實(shí)現潔凈發(fā)電：新一代電池與儲能技術(shù)

對于再生能源電力系統來(lái)說(shuō)，由于天氣、陽(yáng)光和季節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，因此很難將它們穩定地連接到商業(yè)電網(wǎng)。在此困境下，當然最佳的解決方案就是開(kāi)發(fā)大規模的儲能電池技術(shù)，當發(fā)電之后，就可以將電力儲存起來(lái)。

此時(shí)，儲能系統（Energy Storage System；ESS）就扮演著(zhù)穩定供電的核心角色，但在今天，在尋找技術(shù)和成本效益上的方法來(lái)儲存電力是一項重大挑戰。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，這包括了電力儲存容量、充電/放電/使用周期、設置地點(diǎn)和成本結構等等。



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

歐洲廢舊電池組回收再利用逐年成長(cháng)
在面對成本壓力，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(lèi)型車(chē)輛，或各儲電站中有條件式的回收。根據廣泛使用的標準，當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，但在大規模配置中，必須對充/放電/溫度和故障安全等各種參數，進(jìn)行復雜的多級監控。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(lèi)型，由于充電/放電周期、溫度變化，以及在使用和儲存過(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 : 歐洲可重復使用鋰離子電池的應用。（source：Circular Energy Storage；作者整理）

以固體形式儲存電力：熔鹽電池滿(mǎn)足低成本目標
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，就是在儲存期間會(huì )發(fā)生自發(fā)性放電。例如，車(chē)輛長(cháng)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存的技術(shù)。

美國太平洋西北國家實(shí)驗室（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「凍結和融化現象」來(lái)達到防止電池的自發(fā)放電。

這款鋁鎳熔鹽電池可以保持90%以上的儲存電量長(cháng)達12周。在電力供需有余量的情況下儲存電力能量，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。

熔鹽電池觀(guān)念是在第二次世界大戰期間，德國為V2火箭所開(kāi)發(fā)的一項技術(shù)。其原理是，透過(guò)采用在室溫下不導電的固體無(wú)機鹽作為電解質(zhì)，讓正負電極在電力儲存期間處于絕緣狀態(tài)，從而防止自發(fā)放電。當電解液被加熱形成熔鹽時(shí)，會(huì )產(chǎn)生離子導電性，來(lái)作為啟動(dòng)機制，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，就具有離子導電性和可充放電性。反之，當熔鹽冷卻到室溫時(shí)，就會(huì )開(kāi)始凝固并失去導電性，進(jìn)而抑制了自發(fā)放電，并能長(cháng)期保持電力儲存的狀態(tài)。非常適合應用在發(fā)電間歇波動(dòng)較大的再生能源發(fā)電，解決了季節性或時(shí)間性穩定輸出需求的一個(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，PNNL發(fā)現這款電池，可以在長(cháng)達12周的時(shí)間內保持92%的初始儲存功率容量，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)確保低成本和堅固性。PNNL預計在使用更便宜的鐵材料后，可將成本降低至6美元左右，這相當于目前鋰離子電池材料成本的1/15。

鋅材儲能技術(shù) 加速實(shí)現碳中和
「流動(dòng)型鋅空氣電池」技術(shù)是以鋅作為儲能材料，鋅是一種豐富且廉價(jià)的資源，易于增加儲存單元的尺寸來(lái)增加容量，并且其特點(diǎn)是負責充電和放電的部分，與電力儲存部分是相互獨立的達到實(shí)現低成本、高容量的儲存電池，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)轉變?yōu)殇\時(shí)，會(huì )儲存電子。另一方面，在放電時(shí)，由于空氣中的氧氣的作用，當鋅返回氧化鋅時(shí)，它會(huì )釋放所儲存的電子，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)，可以做為反復充放電的蓄電池來(lái)使用。

