǔ)存和可再生能源：成本和市場(chǎng)》中分析了固定應(yīng)用中一系列電力存儲(chǔ)技術(shù)的當(dāng)前成本和性能，以及到 2030 年的成本降低和性能提升潛力到 2030 年?！痹搱?bào)告得出的結(jié)論是，到 2030 年，總電力存儲(chǔ)容量在能源方面可能會(huì)增加兩倍。隨著可再生能源的迅速采用，這應(yīng)該足以在不到 15 年的時(shí)間內(nèi)將可再生能源在全球能源結(jié)構(gòu)中的份額翻一番。電池電力存儲(chǔ)可能增長(zhǎng) 17 倍，電池存儲(chǔ)技術(shù)的成本可能下降高達(dá) 66%。這項(xiàng)研究表明，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有巨大的部署和降低成本的潛力。到 2030 年，總安裝成本可能下降 50% 至 60%，電池成本下降更多。這一切都是由制造設(shè)施的優(yōu)化，以及更好的組合和減少材料的使用所驅(qū)動(dòng)的。

儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 提供了廣泛的技術(shù)方法來(lái)管理我們的電力供應(yīng)，以創(chuàng)建更具彈性的能源基礎(chǔ)設(shè)施并為公用事業(yè)和消費(fèi)者節(jié)省成本。下面討論目前在世界各地部署的各種方法。電池儲(chǔ)存-電化學(xué)儲(chǔ)能自亞歷山德羅·伏特 (Alessandro Volta) 于 1800 年發(fā)明第一塊電池以來(lái)，科學(xué)家和研究人員讓我們了解了電的工作原理。在最基本的層面上，電池是由一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池組成的裝置。在這些細(xì)胞內(nèi)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在電路中產(chǎn)生電子流。電子的這種流動(dòng)活動(dòng)提供了所需的電流。這包括先進(jìn)的化學(xué)電池、液流電池和將儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電容器。

電池類型每種類型的電池都有正極（陰極）、負(fù)極（陽(yáng)極）和一種與它們發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的電解質(zhì)。這個(gè)過(guò)程對(duì)所有電池都是通用的，但不同類型的電池儲(chǔ)存能量的方式不同。我們今天使用的最常見(jiàn)的可充電電池類型是鋰離子電池和鉛酸電池。

鉛酸電池鉛酸電池已有 170 多年的歷史，是現(xiàn)存最古老的可充電電池。每個(gè) 12 伏鉛酸電池包含六個(gè)電池——每個(gè)都有一個(gè)正極端子、一個(gè)負(fù)極端子以及硫酸和水的混合物?；瘜W(xué)反應(yīng)導(dǎo)致硫酸分解成儲(chǔ)存在每個(gè)電池內(nèi)的水，以稀釋酸。在使用電源期間，電池中的酸會(huì)耗盡。當(dāng)電池發(fā)電時(shí)，它也在放電。為電池充電時(shí)，過(guò)程相反，電池的充電會(huì)恢復(fù)酸性分子。簡(jiǎn)而言之，這個(gè)過(guò)程就是能量的儲(chǔ)存。然后，儲(chǔ)存在酸中的能量被轉(zhuǎn)化為電能以供使用。雖然有許多不同類型的鉛酸電池，但它們都使用相同的化學(xué)儲(chǔ)能過(guò)程。

鋰離子電池

如前所述，所有電池都有陰極和陽(yáng)極。在鋰離子電池的情況下，陰極和陽(yáng)極能夠儲(chǔ)存鋰離子。當(dāng)鋰離子通過(guò)電解質(zhì)從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極時(shí)，能量被儲(chǔ)存和釋放。與所有使用相同化學(xué)反應(yīng)的鉛酸電池不同，鋰離子電池有許多不同的化學(xué)成分。

鈉硫 (NaS) 電池鈉硫 (NaS) 電池已經(jīng)使用了 25 年，雖然價(jià)格昂貴，但已經(jīng)很成熟。鈉硫NaS電池以及相關(guān)的鋰硫電池采用廉價(jià)且豐富的電極材料。它是第一個(gè)堿金屬商用電池，正極使用液態(tài)硫，β-氧化鋁固體電解質(zhì) (BASE) 陶瓷管。超級(jí)電容儲(chǔ)能電容器將電能存儲(chǔ)在由半導(dǎo)體隔開(kāi)的兩個(gè)金屬板上，并在放電時(shí)恢復(fù)電能。超級(jí)電容器非常大，用于在大電流和短持續(xù)時(shí)間下進(jìn)行頻繁充電和放電循環(huán)的能量存儲(chǔ)。通過(guò)使用特殊的電極和電解質(zhì)，它們已經(jīng)發(fā)展并跨入了電池技術(shù)領(lǐng)域。超級(jí)電容器可以非常快速地充電和放電，這在給電動(dòng)汽車充電時(shí)是有利的。

