電網(wǎng)規模的電池儲能系統正在悄悄地徹底改變能源體系

發(fā)電的棘手之處在于，在大多數情況下，您幾乎必須使用它或失去它。

這一基本事實(shí)支配并限制了世界上最大的機器的發(fā)展：價(jià)值 2 萬(wàn)億美元的美國電網(wǎng)。大型發(fā)電機沿著(zhù)整個(gè)大陸的導體、變壓器、電纜和電線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將電子發(fā)送到數百萬(wàn)家庭和企業(yè)，巧妙地平衡供需，使每個(gè)電燈開(kāi)關(guān)、計算機、電視、爐灶和充電電纜都能在 99.95% 的時(shí)間內打開(kāi)。

確保始終有足夠的發(fā)電機將電力輸送到該國的每個(gè)電源插座，這需要精確的協(xié)調。雖然實(shí)際使用的電量在一天和一年中可能會(huì )大幅波動(dòng)，但電網(wǎng)的建設是為了滿(mǎn)足短暫的高峰需求，例如炎熱的夏日，空調的使用量可能會(huì )使平均用電量翻倍。想象一下，建造一條 30 車(chē)道的高速公路，以確保沒(méi)有司機需要踩剎車(chē)。這實(shí)際上是那些設計和運行電網(wǎng)的人不得不做的事情。

但是，如果您可以暫時(shí)保留電力并保存以備后用呢？您不必過(guò)度建設電網(wǎng)或花費大量精力來(lái)保持發(fā)電與用戶(hù)的平衡。您可以消除不排放二氧化碳的間歇性電源（如風(fēng)能和太陽(yáng)能）的缺點(diǎn)。在輸電線(xiàn)路損壞的緊急情況下，您可以輕松獲得本地備用電源。您甚至可能根本不需要一個(gè)巨大的集中式電網(wǎng)。

這就是電網(wǎng)規模儲能的承諾。雖然美國實(shí)際上幾十年來(lái)一直在使用一種稱(chēng)為抽水蓄能的簡(jiǎn)陋形式的儲能，但該國現在正在經(jīng)歷儲能容量的巨大激增，這一次來(lái)自我們大多數人都隨身攜帶的一項技術(shù)：鋰離子電池。2021 年至 2024 年期間，電網(wǎng)電池容量增加了五倍。到 2024 年，美國安裝了 12.3 吉瓦的儲能。今年，新的電網(wǎng)電池安裝量有望比去年增加近一倍。電池存儲容量現在超過(guò)抽水蓄能容量，總計超過(guò) 26 吉瓦。

仍有很大的擴展空間，而且迫切需要這樣做。電力部門(mén)仍然是美國第二大溫室氣體排放源，如果沒(méi)有廉價(jià)和充足的儲存，就無(wú)法添加足夠的間歇性清潔能源來(lái)充分實(shí)現電網(wǎng)脫碳。

Power transmission towers outside the Crimson Battery Energy Storage Project in Blythe, California.

 照片：Bing Guan/Bloomberg via Getty Image

老化的美國電網(wǎng)也急需升級，電池可以緩沖增加數吉瓦風(fēng)能和太陽(yáng)能的沖擊，同時(shí)為進(jìn)行更廣泛的翻新贏(yíng)得一些時(shí)間。一些電力市場(chǎng)終于開(kāi)始了解電池可以提供的所有服務(wù)（頻率調節、調峰、需求響應），從而創(chuàng )造了新的業(yè)務(wù)線(xiàn)。電池也是構建小型、本地化電網(wǎng)的關(guān)鍵工具。這些微電網(wǎng)可以為偏遠社區提供可靠的電力，并有朝一日將整個(gè)電網(wǎng)轉變?yōu)楦臃稚⒌南到y，以更好地抵御極端天氣等中斷。

如果我們能做對，真正的電網(wǎng)規模電池存儲將不僅僅是清潔能源的推動(dòng)者，而是為新時(shí)代升級電力系統的一種方式。

大電池是如何變得如此之大的

早在 2011 年，我的第一批報道任務(wù)之一就是前往西弗吉尼亞州的一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，參加當時(shí)世界上最大的電池儲能系統的落成典禮。它由 AES Energy Storage 建造，涉及存儲容器中的數千個(gè)鋰離子電池，這些電池共同提供 32 兆瓦的電力，并持續約 15 分鐘。

