撰文/ 馬曉蕾

編輯/ 涂彥平

設(shè)計(jì)/ 杜   凱

來(lái)源 / Fttimes，作者：Henry Sanderson

在世界大部分地區(qū)，風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源正變得比化石燃料更便宜，但它們需要存儲(chǔ)才能成為可行、穩(wěn)定的能源，尋找可替換的儲(chǔ)能方式迫在眉睫。

在英格蘭北肯特海岸的一堵被風(fēng)吹過(guò)的海墻上，瑪麗·金（Mary King）指著幾英里長(zhǎng)的空曠沼澤農(nóng)田，那里很快就會(huì)有數(shù)千塊太陽(yáng)能電池板和全國(guó)最大的電池裝置之一。這種電池廠將成為英國(guó)和其他地方的熟悉景象

11月18日，英國(guó)首相鮑里斯·約翰遜（Boris Johnson）承諾要在2030年之前安裝足夠的風(fēng)力渦輪機(jī)，為每個(gè)家庭提供電力，但這將需要管理間歇性能源供應(yīng)的解決方案。

這就是為什么我們需要電池，一個(gè)能將電能作為化學(xué)能儲(chǔ)存的設(shè)備。手機(jī)和特斯拉電動(dòng)汽車中使用的鋰離子電池是目前最主要的儲(chǔ)能技術(shù)，從加州到澳大利亞，很可能還有肯特郡，都在部署鋰離子電池，以幫助電網(wǎng)管理激增的可再生能源供應(yīng)。

特斯拉首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克（Elon Musk）曾表示，他預(yù)計(jì)該公司的能源業(yè)務(wù)，包括為電網(wǎng)提供太陽(yáng)能和巨大的鋰離子電池，將在長(zhǎng)期內(nèi)與汽車業(yè)務(wù)一樣大。

但是，除了鋰離子電池，還需要更便宜、更持久的儲(chǔ)能技術(shù)才能完全取代化石燃料發(fā)電廠，實(shí)現(xiàn)100%使用可再生能源，但其中大部分還不是很劃算。目前，燃?xì)怆姀S彌補(bǔ)了與可再生能源之間的差距，提供穩(wěn)定的能源供應(yīng)，比目前的電池能夠提供更長(zhǎng)的時(shí)間。

英國(guó)政府推出的綠色工業(yè)革命中其中有一項(xiàng)就是10億英鎊的能源創(chuàng)新基金，以幫助新的低碳技術(shù)商業(yè)化。其中包括曼徹斯特郊外Highview Power公司正在建造的液態(tài)空氣電池。

鋰離子電池是目前占主導(dǎo)地位的存儲(chǔ)技術(shù)，并正在全球范圍內(nèi)部署，以幫助電網(wǎng)管理激增的可再生能源供應(yīng)

如果沒(méi)有儲(chǔ)能，各國(guó)將很難大幅減少對(duì)天然氣和燃煤電廠的使用，也很難減少氣候變化的有害影響，比如海平面上升和極端的天氣條件。

各家公司都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)下一個(gè)突破口，包括使用豐富原材料的電池技術(shù)、火山巖、液態(tài)空氣儲(chǔ)存罐以及將重物降到廢棄礦井下的系統(tǒng)，以便在本世紀(jì)中葉開(kāi)啟大規(guī)模的可再生能源。這是由幾位著名的商業(yè)領(lǐng)袖所支持，包括微軟創(chuàng)始人比爾·蓋茨（Bill Gates）和軟銀的孫正義。 

“如果我們想要全面的去碳化，那么所有這些技術(shù)都將是必需的?！蹦茉醋稍児網(wǎng)ood Mackenzie的分析師羅里·麥卡錫（Rory McCarthy）說(shuō)，“但你需要的投資規(guī)模是數(shù)十億美元，才能有所作為?！?/p>

零庫(kù)存的供應(yīng)鏈 

每天，電網(wǎng)必須不斷地使供需匹配，如果把提供可靠、穩(wěn)定能源供應(yīng)的燃煤和燃?xì)怆姀S剝離出來(lái)時(shí)，這一過(guò)程就變得更加困難。麻省理工學(xué)院的加拿大化學(xué)教授唐納德·薩多維（Donald Sadoway）將電網(wǎng)比作“世界上最大的供應(yīng)鏈，但是零庫(kù)存”。

