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最長儲能時間接近50年!5種長時儲能誰是主角?
來源:國際能源網 時間:2021-10-21 字體:[ ]

近期,一個詞匯收到很大關注:長時儲能(long-duration energy storage) 。對于多長算長時,國際上并沒有明確定義。美國能源部是將其定義為額定功率下連續放電大于等于10小時。但也有機構給出的定義是:可實現跨天、跨月,乃至跨季節充放電循環的儲能系統。

長時儲能的概念雖然近期才出現,但人類長時儲能的實踐卻是有超長歷史了。其中最為人所知的就是抽水蓄能,目前它仍舊在世界范圍內儲能占比最大。

基于重力的抽水蓄能是一種古老而成熟的儲能技術。雖然建造成本和周期稍長,但設施一旦建成,其儲能成本就會非常低,且可以存儲大量的能源。難關主要表現在選址,必須選定合適的地址,且不能破壞生態環境。

除了抽水蓄能這一方式,人類已經開發和正在開發多種長時儲能技術。

核電池:微型化和民用化正在推進中

人類探測器飛得最遠的是什么?無疑是“旅行者一號(Voyager 1)”。這顆從1977年發射出去的探測器,直到今天仍然飛行于星際空間,已離太陽超211億公里的距離,雖然它返回地球的數據和信號已經越來越弱,但是人們還是知道它還在。有沒有想過它為什么會有這么強勁的動力,能支持它跑那么遠?

除了飛行過程中獲得引力彈弓所賦予的速度(沒錯,就是《流量地球》中所使用的那種方式,在接近某行星時利用其引力獲得加速度)之外,是人類為旅行者一號安裝的兩枚核電池幫助它脫離地球引力、變軌、調整飛行姿態、傳送照片和數據等等。

“旅行者1號”上的電池是兩枚钚電池,當時設計的能量是能夠保證它繼續飛行至2025年。

核電池放電原理是,當放射性物質衰變時,能夠釋放出帶電粒子,如果正確利用就能夠產生電流。通常不穩定(即具有放射性)的原子核會發生衰變現象,在放射出粒子及能量后可變得較為穩定。核電池正是利用放射性物質衰變會釋放出能量的原理所制成的。

軍事和航空航天領域用核電池比較多,旅行者一號即是。這類核電池體積往往很大。削減體積是核電池面臨的重大難關之一。但是這一方向一致吸引著科技家,因為當體積縮小到可以民用時,它為產品所提供的動能甚至可能比產品本身壽命都要長。

核電池微型化、安全化,吸引著科學家持續不斷地進行研究?,F在已經略有小成,由美國密蘇里大學計算機工程系研究組研發出的“核電池”體積小電力強。大于1美分硬幣(直徑1.95厘米,厚1.55毫米),但電力是普通化學電池的100萬倍。

微型核電池其優點首先就是電量充足而且穩定,缺點就是具有放射性污染。如何保證其安全性,也是人類的重大任務。

重力儲能:混凝土砌塊儲能驚世出現

任何一種有質量的物體下落時,重力所帶來的能量都可以利用。抽水蓄能就是利用這種原理?,F在有一家公司在用混凝土砌塊來實現這一儲能方式。他們的方案是,通過起重機將成千上萬個特制的混凝土塊堆放成塔臺,然后在需要釋放能量時再把它們放下,從而存儲多余的能量。

這是初創廠商EnergyVault公司提出的一個挑戰性概念,他們認為抽水蓄能太挑地兒了,用混凝土砌塊的話就能避免地理條件的限制。于是公司采用混凝土和起重機等其他行業成熟的技術開發推出了這種儲能技術。

這一技術充滿了爭議性,很多人認為,在處處都講究高科技的當今,這樣的方案也太低科技了。但是無論如何,這種方式確實能產生能量和儲能能量。富有的爭議性也為公司帶來了該公司有史以來最大的一筆投資:去年夏天從日本軟銀集團獲得了1.1億美元投資。而印度塔塔電力公司與EnergyVault公司簽署了一個35MWh小型項目的合同,這表明了有些客戶對這種儲能技術產生了興趣。

EnergyVault公司表示,如果該系統已啟動并正在運行,則可以建立許多信任關系。建立適用于商業實踐的功能對于該儲能技術至關重要。

但也有人質疑,首先建造基礎設施的成本高昂,其次為了增加能量密度,必須使用大重量的鐵塊,這增加了線纜的成本和要求,定期維護和更換是必須的,不然那么重的東西砸到地上,大概率是要引起地震的。

