實(shí)現(xiàn)潔凈發(fā)電：新一代電池與儲(chǔ)能技術(shù)

對(duì)于再生能源電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于天氣、陽(yáng)光和季節(jié)性變化引起的巨大輸出波動(dòng)問(wèn)題，使得發(fā)電狀態(tài)幾乎都是間歇性，因此很難將它們穩(wěn)定地連接到商業(yè)電網(wǎng)。在此困境下，當(dāng)然最佳的解決方案就是開(kāi)發(fā)大規(guī)模的儲(chǔ)能電池技術(shù)，當(dāng)發(fā)電之后，就可以將電力儲(chǔ)存起來(lái)。

此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)（Energy Storage System；ESS）就扮演著穩(wěn)定供電的核心角色，但在今天，在尋找技術(shù)和成本效益上的方法來(lái)儲(chǔ)存電力是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。雖然目前有許多技術(shù)方案，但卻沒(méi)有單一的「最佳」的解決方案。這取決于許多因素，這包括了電力儲(chǔ)存容量、充電/放電/使用周期、設(shè)置地點(diǎn)和成本結(jié)構(gòu)等等。



 
圖一 : 儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）已經(jīng)不僅僅是儲(chǔ)能單元。而是根據(jù)安裝的規(guī)格和目的，讓這些設(shè)備以及DC-AC逆變器的管理能夠達(dá)到最大效益化。（source：Saft/TotalEnergies；作者整理）

歐洲廢舊電池組回收再利用逐年成長(zhǎng)
在面對(duì)成本壓力，已經(jīng)有一些業(yè)者和工程師提出，回收再使用廢舊電池組。這些廢舊電池通常是從各種類型車輛，或各儲(chǔ)電站中有條件式的回收。根據(jù)廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電池的容量下降到其初始容量的80%時(shí)，就可以被宣布已經(jīng)達(dá)到「第一階段汰除」需更換新電池的程度。

然而，回收再使用廢舊電池有幾個(gè)不可忽視的問(wèn)題。首先，鋰離子電池的特點(diǎn)是體積能量密度高，但在大規(guī)模配置中，必須對(duì)充/放電/溫度和故障安全等各種參數(shù)，進(jìn)行復(fù)雜的多級(jí)監(jiān)控。第二個(gè)問(wèn)題是安裝時(shí)，鋰離子電池已經(jīng)有20%壽命老化的程度。

最后，還有電池管理的問(wèn)題?？沙潆婋姵鼐哂胁煌墓ぷ魈匦?，必須非常小心處理，即使它們是同一類型，由于充電/放電周期、溫度變化，以及在使用和儲(chǔ)存過(guò)程中在惡劣環(huán)境中的處理不同，分開(kāi)管理和更換周期是必需的。

管理這么大的電池并不容易，但是給這些電池「第二次生命」并重新使用它們的想法顯然很有吸引力，至少在某些情況下（第三次生命階段是回收）。



 
圖二 : 歐洲可重復(fù)使用鋰離子電池的應(yīng)用。（source：Circular Energy Storage；作者整理）

以固體形式儲(chǔ)存電力：熔鹽電池滿足低成本目標(biāo)
以目前電池所使用的材料和技術(shù)來(lái)看，包括鉛酸電池、鈉硫電池和鎳金屬氫化物電池等，這些技術(shù)都存在一個(gè)共同的問(wèn)題，就是在儲(chǔ)存期間會(huì)發(fā)生自發(fā)性放電。例如，車輛長(zhǎng)時(shí)間停放不使用時(shí)，電池就會(huì)緩慢被放電直至耗盡為止。因此全球的電池業(yè)者投入了相當(dāng)大的資源，期望開(kāi)發(fā)出更緩慢自發(fā)性放電技術(shù)，或甚至完全閉鎖便利儲(chǔ)存的技術(shù)。

美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一種鋁鎳熔鹽電池，利用熔鹽電解質(zhì)的「凍結(jié)和融化現(xiàn)象」來(lái)達(dá)到防止電池的自發(fā)放電。

這款鋁鎳熔鹽電池可以保持90%以上的儲(chǔ)存電量長(zhǎng)達(dá)12周。在電力供需有余量的情況下儲(chǔ)存電力能量，并在電力需求增加時(shí)，可以低成本的將電力提供給電網(wǎng)系統(tǒng)。

熔鹽電池觀念是在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國(guó)為V2火箭所開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)。其原理是，透過(guò)采用在室溫下不導(dǎo)電的固體無(wú)機(jī)鹽作為電解質(zhì)，讓正負(fù)電極在電力儲(chǔ)存期間處于絕緣狀態(tài)，從而防止自發(fā)放電。當(dāng)電解液被加熱形成熔鹽時(shí)，會(huì)產(chǎn)生離子導(dǎo)電性，來(lái)作為啟動(dòng)機(jī)制，提供電池放電的能力。