霍恩斯代爾電力儲(chǔ)備，它是世界上最大的鋰離子電池之一，由特斯拉制造，在南澳大利亞詹姆斯敦附近

今年第一季度，可再生能源提供了英國(guó)47%的電力，創(chuàng)下了紀(jì)錄。然而，這種成功在幾周后就產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題，在3月份第一次全國(guó)冠狀病毒封鎖后，能源需求下降了20%之多。當(dāng)可再生能源發(fā)電量達(dá)到總發(fā)電量的50%左右時(shí)，國(guó)家電網(wǎng)的工作變得更加困難，它需要化石燃料廠的大型旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)的幫助來(lái)緩和系統(tǒng)的波動(dòng)性。

需求的下降意味著可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例超過(guò)了一半，國(guó)家電網(wǎng)控制中心的工程師們不得不進(jìn)行微妙的平衡，其中一部分涉及到增加儲(chǔ)能的使用。支持者們說(shuō)，這證明了技術(shù)的擴(kuò)展是正確的。

事實(shí)證明，這是對(duì)未來(lái)電網(wǎng)將如何看待的一個(gè)測(cè)試案例，當(dāng)可再生能源的比例更大時(shí)，Harmony Energy的首席執(zhí)行官彼得·卡瓦納（Peter Kavanagh）說(shuō)，該公司在英格蘭南海岸的普爾用六個(gè)特斯拉鋰離子電池向電網(wǎng)提供電力。

“在許多國(guó)家，太陽(yáng)能和風(fēng)能是最便宜的發(fā)電形式，但一旦可再生能源在能源組合中形成了一定的規(guī)模，就需要進(jìn)行儲(chǔ)能，就像我們?cè)谝咔槠陂g看到的那樣?！彼f(shuō)，“疫情已經(jīng)提前五年證明了電池存儲(chǔ)的商業(yè)案例。”

目前世界上97%以上的儲(chǔ)能方式是利用電力將水抽到高位水庫(kù)，然后將水釋放出來(lái)，驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)產(chǎn)生更多的電力，即所謂的“抽水蓄能”。水庫(kù)是儲(chǔ)存能量的一種方式。但這些系統(tǒng)受到地理環(huán)境的影響較大，未來(lái)可能會(huì)受到水資源日益匱乏的限制。

鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)在于，它們可以放置在任何地方，并且可以像電動(dòng)汽車一樣，非常迅速地向電網(wǎng)提供電力。它們可以在幾毫秒內(nèi)做出反應(yīng)，一般可以提供長(zhǎng)達(dá)4小時(shí)的存儲(chǔ)時(shí)間，幫助電網(wǎng)處理發(fā)電中的突然停電，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，成本太高。在英國(guó)，大多數(shù)大型鋰離子電池可提供30-90分鐘的能量。

氧化還原液流電池

替代技術(shù)可以使大量能源更安全地儲(chǔ)存更長(zhǎng)時(shí)間，這將使風(fēng)能和太陽(yáng)能更加一體化。但它們需要迅速擴(kuò)大規(guī)模，以滿足不斷增長(zhǎng)的需求并具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。

今年1月，美國(guó)加州的主要能源政策和規(guī)劃?rùn)C(jī)構(gòu)加州能源委員會(huì)呼吁建立長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能，提供10小時(shí)以上的能源，足以儲(chǔ)存一天的太陽(yáng)能供通宵使用。

中標(biāo)者之一是英威尼迪能源系統(tǒng)公司，該公司使用以釩為基礎(chǔ)的大型電池，釩是鋼鐵工業(yè)用來(lái)提高金屬?gòu)?qiáng)度的原材料。這些氧化還原液流電池最早是由美國(guó)國(guó)家航空航天局在20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的，使用單獨(dú)充電的大型電解質(zhì)罐來(lái)儲(chǔ)存能量，這使得它比傳統(tǒng)電池更容易擴(kuò)容。

