对於再生能源电力系统来说,由於天气、阳光和季节性变化引起的巨大输出波动问题,使得发电状态几??都是间歇性,因此很难将它们稳定地连接到商业电网。在此困境下,当然最隹的解决方案就是开发大规模的储能电池技术,当发电之後,就可以将电力储存起来。
此时,储能系统(Energy Storage System;ESS)就扮演着稳定供电的核心角色,但在今天,在寻找技术和成本效益上的方法来储存电力是一项重大挑战。虽然目前有许多技术方案,但却没有单一的「最隹」的解决方案。这取决於许多因素,这包括了电力储存容量、充电/放电/使用周期、设置地点和成本结构等等。
![图一 : 储能系统(ESS)已经不仅仅是储能单元。而是根据安装的规格和目的,让这些设备以及DC-AC逆变器的管理能够达到最大效益化。(source:Saft/TotalEnergies;作者整理)](/art/2022/09/241938490740/p1S.JPG)
图一 : 储能系统(ESS)已经不仅仅是储能单元。而是根据安装的规格和目的,让这些设备以及DC-AC逆变器的管理能够达到最大效益化。(source:Saft/TotalEnergies;作者整理) |
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欧洲废旧电池组回收再利用逐年成长
在面对成本压力,已经有一些业者和工程师提出,回收再使用废旧电池组。这些废旧电池通常是从各种类型车辆,或各储电站中有条件式的回收。根据广泛使用的标准,当电池的容量下降到其初始容量的80%时,就可以被宣布已经达到「第一阶段汰除」需更换新电池的程度。
然而,回收再使用废旧电池有几个不可忽视的问题。首先,锂离子电池的特点是体积能量密度高,但在大规模配置中,必须对充/放电/温度和故障安全等各种叁数,进行复杂的多级监控。第二个问题是安装时,锂离子电池已经有20%寿命老化的程度。
最後,还有电池管理的问题。可充电电池具有不同的工作特性,必须非常小心处理,即使它们是同一类型,由於充电/放电周期、温度变化,以及在使用和储存过程中在恶劣环境中的处理不同,分开管理和更换周期是必需的。
管理这麽大的电池并不容易,但是给这些电池「第二次生命」并重新使用它们的想法显然很有吸引力,至少在某些情况下(第三次生命阶段是回收)。
![图二 : 欧洲可重复使用锂离子电池的应用。(source:Circular Energy Storage;作者整理)](/art/2022/09/241938490740/p2.jpg)
图二 : 欧洲可重复使用锂离子电池的应用。(source:Circular Energy Storage;作者整理) |
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以固体形式储存电力:熔盐电池满足低成本目标
以目前电池所使用的材料和技术来看,包括铅酸电池、钠硫电池和镍金属氢化物电池等,这些技术都存在一个共同的问题,就是在储存期间会发生自发性放电。例如,车辆长时间停放不使用时,电池就会缓慢被放电直至耗尽为止。因此全球的电池业者投入了相当大的资源,期??开发出更缓慢自发性放电技术,或甚至完全闭锁便利储存的技术。
美国太平洋西北国家实验室(PNNL)的一个研究小组开发了一种铝镍熔盐电池,利用熔盐电解质的「冻结和融化现象」来达到防止电池的自发放电。
这款铝镍熔盐电池可以保持90%以上的储存电量长达12周。在电力供需有馀量的情况下储存电力能量,并在电力需求增加时,可以低成本的将电力提供给电网系统。
熔盐电池观念是在第二次世界大战期间,德国为V2火箭所开发的一项技术。其原理是,透过采用在室温下不导电的固体无机盐作为电解质,让正负电极在电力储存期间处於绝缘状态,从而防止自发放电。当电解液被加热形成熔盐时,会产生离子导电性,来作为启动机制,提供电池放电的能力。
具体上PNNL是将电解液中的熔盐加热到180℃左右,就具有离子导电性和可充放电性。反之,当熔盐冷却到室温时,就会开始凝固并失去导电性,进而抑制了自发放电,并能长期保持电力储存的状态。非常适合应用在发电间歇波动较大的再生能源发电,解决了季节性或时间性稳定输出需求的一个重要方式。
PNNL研究小组更进一步的透过采用铝阳极和镍阴极,并在电解质中添加了硫磺来提高能量密度。经过开发出的试作品试验,PNNL发现这款电池,可以在长达12周的时间内保持92%的初始储存功率容量,同时获得260Wh/kg的理论能量密度,这比铅酸电池和液态电池的能量密度更高。
此外,阳极和阴极之间的隔板由简单的玻璃纤维制成,而不是昂贵且易碎的陶瓷隔板,来确保低成本和坚固性。PNNL预计在使用更便宜的铁材料後,可将成本降低至6美元左右,这相当於目前锂离子电池材料成本的1/15。
锌材储能技术 加速实现碳中和
「流动型锌空气电池」技术是以锌作为储能材料,锌是一种丰富且廉价的资源,易於增加储存单元的尺寸来增加容量,并且其特点是负责充电和放电的部分,与电力储存部分是相互独立的达到实现低成本、高容量的储存电池,同时使用水基液体作为电解质还具有高度安全性的优点。
在充电过程中,氧化锌(ZnO)在化学转变为锌时,会储存电子。另一方面,在放电时,由於空气中的氧气的作用,当锌返回氧化锌时,它会释放所储存的电子,从而使电力得以释放。
![图三 : 透过锌来做为充放电时电子的储存与释放媒介。(source:SHARP;作者整理)](/art/2022/09/241938490740/p3S.JPG)
