當今儲能系統ESS的技術新趨勢分析

世界著名的工業控制產品制造商-美國C3CONTROLS在其技術白皮書中分析了當今儲能系統ESS的技術新趨勢，以下為節選內容。

【資料圖】

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

儲能系統提供了廣泛的技術方法來管理我們的電力供應，以努力創建更具彈性的能源基礎設施并為公用事業和消費者節省成本。當前的電力存儲系統技術包括電池、飛輪、壓縮空氣、抽水蓄能等。今天，所有這些系統在它們可以存儲的總能量方面仍然有限，但研究繼續快速改進這些技術。

美國電網建立在電力供應與消費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量和低需求時期儲存電力，然后在低產量或高需求時期將其釋放回電網。

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、經濟和環境效益。根據其部署的程度，電力存儲可以幫助美國電網更有效地運行，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

自發現電以來，許多研究人員和科學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，儲能行業不斷發展和創新，以應對不斷變化的電力需求和技術進步。

今天，美國的消費者每天 24 小時都在用電。無論我們醒著還是睡著，我們對電力的需求都是持續不斷的。美國消費者傾向于理所當然地認為獲得為設備、電器、工具、機器、車輛以及我們日夜使用的所有東西供電所需的能量是多么容易。

然而，當下比如電動汽車的迅速普及給電網帶來了更大的壓力，需要滿足更大的電力需求。此外，鑒于對電網的重大影響，可再生能源市場（如太陽能、風能等）的技術進步和增長一直是儲能需求的重要驅動因素。

儲能技術

電力部門的一個主要特征是可以產生的電力水平在短時間內是可以固定的。相反，電力需求全天波動。開發存儲電能的技術，以便在需要時隨時滿足需求，這代表了電力分配方式的重大變化。

儲能系統

儲能系統 (ESS) 旨在管理需求最大的高峰時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。

ESS 還將幫助平衡微電網，以實現發電和負載之間的穩定平衡。儲能系統可以提供頻率調節——將整個系統的頻率保持在 60 Hz，這一點至關重要。這維持了網絡負載和產生的功率之間的平衡。此外，ESS 的部署還可以為高科技工業設施提供更可靠的電力供應。儲能和電力電子技術為電力行業的轉型帶來了令人鼓舞的前景。

高壓電力電子

開關、控制器和逆變器等高壓電力電子設備可以快速、精確地控制電力，以支持長距離傳輸。這些高壓設備將使系統更有效地運行并更快地有效響應干擾。另一個正在解決的主要挑戰是降低儲能技術和電力電子設備的成本，以加快市場接受度。

美國能源部儲能計劃

美國能源部電力辦公室 (OE) 制定的儲能計劃(ESP)對各種儲能技術進行研究和開發。這一廣泛的技術基礎包括電池（傳統和先進）、電化學電容器、飛輪、電力電子、控制系統以及用于存儲優化和尺寸調整的軟件工具。ESP 與行業合作伙伴密切合作——它的許多項目都是高度分攤成本的。

儲能計劃ESP 為公用事業和國家能源部門提供了合作設計、采購、安裝和調試規模高達幾兆瓦的主要開創性存儲裝置的機會。它還支持對存儲技術的技術和經濟性能的分析研究，以及對儲能系統組件和操作系統的技術評估。

增強型儲能可以為電力行業及其住宅客戶以及工業制造公司和商業企業帶來多重好處。這些好處將包括改善電能質量和向客戶可靠地輸送電力——并將提高輸配電系統的穩定性和可靠性。

儲能計劃ESP 鼓勵公用事業公司改造現有設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值。ESP 為公用事業和供應商提供更高的可再生能源發電價值，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電解質、低溫鈉電池的開發以及具有改進的電化學性能的納米結構電極來提高儲能密度。在電力電子領域，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。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換系統的研究正在進行中。

能源地球計劃

Energy Earthshots Initiative 是美國能源部制定的另一項計劃，旨在在十年內加速突破更豐富、負擔得起和可靠的清潔能源解決方案。實現 Energy Earthshots Initiative 將幫助美國解決解決氣候危機、發展清潔能源經濟以及更快實現到 2050 年凈零碳排放目標的最嚴峻的障礙。

美國能源部DOE – 長期儲能 Earthshots

Long Duration Storage Energy Earthshots (LDSEE) 制定了一個目標，即在十年內將持續時間超過 10 小時的系統的電網規模儲能成本降低 90%。儲能有可能加速電網的完全脫碳。

目前正在安裝較短持續時間的存儲以支持當今的可再生能源發電水平。隨著越來越多的可再生能源部署在電網上，需要更長持續時間的存儲技術。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，以便在能源生產不可用或低于需求時使用。

例如，白天產生的可再生能源（如太陽能發電）可以在夜間使用，或者當需求增加時可以使用在低需求時期產生的核能。LDSS 將考慮所有類型的技術——電化學、機械、熱、化學載體或任何有可能滿足電網靈活性所需持續時間和成本目標的組合。

資金

美國能源部的幾個辦公室開展儲能活動，總統的 2022 財年預算申請包括用于這些活動的總計 11.6 億美元，通過儲能大挑戰橫切面進行跟蹤。在等待撥款之前，美國能源部預計會有資金機會和其他活動來幫助推進實現 LDSS 目標的進展，這與美國能源部的儲能大挑戰路線圖一致。

實現凈零碳排放的目標

長期地球儲能計劃(LDSS) 目標是到 2035 年實現電網凈零碳排放以及到 2050 年整個經濟體實現凈零碳排放目標的關鍵。儲能可以加強對電力系統的本地控制，并為電力系統建立彈性經常停電或可能無法接入電網的社區。開發技術和制造以達到 LDSS 成本目標也將在美國建立一個新的存儲產品制造業。