巴西巴伊亞州的一個(gè)釩礦坑。使用這種材料的Invinity Energy Systems公司的Matt Harper說(shuō)，釩電池可以在白天儲(chǔ)存8到10個(gè)小時(shí)的可再生能源，并在需求高峰時(shí)加以利用

該公司首席商務(wù)官馬特·哈珀（Matt Harper）說(shuō)，釩電池可以在白天儲(chǔ)存8到10個(gè)小時(shí)的可再生能源，并在需求高峰期，或在夜間部署，為電力價(jià)格設(shè)定了一個(gè)下限。他說(shuō)，由于釩電池使用的是水基電解質(zhì)，因此滅火的可能性比起起火的可能性更大。它們的壽命也比鋰離子電池長(zhǎng)，可以使用30年。

在中國(guó)東北部的大連市中心，融科電力正在建造世界上最大的釩電池。它的容量為800兆瓦時(shí)，將是位于加州的世界最大鋰離子電池裝置規(guī)模的三倍以上。它將幫助遼寧省電網(wǎng)更好地整合風(fēng)電。

“在市中心安裝大規(guī)模的鋰離子電池是不允許的（出于安全考慮）?！比诳剖袌?chǎng)總監(jiān)李斌說(shuō)，“鋰離子電池的安全問(wèn)題還沒(méi)有解決?！?/p>

然而釩的價(jià)格波動(dòng)很大，2018年11月飆升至127美元/公斤，如今又跌至25美元/公斤，這可能對(duì)生產(chǎn)成本產(chǎn)生影響。

西門(mén)子的火山巖儲(chǔ)能

尋找其他儲(chǔ)能選擇的人則完全避免使用電池，而嘗試類似于抽水機(jī)的自然和物理解決方案，它可以在20小時(shí)內(nèi)調(diào)度能量，不需要天然水庫(kù)。

在德國(guó)漢堡市郊，一棟灰色混凝土無(wú)窗大樓的正面用紫色字體寫(xiě)著“歡迎進(jìn)入新石器時(shí)代”，該工廠由世界第二大風(fēng)力渦輪機(jī)制造商西門(mén)子Gamesa運(yùn)營(yíng)

西門(mén)子Gamesa的漢堡工廠利用來(lái)自挪威的1000噸火山巖，以熱能的形式儲(chǔ)存130兆瓦時(shí)的能量，提供的能量足夠約3000戶德國(guó)家庭使用，或者大約750輛電動(dòng)汽車使用。

首先用電將火山巖加熱到至少600℃。這些能量可以儲(chǔ)存一個(gè)星期，但目標(biāo)是在一夜之間調(diào)度電力。西門(mén)子Gamesa公司創(chuàng)新項(xiàng)目負(fù)責(zé)人哈桑（Hasan Oezdem）表示，該系統(tǒng)可以安裝在正在面臨淘汰的燃煤電廠中，并使用其渦輪機(jī)。

“你可以把它們變成巨大的存儲(chǔ)設(shè)施?！彼f(shuō)，“最大的公用事業(yè)公司正在努力重生，因?yàn)槟銦o(wú)法出售它們，沒(méi)有人購(gòu)買燃煤電廠。我們提供的是以綠色目的讓它繼續(xù)運(yùn)行?！?/p>

在曼徹斯特郊區(qū)，一個(gè)類似的項(xiàng)目正在一個(gè)退役電廠的場(chǎng)地上成形，使用液態(tài)空氣的容器而不是火山巖。Highview Power在贏得英國(guó)商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部的1000萬(wàn)英鎊撥款后，11月在特拉福德能源園的250兆瓦時(shí)電廠破土動(dòng)工。

“鋰離子電池是偉大的技術(shù)，但對(duì)于電網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)來(lái)說(shuō)，它太小了。”該公司的首席執(zhí)行官哈維爾（Javier Cavada）說(shuō)，“長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能的商業(yè)模式是確保所有的風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電都得到利用?！?/p>

英國(guó)埃塞克斯海岸的風(fēng)力渦輪機(jī)。英國(guó)首相鮑里斯·約翰遜承諾，到2030年，將安裝足夠的風(fēng)力渦輪機(jī)為每戶家庭提供電力