图三 : 透过锌来做为充放电时电子的储存与释放媒介。(source:SHARP;作者整理) |
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通过利用氧化锌和锌的这种变化循环,可以做为反复充放电的蓄电池来使用。
其技术的优势如下:
由於使用低成本的锌作为储能材料,可以降低成本
目前,大多的电池都是以锂做为储能材料,由於生产和提炼国家有限,使得锂材料的价格一直居高不下,并且存在着供需压力的风险。但是,锌材料在许多国家都可以生产和精炼,因此价格便宜,且供应也相对的稳定。
流动型系统有利於高容量的生产
在流动型系统中,充放电单元和储存部分是相互独立的,因此很容易通过增加储存尺寸来提高容量。原则上,储存部分的成本是低於充放电单元,再加上使用廉价的锌,这可将达到低成本、高容量储存电池的目标。
水性电解质带来的高安全性
由於浸锌的电解液是水性液体,因此燃烧的可能性极低,这与使用有机溶剂(非水)的蓄电池相比,具有更高的安全水准。
未来大型电力储能系统的关键技术
如今,全球总发电量中约30%源自太阳能、风能、水能及其他可持续能源;本世纪初,这一比例占20%左右。国际能源署(International Energy Agency)预测,到2050年,几??90%的电力将由绿色能源提供。
因此对於再生能源所需的储能系统来说,全球相关业者不仅积极的开发二次电池的技术和材料,同时为了解决目前太阳能和风力发电的难以控制的不连续性发电,也有业者开始透过更先进充电观念,尝试将储电电池作为发电架构中的一部分,开发出和太阳能和风力相同绿色能源发电的新一代发电技术。
透过压缩空气来储存电力
压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage;CAES)与其他储能系统一样,在1978年首次商业化,经过40多年後,现在正处於革新的边缘。CAES是一种「可充电」系统,当系统驱动压缩机将电能转化为压缩空气,而在发电时,再将压缩空气膨胀的力量使涡轮机旋转发电。
然而,传统的CAES存在以下问题:(1)只能在有岩盐层的地区使用;(2)压缩後的气体,大多是用来提高火力发电中,燃气轮机的燃烧效率,但燃气轮机再运转的过程中,会排放大量的废气;(3)压缩的过程中会损失相当多的热量,导致发电效率降低到40%左右。因此,一些公司正在研究改进这些问题,开发出下一代的CAES,来增加其应用的潜力。
根据许多资料显示,下一代CAES将改善上述问题。方案一:透过使用水箱、利用水的静压储存设施,和现有的人工密闭空间来解决建设地点的限制;方案二:利用特殊的涡轮机,来利用压缩空气的膨胀力发电,而不是火力发电,解决废气排放和其他问题。透过压缩过程中产生的热量,将其储存在传热介质中,在发电过程中产生膨胀的力量;方案三:目前的发电效率已经可提高到70%左右。
目前的技术可以利用废弃的矿坑直接储存已压缩的空气,而不需要铺设混凝土。
但必须至少符合两个条件:(1)矿坑的内壁需要由结晶度高的火成岩构成;(2)内壁的上部必须有地下水层覆盖。
这也被称为是一个 「水封式CAES」。虽然火成岩比其他岩石的结晶性更强,但它不像岩盐构造那样密不透风。因此,可以利用地下水的压力封闭储存空间,达到防止泄漏的作用。日本的电力中央工业研究所已经透过这样的方式,在岐阜县的神冈矿区进行测试,目前已经证实了可以储存1.87MPa的压缩空气。
![图四 : 中央电力工业研究所证明可以透过矿坑来压缩空气发电。(source:日本中央电力工业研究所、NIKKEI;作者整理)](/art/2022/09/241938490740/p4S.JPG)
图四 : 中央电力工业研究所证明可以透过矿坑来压缩空气发电。(source:日本中央电力工业研究所、NIKKEI;作者整理) |
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抽水蓄能电力转换发电
抽水蓄能是最古老的可再生能源发电和储能技术,目前仍在世界各地广泛部署。
通常情况下,电力需求在白天增加,晚上和节假日白天减少,而大多的水库发电机都是在白天时运转,这导致一些发电厂的电力过剩。
抽水蓄能就是利用这些多馀的电力,在晚上将水从下部水库抽到上部水库,而在白天电力需求高的时候,将水量释放到下部水库,带动涡轮机发电。夜间使用的剩馀电力有一些模式,例如由附近的电力公司供电,或利用水库内建的蓄电池的电力,来启动马达抽水。
此外,虽然全球的水库都备有水力发电系统,但几??大部分电厂都还没有引进抽水蓄能设施。根据国际能源署(IEA)年报告,到2025年,欧洲大部分新的水库发电站将设置抽水蓄能系统。
热能储存发电也备受关注
大多人都同意,热能储存是「最清洁、最高效的储存技术」,因此近年来也备受关注。热能储存是一种将可再生能源发电系统的剩馀电力和热能储存起来,在特定时段再利用废热方式来发电的技术。例如,将白天收集的太阳能热量储存起来,在晚上应用在空调等耗电设备上等。
目前可以储存热能的材料包括水、冰、沙子和岩石,而典型的蓄热介质是安装在建筑物或公寓屋顶上的水箱。根据国际可再生能源机构(IRENA)2020年发布的一份报告,2019年全球热能储存容量在200GWh左右,但预计2030年将超过800GWh。事实上,2021年全球热能储存市场已经达到37亿美元,并且正在稳步增长。