美國能源部高級(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),。

美國能源部高級(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。現(xiàn)在近70%的美國電力來自煤炭或天然氣,，發(fā)電占美國二氧化碳排放量的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，其中包括太陽能和風(fēng)能的可再生能源發(fā)電,，以及提高美國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)測的風(fēng)能或太陽能的方法,，從而減少化石燃料的需求,。

錳氫電池原型只有3英寸長，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?！贝抟僬f,。

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)將能夠滿足美國能源部目標(biāo)的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能實(shí)用性,。”崔屹說,。

美國能源部(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,。

美國能源部前部長，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者,，現(xiàn)任斯坦福大學(xué)教授的朱棣文長期以來一直關(guān)注和鼓勵(lì)向可再生能源過渡,。“雖然精確的材料和設(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)美國能源部估計(jì),，美國約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)能和太陽能更加有用,，美國能源部鼓勵(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,?！?/p>

Wei Chen表示，新型低成本材料和相對(duì)簡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)到美國能源部的低于每千瓦時(shí)100美元的目標(biāo),?！?/p>

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,。

更多內(nèi)容請(qǐng)點(diǎn)擊上方訂閱按鈕關(guān)注【美泰儲(chǔ)能網(wǎng)】

儲(chǔ)行業(yè)資訊，傳未來之能,！