由于太陽能和風能技術的成本迅速下降，可變可再生能源份額的增加將成為未來的標準。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適應可變能源供應是一個可以實現的目標。將可再生能源（如太陽能、風能和其他可再生資源）整合到最終使用部門的努力已經顯示出巨大的潛力，以及電力儲存對于實現深度脫碳的至關重要性。

基于快速改進的電池和其他技術的電力存儲將允許更大的系統靈活性，隨著可變可再生能源的份額不斷增加，這是一項關鍵資產。電力存儲可以使以電動汽車為主的交通部門成為可能，實現有效的 24 小時離網太陽能家庭系統，并支持 100% 可再生微型電網。

國際預測

國際可再生能源署（IRENA）在報告《電力儲存和可再生能源：成本和市場》中分析了固定應用中一系列電力存儲技術的當前成本和性能，以及到 2030 年的成本降低和性能提升潛力到 2030 年?！?/p>

該報告得出的結論是，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，這應該足以在不到 15 年的時間內將可再生能源在全球能源結構中的份額翻一番。電池電力存儲可能增長 17 倍，電池存儲技術的成本可能下降高達 66%。

這項研究表明，電池儲能系統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施的優化，以及更好的組合和減少材料的使用所驅動的。

儲能系統技術

儲能系統 (ESS) 提供了廣泛的技術方法來管理我們的電力供應，以創建更具彈性的能源基礎設施并為公用事業和消費者節省成本。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 年發明第一塊電池以來，科學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，電池是由一個或多個電化學電池組成的裝置。在這些細胞內，發生化學反應，在電路中產生電子流。電子的這種流動活動提供了所需的電流。這包括先進的化學電池、液流電池和將儲存的化學能轉化為電能的電容器。

電池類型

每種類型的電池都有正極（陰極）、負極（陽極）和一種與它們發生化學反應的電解質。這個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，是現存最古老的可充電電池。每個 12 伏鉛酸電池包含六個電池——每個都有一個正極端子、一個負極端子以及硫酸和水的混合物?；瘜W反應導致硫酸分解成儲存在每個電池內的水，以稀釋酸。在使用電源期間，電池中的酸會耗盡。當電池發電時，它也在放電。

為電池充電時，過程相反，電池的充電會恢復酸性分子。簡而言之，這個過程就是能量的儲存。然后，儲存在酸中的能量被轉化為電能以供使用。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。當鋰離子通過電解質從陰極移動到陽極時，能量被儲存和釋放。與所有使用相同化學反應的鉛酸電池不同，鋰離子電池有許多不同的化學成分。

鈉硫 (NaS) 電池

鈉硫 (NaS) 電池已經使用了 25 年，雖然價格昂貴，但已經很成熟。鈉硫NaS電池以及相關的鋰硫電池采用廉價且豐富的電極材料。它是第一個堿金屬商用電池，正極使用液態硫，β-氧化鋁固體電解質 (BASE) 陶瓷管。

超級電容

電容器將電能存儲在由半導體隔開的兩個金屬板上，并在放電時恢復電能。超級電容器非常大，用于在大電流和短持續時間下進行頻繁充電和放電循環的能量存儲。通過使用特殊的電極和電解質，它們已經發展并跨入了電池技術領域。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) 電池開發于 1970 年代，具有由膜隔開的兩種液體電解質，形成正半電池和負半電池，每個半電池都有一個電極，通常是碳。它們通過跨膜的可逆還原氧化反應進行充電和放電。在充電過程中，離子在正極被氧化（釋放電子），在負極被還原（吸電子）。這意味著電子從正極的活性物質（電解質）移動到負極的活性物質。放電時，過程相反，能量被釋放。

儲熱

熱存儲系統使用加熱和冷卻方法來存儲和釋放能量。例如，熔鹽儲存太陽能產生的熱量，以便在沒有陽光時使用。建筑物中的冰儲存減少了運行壓縮機的需要，同時提供數小時的空調。其他系統使用冷凍水和可調度的熱水器。在所有情況下，多余的能量都會為存儲系統充電（加熱熔鹽、凍結水等），然后根據需要釋放。

機械存儲

機械存儲系統可以說是最簡單的，利用旋轉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的儲能裝置。

電力使飛輪加速，能量通過飛輪保存為動能。當需要能量時，飛輪的旋轉力用于轉動發電機。一些飛輪可以達到每分鐘 60,000 轉的轉速。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。當電力需求高時，壓縮空氣被釋放通過膨脹渦輪發電機發電。

抽水蓄能

抽水蓄能是水電儲能的一種。它是兩個不同高度的水庫的配置，可以發電。當水從一個向下移動到另一個時，它會通過渦輪機。然后系統需要電力，因為它將水泵回上部水庫或重新充電?；诖笮退畮斓某樗钅芟到y已得到廣泛實施，成為最常見的公用事業規模蓄能形式。

儲氫

電能通過電解轉化為氫氣。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。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

引力能是一個大質量物體由于重力而相對于另一個大質量物體具有的勢能。它是與重力場相關的勢能，當物體相互墜落時，勢能被釋放或轉化為動能。當兩個物體分開得更遠時，勢能會增加。

下一步是什么？

即使新技術不斷涌現，ESS 仍需克服許多障礙才能達到未來所需的儲能水平。不斷發現管理我們的電源的新方法正在創建一個更具彈性和更高效的能源基礎設施，這將為公用事業和消費者帶來成本節約。太陽能、風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揮主導作用。

儲能控制產品

隨著電網的變化和改進，儲能系統將在住宅、商業/工業和逆變器/電池等各個層面對電氣控制產生更大的需求。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至關重要。

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