世界著名的工業(yè)控制產(chǎn)品制造商-美國C3CONTROLS在其技術(shù)白皮書中分析了當(dāng)今儲能系統(tǒng)ESS的技術(shù)新趨勢，以下為節(jié)選內(nèi)容。

【資料圖】

原始形式的電不能以任何規(guī)模存儲，但通過使用儲能系統(tǒng) (ESS)，它可以轉(zhuǎn)換為其他形式的能量進(jìn)行存儲。這些形式的能量可以在需要時(shí)重新轉(zhuǎn)換為電能。

儲能系統(tǒng)提供了廣泛的技術(shù)方法來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的有效方法是在高產(chǎn)量和低需求時(shí)期儲存電力，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，電力存儲可以幫助美國電網(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。

對電力存儲的需求不斷增長

自發(fā)現(xiàn)電以來，許多研究人員和科學(xué)家一直在尋找有效的方法來儲存能量以供按需使用。在過去的 100 年里，儲能行業(yè)不斷發(fā)展和創(chuàng)新，以應(yīng)對不斷變化的電力需求和技術(shù)進(jìn)步。

今天，美國的消費(fèi)者每天 24 小時(shí)都在用電。無論我們醒著還是睡著，我們對電力的需求都是持續(xù)不斷的。美國消費(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)下比如電動汽車的迅速普及給電網(wǎng)帶來了更大的壓力，需要滿足更大的電力需求。此外，鑒于對電網(wǎng)的重大影響，可再生能源市場（如太陽能、風(fēng)能等）的技術(shù)進(jìn)步和增長一直是儲能需求的重要驅(qū)動因素。

儲能技術(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。開發(fā)存儲電能的技術(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。

儲能系統(tǒng)

儲能系統(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)。儲能和電力電子技術(shù)為電力行業(yè)的轉(zhuǎn)型帶來了令人鼓舞的前景。

高壓電力電子

開關(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)是降低儲能技術(shù)和電力電子設(shè)備的成本，以加快市場接受度。

美國能源部儲能計(jì)劃

美國能源部電力辦公室 (OE) 制定的儲能計(jì)劃(ESP)對各種儲能技術(shù)進(jìn)行研究和開發(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)偝杀镜摹?/p>

儲能計(jì)劃ESP 為公用事業(yè)和國家能源部門提供了合作設(shè)計(jì)、采購、安裝和調(diào)試規(guī)模高達(dá)幾兆瓦的主要開創(chuàng)性存儲裝置的機(jī)會。它還支持對存儲技術(shù)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能的分析研究，以及對儲能系統(tǒng)組件和操作系統(tǒng)的技術(shù)評估。

增強(qiáng)型儲能可以為電力行業(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——提高可用性并增加分布式電源的市場價(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，并通過更高的容量以及傳輸支付延期來降低成本。

ESP 還致力于通過研究液流電池的先進(jìn)電解質(zhì)、低溫鈉電池的開發(fā)以及具有改進(jìn)的電化學(xué)性能的納米結(jié)構(gòu)電極來提高儲能密度。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，對使用高級磁性元件、高壓電容器、封裝和高級控制以顯著提高功率密度和性能的高級電源轉(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。

美國能源部DOE – 長期儲能 Earthshots

Long 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 10 小時(shí)的系統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)模儲能成本降低 90%。儲能有可能加速電網(wǎng)的完全脫碳。

目前正在安裝較短持續(xù)時(shí)間的存儲以支持當(dāng)今的可再生能源發(fā)電水平。隨著越來越多的可再生能源部署在電網(wǎng)上，需要更長持續(xù)時(shí)間的存儲技術(shù)。更便宜和更高效的存儲將使捕獲和存儲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。

資金

美國能源部的幾個(gè)辦公室開展儲能活動，總統(tǒng)的 2022 財(cái)年預(yù)算申請包括用于這些活動的總計(jì) 11.6 億美元，通過儲能大挑戰(zhàn)橫切面進(jìn)行跟蹤。在等待撥款之前，美國能源部預(yù)計(jì)會有資金機(jī)會和其他活動來幫助推進(jìn)實(shí)現(xiàn) LDSS 目標(biāo)的進(jìn)展，這與美國能源部的儲能大挑戰(zhàn)路線圖一致。

實(shí)現(xiàn)凈零碳排放的目標(biāo)

長期地球儲能計(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。儲能可以加強(qiáng)對電力系統(tǒng)的本地控制，并為電力系統(tǒng)建立彈性經(jīng)常停電或可能無法接入電網(wǎng)的社區(qū)。開發(fā)技術(shù)和制造以達(dá)到 LDSS 成本目標(biāo)也將在美國建立一個(gè)新的存儲產(chǎn)品制造業(yè)。

由于太陽能和風(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的標(biāo)準(zhǔn)。電動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，以及電力儲存對于實(shí)現(xiàn)深度脫碳的至關(guān)重要性。