氧化還原液流電池氧化還原液流電池 (RFB) 電池開(kāi)發(fā)于 1970 年代，具有由膜隔開(kāi)的兩種液體電解質(zhì)，形成正半電池和負(fù)半電池，每個(gè)半電池都有一個(gè)電極，通常是碳。它們通過(guò)跨膜的可逆還原氧化反應(yīng)進(jìn)行充電和放電。在充電過(guò)程中，離子在正極被氧化（釋放電子），在負(fù)極被還原（吸電子）。這意味著電子從正極的活性物質(zhì)（電解質(zhì)）移動(dòng)到負(fù)極的活性物質(zhì)。放電時(shí)，過(guò)程相反，能量被釋放。儲(chǔ)熱熱存儲(chǔ)系統(tǒng)使用加熱和冷卻方法來(lái)存儲(chǔ)和釋放能量。例如，熔鹽儲(chǔ)存太陽(yáng)能產(chǎn)生的熱量，以便在沒(méi)有陽(yáng)光時(shí)使用。建筑物中的冰儲(chǔ)存減少了運(yùn)行壓縮機(jī)的需要，同時(shí)提供數(shù)小時(shí)的空調(diào)。其他系統(tǒng)使用冷凍水和可調(diào)度的熱水器。在所有情況下，多余的能量都會(huì)為存儲(chǔ)系統(tǒng)充電（加熱熔鹽、凍結(jié)水等），然后根據(jù)需要釋放。

機(jī)械存儲(chǔ)機(jī)械存儲(chǔ)系統(tǒng)可以說(shuō)是最簡(jiǎn)單的，利用旋轉(zhuǎn)或重力的動(dòng)能來(lái)存儲(chǔ)能量。主要選擇是帶飛輪和壓縮空氣系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置。電力使飛輪加速，能量通過(guò)飛輪保存為動(dòng)能。當(dāng)需要能量時(shí)，飛輪的旋轉(zhuǎn)力用于轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)。一些飛輪可以達(dá)到每分鐘 60,000 轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。電力用于將空氣壓縮至每平方英寸 1,000 磅，并將其儲(chǔ)存在地下洞穴中。當(dāng)電力需求高時(shí)，壓縮空氣被釋放通過(guò)膨脹渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。

抽水蓄能抽水蓄能是水電儲(chǔ)能的一種。它是兩個(gè)不同高度的水庫(kù)的配置，可以發(fā)電。當(dāng)水從一個(gè)向下移動(dòng)到另一個(gè)時(shí)，它會(huì)通過(guò)渦輪機(jī)。然后系統(tǒng)需要電力，因?yàn)樗鼘⑺没厣喜克畮?kù)或重新充電。基于大型水庫(kù)的抽水蓄能系統(tǒng)已得到廣泛實(shí)施，成為最常見(jiàn)的公用事業(yè)規(guī)模蓄能形式。儲(chǔ)氫電能通過(guò)電解轉(zhuǎn)化為氫氣。然后氫氣被儲(chǔ)存并最終重新通電，但今天的往返效率低于其他儲(chǔ)存技術(shù)。與電池或抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能 (CAES) 相比，由于儲(chǔ)能容量高得多，人們對(duì)氫能儲(chǔ)存的興趣正在增長(zhǎng)。重力勢(shì)能儲(chǔ)能引力能是一個(gè)大質(zhì)量物體由于重力而相對(duì)于另一個(gè)大質(zhì)量物體具有的勢(shì)能。它是與重力場(chǎng)相關(guān)的勢(shì)能，當(dāng)物體相互墜落時(shí)，勢(shì)能被釋放或轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。當(dāng)兩個(gè)物體分開(kāi)得更遠(yuǎn)時(shí)，勢(shì)能會(huì)增加。儲(chǔ)能系統(tǒng)的下一步是什么？即使新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，ESS 仍需克服許多障礙才能達(dá)到未來(lái)所需的儲(chǔ)能水平。不斷發(fā)現(xiàn)管理我們的電源的新方法正在創(chuàng)建一個(gè)更具彈性和更高效的能源基礎(chǔ)設(shè)施，這將為公用事業(yè)和消費(fèi)者帶來(lái)成本節(jié)約。太陽(yáng)能、風(fēng)能和其他可再生資源成本的迅速下降將在為我們不斷增長(zhǎng)的需求提供必要的電力方面發(fā)揮主導(dǎo)作用。

儲(chǔ)能控制產(chǎn)品隨著電網(wǎng)的變化和改進(jìn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)將在住宅、商業(yè)/工業(yè)和逆變器/電池等各個(gè)層面對(duì)電氣控制產(chǎn)生更大的需求。低壓電氣控制，包括交流電 (AC) 和直流電 (DC)，對(duì)于有效的儲(chǔ)能系統(tǒng)至關(guān)重要。（作者：吳憨子：特普生（自主研制NTC芯片的儲(chǔ)能CCS）儲(chǔ)能熱管理應(yīng)用顧問(wèn)） 來(lái)源：中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)電化學(xué)儲(chǔ)能整理?

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