中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：美國(guó)能源部（DOE）預(yù)測(cè)，到2050年，美國(guó)需要新增700至900吉瓦（GW）的發(fā)電能力，才能實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)。除了天然氣和核能，可再生能源將占據(jù)重要地位。然而，如果沒有儲(chǔ)能技術(shù)，風(fēng)能和太陽能等可再生能源的大量電力將被白白浪費(fèi)。
根據(jù)美國(guó)能源信息署（EIA）的數(shù)據(jù)，2024年8月，美國(guó)本土48個(gè)州每天上午10點(diǎn)至下午6點(diǎn)之間的公用事業(yè)規(guī)模太陽能發(fā)電量平均達(dá)到6310萬千瓦時(shí)（GWh），比2023年同期增長(zhǎng)了36%。加利福尼亞州、德克薩斯州和佛羅里達(dá)州等州是新增裝機(jī)容量的主要地區(qū)。然而，這些州的太陽能發(fā)電量常常超過電網(wǎng)的承受能力，導(dǎo)致部分太陽能運(yùn)營(yíng)商不得不削減發(fā)電量，且削減幅度不容小覷。
2024年，加利福尼亞州削減了超過300萬兆瓦時(shí)（MWh）的太陽能電力，情況似乎還在惡化——2024年損失的太陽能電力是2021年的兩倍！即使有時(shí)電力過剩到在一天中最熱、需求最高的時(shí)候，也不得不關(guān)閉部分發(fā)電。
因此，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）的資金投入備受關(guān)注并不奇怪。2024年，美國(guó)能源部宣布為14個(gè)州的25個(gè)入選項(xiàng)目提供超過30億美元的BESS撥款。BESS可提供長(zhǎng)達(dá)4小時(shí)的儲(chǔ)能，這是一個(gè)不錯(cuò)的起點(diǎn)。但為了提升以可再生能源為主的電網(wǎng)效率，更長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能形式迫在眉睫。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能（LDES）主要有這些選擇：
機(jī)械儲(chǔ)能
機(jī)械儲(chǔ)能是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)中最成熟的選項(xiàng)之一。這一類別包括兩種主要技術(shù)：壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）和抽水蓄能。此外，還有一些替代方案，許多是CAES的變體，如液態(tài)空氣儲(chǔ)能（LAES）、熱儲(chǔ)能、CO2循環(huán)和重力儲(chǔ)能。其基本原理是將電能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能或動(dòng)能，然后再轉(zhuǎn)換回電能。
抽水蓄能
抽水蓄能利用兩個(gè)不同高度的水庫(kù)，通過水從高處流向低處發(fā)電。電力通過渦輪機(jī)產(chǎn)生，與水力發(fā)電設(shè)施的方式相同。水被回收到低處水庫(kù)，再被泵回高處重復(fù)使用。目前，美國(guó)約有50個(gè)抽水蓄能設(shè)施，總?cè)萘窟_(dá)22吉瓦。美國(guó)能源部正在資助新項(xiàng)目，例如與EDF公司在肯塔基州合作的一個(gè)項(xiàng)目。近年來，澳大利亞和葡萄牙等國(guó)家也在增加抽水蓄能設(shè)施。
圖1：抽水蓄能已廣泛部署在世界各地。
壓縮空氣儲(chǔ)能
“CAES利用壓縮空氣，在一些先進(jìn)應(yīng)用中效率可高達(dá)80%，”Burns & McDonnell的氫技術(shù)經(jīng)理Megan Reusser表示。“它具有可擴(kuò)展性，需要合適的地下儲(chǔ)藏設(shè)施，但由于使用天然氣燃燒從壓縮空氣中發(fā)電，存在一定的排放問題?！?/span>
目前運(yùn)行的CAES電廠不多，包括德國(guó)的Huntorf（320兆瓦）、阿拉巴馬州的McIntosh（110兆瓦）以及中國(guó)近期新增的幾個(gè)。這些設(shè)施利用非高峰期電力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)，將空氣注入地下儲(chǔ)藏室，如鹽穴或廢棄油藏。在電力需求高峰時(shí)，壓縮空氣被抽出、預(yù)熱后進(jìn)入燃燒室，天然氣在此燃燒進(jìn)一步加熱空氣。熱膨脹氣體驅(qū)動(dòng)連接發(fā)電機(jī)的膨脹渦輪，為電網(wǎng)供電。其燃料效率遠(yuǎn)超現(xiàn)代聯(lián)合循環(huán)電廠。