其技術(shù)的優(yōu)勢如下：

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

流動(dòng)型系統有利于高容量的生產(chǎn)
在流動(dòng)型系統中，充放電單元和儲存部分是相互獨立的，因此很容易通過(guò)增加儲存尺寸來(lái)提高容量。原則上，儲存部分的成本是低于充放電單元，再加上使用廉價(jià)的鋅，這可將達到低成本、高容量?jì)Υ骐姵氐哪繕恕?br/>
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)大型電力儲能系統的關(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、水能及其他可持續能源；本世紀初，這一比例占20%左右。國際能源署（International Energy Agency）預測，到2050年，幾乎90%的電力將由綠色能源提供。

因此對于再生能源所需的儲能系統來(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性發(fā)電，也有業(yè)者開(kāi)始透過(guò)更先進(jìn)充電觀(guān)念，嘗試將儲電電池作為發(fā)電架構中的一部分，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)儲存電力
壓縮空氣儲能（Compressed Air Energy Storage；CAES）與其他儲能系統一樣，在1978年首次商業(yè)化，經(jīng)過(guò)40多年后，現在正處于革新的邊緣。CAES是一種「可充電」系統，當系統驅動(dòng)壓縮機將電能轉化為壓縮空氣，而在發(fā)電時(shí)，再將壓縮空氣膨脹的力量使渦輪機旋轉發(fā)電。

然而，傳統的CAES存在以下問(wèn)題：（1）只能在有巖鹽層的地區使用；（2）壓縮后的氣體，大多是用來(lái)提高火力發(fā)電中，燃氣輪機的燃燒效率，但燃氣輪機再運轉的過(guò)程中，會(huì )排放大量的廢氣；（3）壓縮的過(guò)程中會(huì )損失相當多的熱量，導致發(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)增加其應用的潛力。

根據許多數據顯示，下一代CAES將改善上述問(wèn)題。方案一：透過(guò)使用水箱、利用水的靜壓儲存設施，和現有的人工密閉空間來(lái)解決建設地點(diǎn)的限制；方案二：利用特殊的渦輪機，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存已壓縮的空氣，而不需要鋪設混凝土。

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

這也被稱(chēng)為是一個(gè) 「水封式CAES」。雖然火成巖比其他巖石的結晶性更強，但它不像巖鹽構造那樣密不透風(fēng)。因此，可以利用地下水的壓力封閉儲存空間，達到防止泄漏的作用。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進(jìn)行測試，目前已經(jīng)證實(shí)了可以?xún)Υ?.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）

抽水蓄能電力轉換發(fā)電
抽水蓄能是最古老的可再生能源發(fā)電和儲能技術(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，晚上和節假日白天減少，而大多的水庫發(fā)電機都是在白天時(shí)運轉，這導致一些發(fā)電廠(chǎng)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抽到上部水庫，而在白天電力需求高的時(shí)候，將水量釋放到下部水庫，帶動(dòng)渦輪機發(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，或利用水庫內建的蓄電池的電力，來(lái)啟動(dòng)馬達抽水。

此外，雖然全球的水庫都備有水力發(fā)電系統，但幾乎大部分電廠(chǎng)都還沒(méi)有引進(jìn)抽水蓄能設施。根據國際能源署（IEA）年報告，到2025年，歐洲大部分新的水庫發(fā)電站將設置抽水蓄能系統。

熱能儲存發(fā)電也備受關(guān)注
大多人都同意，熱能儲存是「最清潔、最高效的儲存技術(shù)」，因此近年來(lái)也備受關(guān)注。熱能儲存是一種將可再生能源發(fā)電系統的剩余電力和熱能儲存起來(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?jì)Υ嫫饋?lái)，在晚上應用在空調等耗電設備上等。

目前可以?xún)Υ鏌崮艿牟牧习ㄋ?、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。根據國際可再生能源機構（IRENA）2020年發(fā)布的一份報告，2019年全球熱能儲存容量在200GWh左右，但預計2030年將超過(guò)800GWh。事實(shí)上，2021年全球熱能儲存市場(chǎng)已經(jīng)達到37億美元，并且正在穩步增長(cháng)。