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      9種儲能技術以及如何改變電網
      2021/11/22 7:07:36    新聞來源:中國國際電池展

      可再生能源為電網遠離化石燃料和改變氣候的溫室氣體(GHGs)提供了最好的希望。風能和太陽能是主要的兩種可持續能源,然而無論是風能還是太陽能都有間歇性,如果要在電網的基礎上發揮核心作用必須通過電網儲能來增強。儲能已經不是新技術了,早在1930年,美國麻省米爾福德(New Milford)附近的康涅狄格州電力公司(Connecticut Electric and Power Company)首次通過抽水儲能,通過將Housatonic River中的水抽水到位于河上230英尺的蓄水池來儲存多余的電能。如今,全球約96%的儲能來自同一類型的抽水技術(PHES)。有各種各樣的技術可以用于儲存能源,其中幾種技術特別適用于儲存可再生能源。電化學蓄電池(特別是鋰離子電池),氧化還原液流電池,儲存氫能,熱力系統,泵送液體,甚至是閑置的電動汽車(EV)都有儲能技術。讓我們看一看目前或即將投入商業使用的9種不同的儲能技術。結合這些系統,使可再生能源在未來幾年占據了電網的很大一部分,因此現在是了解這些技術的時候了。


      鋰離子電池

      當涉及到大規模電網儲能時,電化學蓄電池是具有多種優勢。盡管最初的價格是昂貴的,但為電動汽車開發的鋰離子電池已經將儲能價格從 12年前的每千瓦時1,000美元將至每千瓦時100美元。鋰離子電池不但具有非常高的能量密度而且重量輕,使其成為電動汽車以及電氣化運輸的理想因素,但這對于固定存儲系統來說這兩點顯得并不那么重要。鋰離子電池不僅在回收儲存的能量效率在85%到90%之間,而且還可以成為峰值資源,幫助電網平穩運行,特別是在用電高峰期間。能量密度最高的鋰離子電池是以鎳基為陰極材料制成的,通常以鈷混合。這些都是昂貴且相對稀缺的材料。較低能量密度的鋰離子電池是由磷酸鐵為陰極材料制成的,我們稱為磷酸鐵電池。在未來,通過高能鎳和鈷陰極用于電氣化運輸,使用磷酸鐵化學用于固定儲存可能更有意義。鋰離子電池可以持續2,00010,000次充放電循環,在電網應用中,鋰離子電池的壽命可維持大約10年。鋰離子電池在全球電網儲存市場中占90%以上。 

      鉛酸電池在鋰離子電池普及之前,鉛酸電池被用于電力系統的儲能。鉛酸電池具有低能量密度,是鋰離子電池能量密度的1/4,循環壽命短,價格低廉且易于回收。能量密度在很多工業片區中的固定應用中顯得并不那么重要,對于鉛酸電池循環壽命的提高進行研究。鉛酸電池使用廉價且豐富的材料制成,可以在沒有鋰離子電池所需的復雜電池管理系統(BMS)的情況下運行,因此可能會再次使用在電網存儲應用中。 

      鋅混合電池在電池技術的世界里,使用地球上豐富的材料來代替昂貴且稀缺的資源材料來制作電池。舉個例子,一種鋅混合物的材料受到了許多關注。鋅混合動力技術有望為電網規模的解決方案提供專門制造的電池,因為鋅廣泛可用,而且比用其他材料制造鋰離子電池成本可以低很多。在鋅混合電池中,多孔陽極是由大量鋅顆粒形成的,而這些鋅顆粒在放電過程中被電解液飽和。羥基離子(Hydroxyl ions)進入鋅中形成鋅酸鹽,鋅酸鹽釋放電子,電子移動到陰極。鋅混合電池的總體回收儲存能量效率通常低于鋰電池,平均在65%70%。 

      氧化還原液流電池液流電池使用了一種與鋰離子電池完全不同的原理。液流電池將反應性電解液儲存在單獨的容器中,并將其泵送它們通過一個反應罐,該反應罐包含一堆惰性電極,這些惰性電極將電子剝離出來產生電能,而不是將電池的所有反應部分放在一個容器中。離子交換膜使兩種電解液在反應容器中彼此分離。液流電池容量僅與容納反應性液體的容器的大小有關。由于能量儲存在電解液內,儲存容量的大小可以獨立于能量水平。關鍵是這兩種電解溶液使用什么材料。他們必須形成氧化還原反應,還原是電子的增加,氧化是電子的流失。商業液流電池常用鋅和溴或釩流電池(VFB)中釩的各種氧化和還原狀態的組合。但是這些材料的成本是極其昂貴的。液流電池總體回收儲存能量效率在60%85%之間,因為電池容量僅僅取決于存儲電解液容器大小,因此可以一次運行數小時甚至數天。 