盡管有各種優(yōu)勢(shì)，但這些技術(shù)將很難打敗鋰離子的制造規(guī)模，過(guò)去十年電動(dòng)汽車投資的激增推動(dòng)了鋰離子的發(fā)展。據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)報(bào)道，2010年至去年，鋰離子電池的價(jià)格實(shí)際下降了87%，約為156美元/千瓦時(shí)。

這一價(jià)格可能會(huì)進(jìn)一步下降。根據(jù)Wood Mackenzie的數(shù)據(jù)，到2030年，全球用于電網(wǎng)存儲(chǔ)的電池安裝量將上升到741吉瓦時(shí)，其中大部分是鋰離子電池，由美國(guó)和中國(guó)主導(dǎo)。1千兆瓦時(shí)足以為100萬(wàn)戶家庭供電1小時(shí)。

此外，通過(guò)利用電力電解水而產(chǎn)生的氫氣，可以成為較長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存能源的一種有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。氫氣可以儲(chǔ)存在地下洞穴或枯竭的油氣田中。

Cleve Hill附近的格拉維尼，Hive Energy能源計(jì)劃在那里建立它的太陽(yáng)能和儲(chǔ)存地點(diǎn)。該公司正在決定使用哪種技術(shù)來(lái)生產(chǎn)電池，但很可能會(huì)選擇鋰離子電池

Hive Energy公司正在規(guī)劃Graveney附近的Cleve Hill太陽(yáng)能和儲(chǔ)能基地，該公司的總經(jīng)理休·布倫南（Hugh Brennan）表示，該公司正在決定使用哪種技術(shù)來(lái)制作電池，但很可能會(huì)選擇鋰離子。

在Graveney，教堂外和路邊都立著標(biāo)語(yǔ)牌，上面有防毒面具的圖片和“不要太陽(yáng)能發(fā)電廠”的口號(hào)

超越鋰離子的儲(chǔ)能技術(shù)一覽

釩氧化還原液流電池儲(chǔ)能：使用兩個(gè)含有正電荷和負(fù)電荷的液態(tài)釩電解質(zhì)的罐子，這些電解質(zhì)通過(guò)泵輸送穿透電池中的隔膜。這種電池比鋰離子電池的降解程度更低，循環(huán)壽命更長(zhǎng)。

壓縮空氣儲(chǔ)能：液態(tài)空氣被冷卻到零下196℃，之后被儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中。然后將其加熱，驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。另一種方法是使用加熱的壓縮空氣將能量?jī)?chǔ)存在專門(mén)建造的洞穴中。

重力儲(chǔ)能：包括將沉重的礦塊在廢棄的礦井中上下提起，作為儲(chǔ)存和發(fā)電的一種方式。

熔鹽儲(chǔ)能：由比爾·蓋茨的突破能源風(fēng)險(xiǎn)投資公司支持的熱能儲(chǔ)存馬耳他公司，以熔鹽的形式將能量以熱的形式儲(chǔ)存。該公司表示，該技術(shù)可以持續(xù)20年以上，適合儲(chǔ)存6個(gè)多小時(shí)。

液態(tài)金屬電池儲(chǔ)能“”使用金屬在加熱時(shí)自然分離，形成陰極和陽(yáng)極，由鹽電解質(zhì)分離。一旦初始加熱，電池就會(huì)在放電和充電時(shí)產(chǎn)生熱量，從而保持較高的工作溫度。

使用鐵、硫和鋅等廉價(jià)原材料的低成本電池為鋰離子電池技術(shù)提供了替代品。例如，以鋅為原料的電池開(kāi)發(fā)商EOS表示，其電池有能力在3至12小時(shí)內(nèi)釋放能量。由比爾·蓋茨支持的初創(chuàng)公司Form Energy表示，其電池可以低成本地儲(chǔ)存能量長(zhǎng)達(dá)150小時(shí)。

氫儲(chǔ)能：利用電力生產(chǎn)氫氣是一種儲(chǔ)存能量的方式，但在這個(gè)過(guò)程中會(huì)有大量的能量損失，因此效率不如電池。

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