具體上PNNL是將電解液中的熔鹽加熱到180℃左右，就具有離子導(dǎo)電性和可充放電性。反之，當(dāng)熔鹽冷卻到室溫時(shí)，就會(huì)開(kāi)始凝固并失去導(dǎo)電性，進(jìn)而抑制了自發(fā)放電，并能長(zhǎng)期保持電力儲(chǔ)存的狀態(tài)。非常適合應(yīng)用在發(fā)電間歇波動(dòng)較大的再生能源發(fā)電，解決了季節(jié)性或時(shí)間性穩(wěn)定輸出需求的一個(gè)重要方式。

PNNL研究小組更進(jìn)一步的透過(guò)采用鋁陽(yáng)極和鎳陰極，并在電解質(zhì)中添加了硫磺來(lái)提高能量密度。經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)出的試作品試驗(yàn)，PNNL發(fā)現(xiàn)這款電池，可以在長(zhǎng)達(dá)12周的時(shí)間內(nèi)保持92%的初始儲(chǔ)存功率容量，同時(shí)獲得260Wh/kg的理論能量密度，這比鉛酸電池和液態(tài)電池的能量密度更高。

此外，陽(yáng)極和陰極之間的隔板由簡(jiǎn)單的玻璃纖維制成，而不是昂貴且易碎的陶瓷隔板，來(lái)確保低成本和堅(jiān)固性。PNNL預(yù)計(jì)在使用更便宜的鐵材料后，可將成本降低至6美元左右，這相當(dāng)于目前鋰離子電池材料成本的1/15。

鋅材儲(chǔ)能技術(shù) 加速實(shí)現(xiàn)碳中和
「流動(dòng)型鋅空氣電池」技術(shù)是以鋅作為儲(chǔ)能材料，鋅是一種豐富且廉價(jià)的資源，易于增加儲(chǔ)存單元的尺寸來(lái)增加容量，并且其特點(diǎn)是負(fù)責(zé)充電和放電的部分，與電力儲(chǔ)存部分是相互獨(dú)立的達(dá)到實(shí)現(xiàn)低成本、高容量的儲(chǔ)存電池，同時(shí)使用水基液體作為電解質(zhì)還具有高度安全性的優(yōu)點(diǎn)。

在充電過(guò)程中，氧化鋅（ZnO）在化學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)殇\時(shí)，會(huì)儲(chǔ)存電子。另一方面，在放電時(shí)，由于空氣中的氧氣的作用，當(dāng)鋅返回氧化鋅時(shí)，它會(huì)釋放所儲(chǔ)存的電子，從而使電力得以釋放。

 
圖三 : 透過(guò)鋅來(lái)做為充放電時(shí)電子的儲(chǔ)存與釋放媒介。（source：SHARP；作者整理）

通過(guò)利用氧化鋅和鋅的這種變化循環(huán)，可以做為反復(fù)充放電的蓄電池來(lái)使用。

其技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下：

由于使用低成本的鋅作為儲(chǔ)能材料，可以降低成本
目前，大多的電池都是以鋰做為儲(chǔ)能材料，由于生產(chǎn)和提煉國(guó)家有限，使得鋰材料的價(jià)格一直居高不下，并且存在著供需壓力的風(fēng)險(xiǎn)。但是，鋅材料在許多國(guó)家都可以生產(chǎn)和精煉，因此價(jià)格便宜，且供應(yīng)也相對(duì)的穩(wěn)定。

流動(dòng)型系統(tǒng)有利于高容量的生產(chǎn)
在流動(dòng)型系統(tǒng)中，充放電單元和儲(chǔ)存部分是相互獨(dú)立的，因此很容易通過(guò)增加儲(chǔ)存尺寸來(lái)提高容量。原則上，儲(chǔ)存部分的成本是低于充放電單元，再加上使用廉價(jià)的鋅，這可將達(dá)到低成本、高容量?jī)?chǔ)存電池的目標(biāo)。

水性電解質(zhì)帶來(lái)的高安全性
由于浸鋅的電解液是水性液體，因此燃燒的可能性極低，這與使用有機(jī)溶劑（非水）的蓄電池相比，具有更高的安全水平。

未來(lái)大型電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
如今，全球總發(fā)電量中約30%源自太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能及其他可持續(xù)能源；本世紀(jì)初，這一比例占20%左右。國(guó)際能源署（International Energy Agency）預(yù)測(cè)，到2050年，幾乎90%的電力將由綠色能源提供。

因此對(duì)于再生能源所需的儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，全球相關(guān)業(yè)者不僅積極的開(kāi)發(fā)二次電池的技術(shù)和材料，同時(shí)為了解決目前太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電的難以控制的不連續(xù)性發(fā)電，也有業(yè)者開(kāi)始透過(guò)更先進(jìn)充電觀念，嘗試將儲(chǔ)電電池作為發(fā)電架構(gòu)中的一部分，開(kāi)發(fā)出和太陽(yáng)能和風(fēng)力相同綠色能源發(fā)電的新一代發(fā)電技術(shù)。

透過(guò)壓縮空氣來(lái)儲(chǔ)存電力
壓縮空氣儲(chǔ)能（Compressed Air Energy Storage；CAES）與其他儲(chǔ)能系統(tǒng)一樣，在1978年首次商業(yè)化，經(jīng)過(guò)40多年后，現(xiàn)在正處于革新的邊緣。CAES是一種「可充電」系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣，而在發(fā)電時(shí)，再將壓縮空氣膨脹的力量使渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。