空氣壓縮:折騰空氣是一門技術活兒

空氣壓縮儲能技術分為地下壓縮空氣儲能技術和液態空氣儲能技術。

地下空氣壓縮是將地下空間作為巨型儲存罐,使用多余的電能將壓縮空氣泵入地下空間,在需要時釋放壓縮空氣可使發電設施重新發電。近期有兩家鹽穴空氣壓縮工程進行并網發電階段。

9月30日,江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲能國家試驗示范項目并網試驗成功,作為世界首個非補燃壓縮空氣儲能電站并網試驗成功,標志著我國新型儲能技術的研發和應用取得重大進展。

江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲能項目已經發電了

10月8日,山東肥城鹽穴先進壓縮空氣儲能調峰電站一期10兆瓦(MW)示范電站順利通過驗收,并正式并網發電。這標志著國際首個鹽穴先進壓縮空氣儲能電站已進入正式商業運行狀態。

另外在貴州畢節、河北張家口也都有大規??諝鈮嚎s儲能項目面世。

但是,這種儲能技術通常受到地理環境的限制,也有很多公司在探索突破地域限制的地下空氣壓縮方案,加拿大儲能開發商Hydrostor公司采用了不同的方法:將壓縮空氣泵入現有的洞穴中(例如廢棄的礦井),并用水保持恒定壓力,其目標是使壓縮空氣儲能技術擺脫受到地質條件的限制,同時采用其他成熟行業的設備而將技術風險降至最低。

液態空氣儲能方面,將空氣壓縮并將其存儲在加壓的儲罐中,其空氣壓縮設備和發電機來自成熟行業已建立的供應鏈。這種創新的儲能技術可用于電網規模儲能系統。英國儲能開發商HighviewPower公司經過15年的開發和改進,致力于將其開發的液態空氣儲能試點項目轉變為大型商業儲能設施。

液流電池:最被人認可的長時儲能

液流電池一直被認為是具有前途的長時儲能技術,同時有好幾個液流方案在電化學儲能賽道上和鋰電池并駕齊驅。Zinc8, Primus, Invinity 等歐美電池創業公司主攻的是鋅液流電池。

不過目前鋅電池不如釩電池更受關注。在亞洲,以釩液流電池為主要方向,中國在釩電池賽道上有不俗表現,北京普能是世界領先企業,大連融科也具有強大科技能力。我們曾經就國內釩電池進展進行過系統介紹:未來5年這種電池占比將達20%!全生命周期成本只有0.48元/kwh!它生而不凡!

與太陽能電池聯用的全釩液流電池

日本的釩電池生產是以住友電工為代表。液流電池廠商ESS公司、Avalon公司、英國液流電池廠商RedT公司也都以釩電池研究為主要方向。

鐵空氣電池:劍走偏鋒

近期進入商業化的長時儲能技術還冒出了鐵空氣電池,它劍走偏鋒,而且目前屬于技術保密階段,所以其神秘性也吸引了很多關注。

鐵空氣電池是長時儲能明星公司Form Energy發布的,該公司一直對其技術保密,直到該公司宣布已完成2億美元的D輪融資才對外公布其采用的電池技術是什么。鐵-空氣化學電池的基本原理基于鐵的可逆氧化(生銹)。當鐵-空氣化學電放電時,空氣中的氧氣會使鐵生銹。然后當它被充電時,鐵銹通過電流的應用被轉化回鐵。這個過程排放的唯一物質是氧氣。

該公司聲稱,采用這種電池的儲能系統持續放電時間長達100個小時,其成本與現有化石燃料發電廠相當,并且可能比鋰離子電池儲能系統低10倍以上。其目標是在靠近部署所在地的地方生產鐵-空氣化學電池,并使用在當地采購的鐵礦石。

公司稱,即使在極端天氣導致電網中斷多日的情況下。鐵空氣電池具有極低的成本、安全性、耐用性和全球可擴展性,是平衡可再生能源發電多日變化的最佳解決方案。Form Energy公司第一個項目將于2023年在明尼蘇達州投入運行。

除了以上新方案,斯坦福大學崔毅教授也在2020年成立了EnergyVenue,主打航天領域應用廣泛的金屬氫電池,計劃與香港中華煤氣公司開展試驗項目。此外,還有熱儲能(例如熔鹽儲能),化學儲能(氫、氨)等技術也逐漸進入人們的視野。

長時儲能技術多數方案仍處于百家爭鳴的中早期研發示范階段,孰勝孰劣尚未揭曉。但為了存儲更充足更長久的能源,人類一直在努力。

“十四五”初年,在“雙碳目標”背景下,為助力能源轉型,促進企業創新、產業變革與社會可持續發展,國際能源網憑借16年蓄積之力,繼續構筑產業重磅年度盛會。

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