例如，阿拉巴馬州的McIntosh電廠由公用事業(yè)公司Power South擁有。它由一臺(tái)機(jī)械傳動(dòng)鏈組成，包括兩臺(tái)西門子能源壓縮機(jī)和膨脹機(jī)、一臺(tái)電動(dòng)發(fā)電機(jī)以及一個(gè)巨大的鹽穴。壓縮儲(chǔ)藏室約需40小時(shí)，之后發(fā)電機(jī)可滿負(fù)荷運(yùn)行約25小時(shí)。該機(jī)組能在9分鐘內(nèi)緊急啟動(dòng)，且全年運(yùn)行。其動(dòng)力傳動(dòng)鏈由低壓（LP）、中壓（IP）和高壓（HP）壓縮機(jī)、低壓和高壓渦輪膨脹機(jī)以及SSS離合器制造的同步自換擋（SSS）離合器組成。離合器的接合或分離控制電動(dòng)發(fā)電機(jī)是驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)還是為電網(wǎng)發(fā)電。
圖2：壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)利用壓縮機(jī)將加壓空氣儲(chǔ)存在地下，利用渦輪膨脹機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)將儲(chǔ)存的資源轉(zhuǎn)化為能源。SSS離合器使工廠能夠在驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)或發(fā)電之間切換。
“這家電廠已成功運(yùn)行30多年。”SSS離合器總裁兼首席執(zhí)行官M(fèi)organ Hendry表示，“美國(guó)85%的地區(qū)擁有適合CAES的地質(zhì)條件。北歐也有許多潛在地點(diǎn)，其中一些已用于天然氣儲(chǔ)存?！?/span>
近年來，CAES出現(xiàn)了一些“變體”：
加拿大公司Hydrostor計(jì)劃在加利福尼亞州羅薩蒙德建設(shè)Willow Rock能源儲(chǔ)存中心。這一先進(jìn)的CAES項(xiàng)目將提供500兆瓦電力，利用地下空氣和水的組合儲(chǔ)存。
Highview Power設(shè)計(jì)了液態(tài)空氣儲(chǔ)能（LAES），使用液化空氣替代壓縮空氣，計(jì)劃在西班牙進(jìn)行試點(diǎn)，英國(guó)已有小規(guī)模版本運(yùn)行。
Just-In-Time Energy提供優(yōu)化的LAES工藝，通過熱空氣膨脹供電并改善經(jīng)濟(jì)性。該公司還在開發(fā)一種結(jié)合氣體和電力儲(chǔ)存的系統(tǒng)（CEGS），用液化天然氣（LNG）替代液態(tài)空氣。CEGS系統(tǒng)將多余可再生電力儲(chǔ)存為L(zhǎng)NG和熔鹽，主要在非高峰時(shí)段進(jìn)行，然后在高峰時(shí)段將氣體返回管道系統(tǒng)，同時(shí)將用于生產(chǎn)LNG和加熱熔鹽的電力的95-120%返回電網(wǎng)。熔鹽組件允許儲(chǔ)存陽光充足、風(fēng)力強(qiáng)勁的下午產(chǎn)生的短暫可再生能源。
Alliant Energy在威斯康星州開展20兆瓦的Columbia能源儲(chǔ)存項(xiàng)目，將CO2氣體壓縮成液體作為儲(chǔ)存介質(zhì)。
Corre Energy和Contour Energy希望在德克薩斯州一個(gè)280兆瓦項(xiàng)目中結(jié)合氫和壓縮空氣儲(chǔ)能。
其他形式的儲(chǔ)能
其他幾種長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能方法處于不同開發(fā)階段：
熱儲(chǔ)能系統(tǒng)
熱儲(chǔ)能系統(tǒng)利用潛熱、顯熱和熱化學(xué)過程將能量?jī)?chǔ)存為熱量，有時(shí)涉及從液體到蒸汽的相變。例如，熱量可傳遞給工作流體，通過渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生蒸汽；或者能量被傳遞到熔鹽或磚塊中保持熱量。這類系統(tǒng)可能資本密集且實(shí)施難度大。
“熱儲(chǔ)能適用于對(duì)熱量需求甚至超過電力的場(chǎng)景。”Reusser說，“由于成本原因，這些系統(tǒng)通常限于大規(guī)模應(yīng)用。”
電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)
電化學(xué)儲(chǔ)能包括鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的多種替代品，如液流電池、金屬陽極和靜態(tài)電池。目前約有40種化學(xué)成分，其中釩氧化還原液流電池（VRFB）最為常見。