然而，傳統(tǒng)的CAES存在以下問(wèn)題：（1）只能在有巖鹽層的地區(qū)使用；（2）壓縮后的氣體，大多是用來(lái)提高火力發(fā)電中，燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒效率，但燃?xì)廨啓C(jī)再運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，會(huì)排放大量的廢氣；（3）壓縮的過(guò)程中會(huì)損失相當(dāng)多的熱量，導(dǎo)致發(fā)電效率降低到40%左右。因此，一些公司正在研究改進(jìn)這些問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出下一代的CAES，來(lái)增加其應(yīng)用的潛力。

根據(jù)許多數(shù)據(jù)顯示，下一代CAES將改善上述問(wèn)題。方案一：透過(guò)使用水箱、利用水的靜壓儲(chǔ)存設(shè)施，和現(xiàn)有的人工密閉空間來(lái)解決建設(shè)地點(diǎn)的限制；方案二：利用特殊的渦輪機(jī)，來(lái)利用壓縮空氣的膨脹力發(fā)電，而不是火力發(fā)電，解決廢氣排放和其他問(wèn)題。透過(guò)壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，將其儲(chǔ)存在傳熱介質(zhì)中，在發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生膨脹的力量；方案三：目前的發(fā)電效率已經(jīng)可提高到70%左右。

目前的技術(shù)可以利用廢棄的礦坑直接儲(chǔ)存已壓縮的空氣，而不需要鋪設(shè)混凝土。

但必須至少符合兩個(gè)條件：（1）礦坑的內(nèi)壁需要由結(jié)晶度高的火成巖構(gòu)成；（2）內(nèi)壁的上部必須有地下水層覆蓋。

這也被稱為是一個(gè) 「水封式CAES」。雖然火成巖比其他巖石的結(jié)晶性更強(qiáng)，但它不像巖鹽構(gòu)造那樣密不透風(fēng)。因此，可以利用地下水的壓力封閉儲(chǔ)存空間，達(dá)到防止泄漏的作用。日本的電力中央工業(yè)研究所已經(jīng)透過(guò)這樣的方式，在岐阜縣的神岡礦區(qū)進(jìn)行測(cè)試，目前已經(jīng)證實(shí)了可以儲(chǔ)存1.87MPa的壓縮空氣。


 
圖四 : 中央電力工業(yè)研究所證明可以透過(guò)礦坑來(lái)壓縮空氣發(fā)電。（source：日本中央電力工業(yè)研究所、NIKKEI；作者整理）

抽水蓄能電力轉(zhuǎn)換發(fā)電
抽水蓄能是最古老的可再生能源發(fā)電和儲(chǔ)能技術(shù)，目前仍在世界各地廣泛部署。

通常情況下，電力需求在白天增加，晚上和節(jié)假日白天減少，而大多的水庫(kù)發(fā)電機(jī)都是在白天時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，這導(dǎo)致一些發(fā)電廠的電力過(guò)剩。

抽水蓄能就是利用這些多余的電力，在晚上將水從下部水庫(kù)抽到上部水庫(kù)，而在白天電力需求高的時(shí)候，將水量釋放到下部水庫(kù)，帶動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。夜間使用的剩余電力有一些模式，例如由附近的電力公司供電，或利用水庫(kù)內(nèi)建的蓄電池的電力，來(lái)啟動(dòng)馬達(dá)抽水。

此外，雖然全球的水庫(kù)都備有水力發(fā)電系統(tǒng)，但幾乎大部分電廠都還沒(méi)有引進(jìn)抽水蓄能設(shè)施。根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）年報(bào)告，到2025年，歐洲大部分新的水庫(kù)發(fā)電站將設(shè)置抽水蓄能系統(tǒng)。

熱能儲(chǔ)存發(fā)電也備受關(guān)注
大多人都同意，熱能儲(chǔ)存是「最清潔、最高效的儲(chǔ)存技術(shù)」，因此近年來(lái)也備受關(guān)注。熱能儲(chǔ)存是一種將可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的剩余電力和熱能儲(chǔ)存起來(lái)，在特定時(shí)段再利用廢熱方式來(lái)發(fā)電的技術(shù)。例如，將白天收集的太陽(yáng)能熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在晚上應(yīng)用在空調(diào)等耗電設(shè)備上等。

目前可以儲(chǔ)存熱能的材料包括水、冰、沙子和巖石，而典型的蓄熱介質(zhì)是安裝在建筑物或公寓屋頂上的水箱。根據(jù)國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)（IRENA）2020年發(fā)布的一份報(bào)告，2019年全球熱能儲(chǔ)存容量在200GWh左右，但預(yù)計(jì)2030年將超過(guò)800GWh。事實(shí)上，2021年全球熱能儲(chǔ)存市場(chǎng)已經(jīng)達(dá)到37億美元，并且正在穩(wěn)步增長(zhǎng)。