      氫能儲存太陽能電池或風力渦輪機產生的多余電能可用于電解過程將水分解成氫氣和氧氣。氫氣可以被壓縮和儲存,當需要釋放儲存的能量時,通過燃料電池,氫氣可以與空氣中的氧氣結合,形成水蒸氣,并將電子釋放回到電網。由于燃料電池回收儲存能量效率在60%左右,當氫氣被壓縮時,會消耗能量,氫能儲存能量的總體效率在25%45%之間,大大低于使用鋰離子電池或液流電池儲存能量的效率。氫氣燃料電池的價格很高,電極使用貴金屬鉑。他們在電信傳送、數據中心、信用卡處理等關鍵設施的主電源和備用電源發現這種材料。 

      熱管理通過加熱儲存太陽能量的熱材料(如巖石或其他材料)產生的電能代替光伏板將太陽能轉換成電能。這些材料可以根據儲存熱量的能力來被選擇,或者可以通過改變質量來儲存能量,例如熔巖。從熱力系統中提取能量,水可以被泵送通過,轉換成蒸汽,利用蒸汽可以驅動連接在發電機上的渦輪機發電。熱系統可以儲存大量的能量,根據使用的系統類型,回收儲存能量效率高達80%90%。 

      抽水蓄能利用抽水蓄能(PHES)裝置,在低成本或高可再生能源時期產生的電力用于將水抽到更高的高度進行儲存。當電力被需要時,水被釋放到更低的水池中,通過渦輪機發電。抽水蓄能儲能既可以使用像河流這樣的自由流動的水源,還可以通過閉環系統在人工湖泊中取水。抽水蓄能成本幾乎比任何一種儲能方法都要便宜,特別是在大量能源需要被儲存時。抽水蓄能水力發電在整個循環中儲存能量效率超過80%,而且這些裝置通??梢蕴峁敌r甚至數天的電力。抽水蓄能是一種長期投資,通常為35年。一旦系統建成,可提供超過50年的服務。如今,大約96%的全球能源儲存都來自某種抽水儲能裝置。 

      壓縮空氣通過壓縮空氣儲存能量,再通過泵送到密閉的地下空間內儲存。當需要能源時,從地下密閉空間排出的空氣通過管道流回發電廠,將其加熱至膨脹,從而轉動發動機。加熱的過程通常使用天然氣,這期間會釋放溫室氣體(GHGs),增加該過程的成本。當壓縮空氣產生的熱量被保留時,該系統的儲存能量效率可以達到70%,否則儲存能量效率僅在42%55%之間。目前有兩種正在運行的壓縮空氣儲存裝置:一個位于美國東南部的阿拉巴馬州的McIntosh,一個位于德國的亨托夫市。McIntosh工廠建立于1991年,能夠儲存110兆瓦時(MWh)。德克薩斯州的Anderson正在建設一座317兆瓦時的發電廠。 

      電動汽車(EV)上百萬輛電動汽車行駛,大多數車輛在一天之內多數處于停放狀態。每輛電動汽車都有一個相當大的鋰離子電池,可以通過一種叫做車輛到電網(V2G)的方法用于電網儲能。將電動汽車接入電網,可再生能源產生的額外的能源可以輸出并儲存在電動汽車中。如果在突然需要能源來穩定電網時(例如在高峰時間),電動汽車中的能源可以被送回電網。盡管V2G聽起來很有意思,但也有很多反對的聲音。主要的反對意見是鋰離子電池在使用壽命周期內只能進行有限次數的充放電循環。有限次數的充放電循環對于電動汽車的普通使用是足夠的,但是電網中增加額外的循環次數或許會縮短電動汽車電池的預期壽命。電動汽車的擁有者也有同樣的擔心,盡管他們的車充電了一整天,但如果電網一直吸收能量,他們的車仍然無法到達滿電狀態。2020年,大眾汽車表示采用雙向充電技術推進V2G。中國化學與物理電源行業協會 楊柳翻譯

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