“總共有 8 兆瓦時(shí)，”時(shí)任 AES Energy Storage 副總裁的 John Zahurancik 說(shuō)，他當時(shí)帶我參觀(guān)了這個(gè)設施。這大約是 260 戶(hù)家庭一天的用電量。

從那以后的幾年里，電池存儲量增加了幾個(gè)數量級，正如 Zahurancik 的新工作所證明的那樣。他現在是 Fluence 的總裁，這是 AES 和 Siemens 的合資企業(yè)，迄今為止已在全球部署了 38 吉瓦時(shí)的存儲?！拔覀兘裉煺诮ㄔ斓臇|西，我們的許多項目的規模都超過(guò)一吉瓦時(shí)，”Zahurancik 說(shuō)。

去年，美國最大的存儲設施上線(xiàn)是加利福尼亞州的Edwards & Sanborn項目，該項目可以容納3.3千兆瓦時(shí)。這大約相當于 110,000 戶(hù)家庭一天所需的電力。

然而，到這一點(diǎn)并不是一個(gè)穩定的攀升。十多年來(lái)，美國的整體電網(wǎng)電池容量幾乎沒(méi)有變化。然后，在 2020 年左右，它開(kāi)始飆升。發(fā)生了什么變化？

一個(gè)轉變是最常見(jiàn)的電池存儲技術(shù)鋰離子電池的價(jià)格大幅下降和能量密度增加?！拔覀冏龅牡谝粋€(gè)項目是在 2008 年，電池價(jià)格為每千瓦時(shí) 3,000 美元，”Zahurancik 說(shuō)?！艾F在，我們正在尋找每千瓦時(shí) 150 美元到 200 美元的系統，用于整個(gè)系統安裝?！?/p>

部分原因是電網(wǎng)上的電池與移動(dòng)設備和電動(dòng)汽車(chē)中的電池沒(méi)有太大區別，因此電網(wǎng)電池受益于這些產(chǎn)品的制造改進(jìn)。

“這都是一條大管道，”佐治亞理工學(xué)院（Georgia Tech）研究清潔能源技術(shù)的教授米卡·齊格勒（Micah Ziegler）說(shuō)?！笆謾C、汽車(chē)和電網(wǎng)中的電池都有共同的特征?！笨吹竭@種不斷增長(cháng)的需求，中國大力發(fā)展電池制造，就像在太陽(yáng)能電池板方面所做的那樣，創(chuàng )造了規模經(jīng)濟來(lái)壓低全球價(jià)格。中國現在生產(chǎn)了世界上 80% 的鋰離子電池。

風(fēng)能和太陽(yáng)能的蓬勃發(fā)展創(chuàng )造了對電池的更多需求，并增加了改進(jìn)電池的壓力。風(fēng)能和太陽(yáng)能通常是最便宜的新電力來(lái)源，而電池有助于補償它們的可變性，從而為擴大存儲規模提供了更多理由。Ziegler 說(shuō)：“這種關(guān)系的好處顯而易見(jiàn)，因為越來(lái)越多的發(fā)電廠(chǎng)正在提議中，并且已經(jīng)部署了這些資源。太陽(yáng)能加儲能的組合占 2024 年美國新增電力的 84%。

The Los Angeles Department of Water and Power’s biggest solar and battery storage plant, the Eland Solar and Storage Center in the Mojave Desert.

 照片：Brian van der Brug/Los Angeles Times via Getty Images

Battery solar energy storage units, right, at the Eland Solar and Storage Center in 2024.