基于快速改進(jìn)的電池和其他技術(shù)的電力存儲將允許更大的系統(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)。電力存儲可以使以電動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)太陽能家庭系統(tǒng)，并支持 100% 可再生微型電網(wǎng)。

國際預(yù)測

國際可再生能源署（IRENA）在報(bào)告《電力儲存和可再生能源：成本和市場》中分析了固定應(yīng)用中一系列電力存儲技術(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?！?/p>

該報(bào)告得出的結(jié)論是，到 2030 年，總電力存儲容量在能源方面可能會增加兩倍。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。電池電力存儲可能增長 17 倍，電池存儲技術(shù)的成本可能下降高達(dá) 66%。

這項(xiàng)研究表明，電池儲能系統(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)動的。

儲能系統(tǒng)技術(shù)

儲能系統(tǒng) (ESS) 提供了廣泛的技術(shù)方法來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。

電池儲存

自亞歷山德羅·伏特 (Alessandro Volta) 于 1800 年發(fā)明第一塊電池以來，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。電子的這種流動活動提供了所需的電流。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)過程對所有電池都是通用的，但不同類型的電池儲存能量的方式不同。我們今天使用的最常見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，電池中的酸會耗盡。當(dāng)電池發(fā)電時(shí)，它也在放電。

為電池充電時(shí)，過程相反，電池的充電會恢復(fù)酸性分子。簡而言之，這個(gè)過程就是能量的儲存。然后，儲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)儲能過程。

鋰離子電池

如前所述，所有電池都有陰極和陽極。在鋰離子電池的情況下，陰極和陽極能夠儲存鋰離子。當(dāng)鋰離子通過電解質(zhì)從陰極移動到陽極時(shí)，能量被儲存和釋放。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。

超級電容

電容器將電能存儲在由半導(dǎo)體隔開的兩個(gè)金屬板上，并在放電時(shí)恢復(fù)電能。超級電容器非常大，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。通過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。超級電容器可以非常快速地充電和放電，這在給電動汽車充電時(shí)是有利的。

氧化還原液流電池

氧化還原液流電池 (RFB) 電池開發(fā)于 1970 年代，具有由膜隔開的兩種液體電解質(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。它們通過跨膜的可逆還原氧化反應(yīng)進(jìn)行充電和放電。在充電過程中，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)）移動到負(fù)極的活性物質(zhì)。放電時(shí)，過程相反，能量被釋放。

儲熱

熱存儲系統(tǒng)使用加熱和冷卻方法來存儲和釋放能量。例如，熔鹽儲存太陽能產(chǎn)生的熱量，以便在沒有陽光時(shí)使用。建筑物中的冰儲存減少了運(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，多余的能量都會為存儲系統(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

機(jī)械存儲系統(tǒng)可以說是最簡單的，利用旋轉(zhuǎn)或重力的動能來存儲能量。主要選擇是帶飛輪和壓縮空氣系統(tǒng)的儲能裝置。

電力使飛輪加速，能量通過飛輪保存為動能。當(dāng)需要能量時(shí)，飛輪的旋轉(zhuǎn)力用于轉(zhuǎn)動發(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膨脹渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。

抽水蓄能

抽水蓄能是水電儲能的一種。它是兩個(gè)不同高度的水庫的配置，可以發(fā)電。當(dāng)水從一個(gè)向下移動到另一個(gè)時(shí)，它會通過渦輪機(jī)。然后系統(tǒng)需要電力，因?yàn)樗鼘⑺没厣喜克畮旎蛑匦鲁潆?。基于大型水庫的抽水蓄能系統(tǒng)已得到廣泛實(shí)施，成為最常見的公用事業(yè)規(guī)模蓄能形式。

儲氫

電能通過電解轉(zhuǎn)化為氫氣。然后氫氣被儲存并最終重新通電，但今天的往返效率低于其他儲存技術(shù)。與電池或抽水蓄能和壓縮空氣儲能 (CAES) 相比，由于儲能容量高得多，人們對氫能儲存的興趣正在增長。

重力勢能

引力能是一個(gè)大質(zhì)量物體由于重力而相對于另一個(gè)大質(zhì)量物體具有的勢能。它是與重力場相關(guān)的勢能，當(dāng)物體相互墜落時(shí)，勢能被釋放或轉(zhuǎn)化為動能。當(dāng)兩個(gè)物體分開得更遠(yuǎn)時(shí)，勢能會增加。

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)到未來所需的儲能水平。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)者帶來成本節(jié)約。太陽能、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的需求提供必要的電力方面發(fā)揮主導(dǎo)作用。

儲能控制產(chǎn)品

隨著電網(wǎng)的變化和改進(jìn)，儲能系統(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)，對于有效的儲能系統(tǒng)至關(guān)重要。

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