圖3：液流電池示意圖。
“電化學(xué)儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)包括可擴(kuò)展性、長(zhǎng)壽命、低熱失控風(fēng)險(xiǎn)，且部分使用無毒材料。”Reusser說，“挑戰(zhàn)包括組件和設(shè)置的初始成本高、能量密度低于鋰離子電池，以及需要定期維護(hù)泵和閥門。”
例如，Burns McDonnell于2020年在馬薩諸塞州安多佛為Convergent Energy + Power的GridStar Flow Serial Number One站點(diǎn)提供了500千瓦（2.5兆瓦時(shí)）的氧化還原液流電池技術(shù)。該公司還與明尼蘇達(dá)大學(xué)莫里斯分校和Ottertail Power合作開展寒冷天氣液流電池示范項(xiàng)目。研究完成后，這個(gè)項(xiàng)目將提供1兆瓦/6兆瓦時(shí)的儲(chǔ)能。
“這所大學(xué)位于一個(gè)孤立微電網(wǎng)，希望找到能在寒冷條件下運(yùn)行的電池技術(shù)?！盧eusser說。
鐵空氣電池是Form Energy開發(fā)的一種新方法，據(jù)稱可提供長(zhǎng)達(dá)100小時(shí)的容量。其原理是：鐵暴露在氧氣中時(shí)會(huì)生銹并釋放電子，用于供電；當(dāng)電力過剩時(shí)，電子流回電池，過程逆轉(zhuǎn)，鐵去銹，電池重新充電。Form Energy正與Great River Energy合作開展位于明尼蘇達(dá)州劍橋的Cambridge能源儲(chǔ)存項(xiàng)目，該項(xiàng)目將提供1.5兆瓦的實(shí)驗(yàn)性電池儲(chǔ)能。
化學(xué)儲(chǔ)能
常見的化學(xué)儲(chǔ)能形式包括通過壓縮形成氨或液化天然氣（LNG）。
“目標(biāo)是利用多余可再生能源生產(chǎn)氫氣并儲(chǔ)存以備后用?！盧eusser說，“化學(xué)儲(chǔ)能是運(yùn)輸能源的好方法，如果對(duì)分子的興趣大于電子，通常是最佳選擇?！?/span>
除了運(yùn)輸、電解和能源出口外，化學(xué)儲(chǔ)能還適用于工業(yè)過程，并作為一種備用電源。它具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，提供非常長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間、高能量密度，并為難以減排的行業(yè)提供脫碳途徑。然而，資本成本可能很高，系統(tǒng)也可能很復(fù)雜。
選擇合適的解決方案
每個(gè)站點(diǎn)情況不同。每個(gè)用例需權(quán)衡運(yùn)行條件、循環(huán)預(yù)期、往返效率、容量、預(yù)期壽命、運(yùn)維成本和資本成本。
“極端寒冷意味著一些選項(xiàng)可以立即排除?！盧eusser說，“你還必須了解是否能每天、每周或每月使用儲(chǔ)存的能源，因?yàn)橐恍┙鉀Q方案更適合較短或較長(zhǎng)的循環(huán)?！?/span>
例如，液態(tài)空氣會(huì)升溫，因此必須定期使用才能經(jīng)濟(jì)，否則重新冷卻會(huì)耗費(fèi)大量能源。同樣，可用能源的體積和時(shí)間段可能有利于CAES等選項(xiàng)。作為經(jīng)驗(yàn)法則，大多數(shù)電池技術(shù)提供長(zhǎng)達(dá)4小時(shí)的儲(chǔ)能，機(jī)械解決方案提供10至36小時(shí)，熱能和電化學(xué)提供高達(dá)160小時(shí)，化學(xué)儲(chǔ)能以氫氣、氨和LNG形式提供最長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。
“考慮將短續(xù)航鋰離子電池與長(zhǎng)續(xù)航方法相結(jié)合以提高性能和成本效益的混合動(dòng)力系統(tǒng)可能是明智的。”Reusser說。
另一個(gè)需要考慮的因素是人工智能（AI）的興起。這無疑將成為促進(jìn)所有長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能形式發(fā)展的催化劑，尤其是較為成熟的CAES。
“對(duì)AI日益增長(zhǎng)的需求將增加對(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的需求?！盨SS離合器的Hendry說，“AI 驅(qū)動(dòng)型系統(tǒng)需要可靠、可擴(kuò)展和可持續(xù)的能源來支持其持續(xù)運(yùn)營(yíng)、數(shù)據(jù)處理以及與可再生能源的集成。”