 Phtogoraph：Brian van der Brug/洛杉磯時(shí)報，來(lái)自 Getty Images

而且，由于電網(wǎng)電池不必足夠小才能移動(dòng)（與筆記本電腦或手機中的電池不同），因此它們可以利用更便宜、密度更低的電池，否則這些電池可能不適合裝在口袋里的東西。甚至有傳言說(shuō)要讓舊的電動(dòng)汽車(chē)電池在電網(wǎng)上重獲新生。

監管也有幫助。部署電網(wǎng)儲能系統的一個(gè)主要障礙是它們不能自己發(fā)電，因此過(guò)去關(guān)于它們應該如何連接到電網(wǎng)以及電池開(kāi)發(fā)人員應該從他們的服務(wù)中獲得多少報酬的規則是混亂和限制性的。聯(lián)邦能源管理委員會(huì )的 841 號令消除了儲能系統進(jìn)入批發(fā)市場(chǎng)并與其他形式的電力競爭的一些障礙。盡管該法規于 2018 年頒布，但它在 2020 年清除了一項重大法律挑戰，為更多電池并網(wǎng)鋪平了道路。

迄今為止，包括加利福尼亞州、伊利諾伊州和馬里蘭州在內的 11 個(gè)州也為儲能設定了具體的采購目標，這要求公用事業(yè)公司安裝一定量的儲能容量，從而推動(dòng)更多的電網(wǎng)電池。這些因素共同為電力公司創(chuàng )造了全新的業(yè)務(wù)，催生了新的電網(wǎng)電池公司，并為儲能的豐收提供了肥沃的土壤。

儲能能為您做什么？

儲能是可再生能源巧克力的花生醬，使清潔能源的所有最佳特性變得更好，并平衡了它的一些缺點(diǎn)。但它也是電網(wǎng)穩定性、可靠性和彈性的重要因素，有助于確保在停電和極端天氣期間穩定的兆瓦級流量。

最常見(jiàn)的用途是頻率響應。在美國，通過(guò)電源線(xiàn)的交流電以 60 赫茲的頻率循環(huán)。如果電網(wǎng)在耗電用戶(hù)開(kāi)啟時(shí)降至此頻率以下，則可能會(huì )使斷路器跳閘并導致電源不穩定。由于電池的啟動(dòng)時(shí)間幾乎為零，因此與熱發(fā)電機不同，它們可以根據需要快速吸收或傳輸電力，以保持電網(wǎng)正常運轉。

當發(fā)電機離線(xiàn)或大型電力用戶(hù)意外啟動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)電池也可以作為備用電源介入。他們可以在一天中撫平電力負荷的山丘和山谷。他們還允許電力供應商在生產(chǎn)成本低廉時(shí)節省電力，并在需求高且電力昂貴時(shí)將其賣(mài)回電網(wǎng)。建造電池設施通常比同等發(fā)電廠(chǎng)更快，而且由于沒(méi)有煙囪，因此更容易獲得許可和批準。

電池已被證明可用于過(guò)載的電力網(wǎng)絡(luò )。去年，隨著(zhù)德克薩斯州的氣溫達到三位數，電池為孤星州的電網(wǎng)提供了創(chuàng )紀錄的電力。德克薩斯州電網(wǎng)運營(yíng)商 ERCOT 不必像 2023 年那樣要求德克薩斯州人減少用電。2020 年至 2024 年間，德克薩斯州的公用事業(yè)規模電池增加了 4,100%，達到 5.7 吉瓦。

Jupiter Power battery storage complex in Houston in 2024.

 照片：Jason Fochtman/Houston Chronicle via Getty Images

電網(wǎng)電池對其他發(fā)電機也有光環(huán)效應。大多數火力發(fā)電廠(chǎng)（燃煤、天然氣、核能）都喜歡以穩定的速度運行。根據需求進(jìn)行增速和降速需要時(shí)間和金錢(qián)，但隨著(zhù)電池吸收一些可變性，火力發(fā)電廠(chǎng)可以更接近其最高效的速度，減少溫室氣體排放并控制成本。

“這有點(diǎn)像你的汽車(chē)混合動(dòng)力，”Zahurancik 說(shuō)?！叭绻憧紤]一下普銳斯，你有一個(gè)電動(dòng)機，你有一個(gè)汽油發(fā)動(dòng)機，你可以使汽油消耗更好，因為電池吸收了所有變化?！?/p>

Eolian的首席運營(yíng)官斯蒂芬妮·史密斯（Stephanie Smith）說(shuō)，電網(wǎng)電池的另一個(gè)特點(diǎn)是，它們可以減少對昂貴的電網(wǎng)升級的需求，該公司為電網(wǎng)儲能系統提供資金和開(kāi)發(fā)。如果您有電池（在發(fā)電機側或需求側）可以在需要時(shí)釋放更多電子，則不必建造電力線(xiàn)來(lái)滿(mǎn)足絕對最大的電力需求。

“我們對獨立電池所做的，你得到的電池越多，你就會(huì )開(kāi)始緩解需求，或者至少減少諸如新變速器建設之類(lèi)的事情，”史密斯說(shuō)。這些電池還使電網(wǎng)能夠更快地適應不斷變化的能源需求，例如當工廠(chǎng)關(guān)閉或新數據中心通電時(shí)。

總的來(lái)說(shuō)，這會(huì )帶來(lái)更穩定、更高效、更便宜和更清潔的電網(wǎng)。

充電

盡管鋰離子電池很好，但也有其局限性。大多數電網(wǎng)電池旨在在 2 到 8 小時(shí)內儲存和調度電力，但由于電力需求全年都在變化，電網(wǎng)還需要將電力儲存數天、數周甚至數月。

電網(wǎng)規模存儲也存在一些迫在眉睫的根本性挑戰。與大多數電網(wǎng)級技術(shù)一樣，儲能需要大量的前期投資，需要幾十年才能收回，但目前存在很多不確定性，即特朗普政府的關(guān)稅將如何影響電池進(jìn)口，是否會(huì )出現經(jīng)濟衰退，以及這種中斷是否會(huì )減緩未來(lái)幾年的電力需求增長(cháng)。對電池的非凡需求加劇了對所需原材料的競爭，這可能會(huì )提高其價(jià)格。

盡管中國目前在全球電池供應鏈中占據主導地位，但美國正在努力進(jìn)入。在上屆政府的領(lǐng)導下，美國能源部在儲能工廠(chǎng)、供應鏈和研究方面投資了數十億美元。美國現在有數十家電池工廠(chǎng)，但大多數都針對電動(dòng)汽車(chē)。今年有 10 家美國工廠(chǎng)計劃投產(chǎn)，這將使電動(dòng)汽車(chē)電池的總產(chǎn)能提高到每年 421.5 吉瓦時(shí)。預計到 2025 年，全球電池總產(chǎn)量將達到 7,900 吉瓦時(shí)左右。

Lithium battery modules inside the battery building at the Vistra Corp. Moss Landing Energy Storage Facility in Moss Landing, California, in 2021.

 照片：David Paul Morris/彭博社通過(guò) Getty Images

還有一長(cháng)串且不斷增長(cháng)的項目等待并入電網(wǎng)。所有能源系統（尤其是太陽(yáng)能、風(fēng)能和電池）的互連隊列通常持續三年或更長(cháng)時(shí)間，因為項目開(kāi)發(fā)人員需要進(jìn)行可靠性研究并應對越來(lái)越多的監管文書(shū)工作延誤。

特朗普政府還在努力取消圍繞清潔能源的激勵措施，特別是 2022 年《通脹削減法案》。該法律為清潔能源建立了強有力的激勵措施，包括對獨立電網(wǎng)能源項目的稅收抵免。史密斯說(shuō)：“我確實(shí)擔心《通脹削減法案》，因為它會(huì )改變曲線(xiàn)，老實(shí)說(shuō)，我們現在無(wú)法承受任何形式的清潔能源改變曲線(xiàn)的代價(jià)。另一方面，特朗普的關(guān)稅最終可能會(huì )刺激美國國內更多的電池制造。

盡管如此，公用事業(yè)規模的儲能只是美國龐大電網(wǎng)的一小部分，還有巨大的擴展空間?！氨M管我們一直在加速和快速發(fā)展，但總的來(lái)說(shuō)，我們并沒(méi)有那么多，”Zahurancik 說(shuō)?！澳憧梢院苋菀椎乜吹絻δ苷佳b機容量的 20% 或 30%?！?/p>