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电池成本的下降将推动全球能源存储系统安装的蓬勃发展

在苏联解体的那一年,乌萨马·本·拉登创立了基地组织,堪培拉新的国会大厦开幕,而受到称赞的美国物理学家理查德·费曼死了。Home and Away的第一集出现在我们的电视屏幕上,而在电影院里,Rain Man则与Who Framed Roger Rabbit和Crocodile Dundee II一起战斗。

虽然它没有这么高的识别因素,但1988年也是澳大利亚化学工程教授Maria Skyllas-Kazacos获得美国专利,发明了钒氧化还原电池或VRB。

VRB非常重要。与当时的传统铅酸电池或当今的锂离子电池不同,它们分别存储和转换能量。他们在两个装有电解液的大型储罐中储存电能作为化学能,电解液与电化学电池相连。

这允许存储的电量和放电的功率被独立处理。它们可以长时间不使用而不会断电; 电解液永远不会起火,这与今天智能手机中更具气势的锂离子电池不同。

然而,VRB并不像笔记本电脑那样紧凑,这实际上是他们的力量。它们非常适合大规模储存:囤积风电场产生的能量,或为整个城市储存能源。如果你想要更多的存储空间,你只需要制造更大的存储容器 - 电池的容量似乎没有限制。

更好的是,它们越大,每千瓦/小时储存的能量就越少,与其他电池不同,它们可以通过泵入新鲜电解液来加油。一旦重新填充,它们响应非常迅速,在几分之一秒内从存储切换到放电,效率水平为80%。

Skyllas-Kazacos的发明应该改变世界,但事实并非如此。为什么?像过去30年中许多最有趣的储能技术一样,它在很大程度上被忽视了,因为世界仍然停留在19世纪的电力思维方式中。

幸运的是,现在正在发生变化。对于今天世界依赖的过时,过于复杂和相当脆弱的电力系统,最终正在进行一场革命。

但要理解为什么像VRB这样的存储技术现在才开始流行,你首先需要了解我们如何陷入这种邪恶的混乱局面。

我们每天都依赖存储:存储在书本中的知识,存储在图片中的记忆以及存储的金钱价值。但是当涉及到能源时,我们又回到了石器时代,生活在一起。

自从托马斯·爱迪生在纽约曼哈顿下城的珍珠和富尔顿街道的拐角处建造了第一座发电站,距离布鲁克林大桥三个街区,在1882年,电力生产方式相同:实时,即时使用。

在珍珠街257号地下铺设了超过24公里的绝缘铜线,并安装了6台重型燃煤发电机 - 每台重达30吨 - 为第一区服务,占地65万平方米,其中包括旧纽约时代建设。在一年之内,爱迪生的59个客户已经增长到472,发电业务开始起飞。

珍珠街站也是世界上第一个电网,随后的每个电网都采用相同的基本设计:集中发电厂通过高压输电线路网络分配能源,配有相关变压器,地下电缆或电线杆和电线。为确保电源始终处于开启状态,电力不断产生,以满足瞬间的需求。

发电机如何准确知道需要多少?他们没有,因为工厂和家庭没有提前通知他们计划使用多少。因此,发电站估计需求,然后产生更多,以确保有足够的净空来迎合突然增加。

平衡供需充满了危险:生产太少,整个网络都会崩溃,随之而来的是停电; 产生太多,产生的能量超过需要,因此浪费了。简而言之,这是集中式发电厂面临的挑战 - 随着电网的扩展,这种发电厂变得越来越难。

听起来可能是摇摇欲坠,但这仍然是21世纪的电力系统。当然,电网运营商现在拥有先进的模型来预测使用情况,并不断调整发电厂的输出以满足需求; 他们开发了复杂的系统,实时跨越电网分流电力,以平衡供应和使用; 并且通过对可用发电机进行排序来最小化浪费和成本,根据这些发电机可以最快地以最低成本满足需求,逐步提高成本规模直到满足需求。尽管如此,该系统仍然充满了不确定性,并且每年可以在故障的边缘多次摇摆不定。

2017年,澳大利亚首席科学家艾伦芬克尔告诉堪培拉国家新闻俱乐部,他对澳大利亚国家电网5000公里长的互联网络感到敬畏,称其为世界上最复杂的机器之一。和“一个惊人的工程壮举”。

但是,他承认,“它是为不同的世界而设计的” - 一个电力从一个方向流向中心的世界,从集中式发电机到遥远的用户,并且需求可预测地上升和下降。“那些日子在这里和世界各地都不可逆转地消失了,”他补充说。

他是对的。虽然在澳大利亚(以及其他任何地方)推动电网的复杂工程可能令人印象深刻,但它基于一个已经过时的概念 - 并且在1998年完成电网时被技术变革所取代。

破坏来自多个角度:越来越多地使用可再生能源,如风能和太阳能,与电网连接,增加间歇性; 太阳能电池板的价格迅速下跌,这引发了太阳能屋顶装置的繁荣,并使太阳能电池库变得可行; 以及对笔记本电脑的贪婪需求,加速了锂离子等高能耗电池的开发(并降低了成本),最终形成了大规模存储的二级市场。

与此同时,工业和家庭中的计算机和高科技电子产品正在改变能源的使用方式,分拆几十年来一直使用的整洁和可预测的模式。

这些影响刚刚开始于1998年。二十年后,中断是如此巨大,电网遇到了麻烦。

2018年,澳大利亚住宅的屋顶太阳能发电机数量超过了200万台,而十年前只有2万台。现在,平均每分钟有六个新的家用太阳能装置。

目前,澳大利亚的电力总量为8900千兆瓦时(GWh)来自太阳能屋顶 - 超过新南威尔士州Muswellbrook附近的Liddell电站产生的8000 GWh,该电站曾是该国最大的发电站。大型太阳能发电场再生产766吉瓦时的电能(1998年为零),风力发电机产生12,668吉瓦时,而二十年前仅为8天。

那是件好事,对吧?是的 - 没有。国家电网的设计旨在满足大型水力发电,煤电和燃气发电机的集中供电。它的创建不仅是为了确保电力可以从国家的一方轻松转移到另一方,而且还可以降低价格。如果太多的工厂发电但使用不够,价格会下降,鼓励最昂贵的发电机从电网中脱落。相反,需求飙升恰恰相反:推高价格并鼓励更多的发电机在线,这最终降低了整个电网的价格。

当大煤,大型天然气和大型水电之间的竞争时,这种方法很有效。但是太阳能和风能成为一种低成本的发电方式,现在已经非常普遍,以至于他们迫使电网价格走低 - 而且矛盾的是,更高。

当太阳能和风力发电机投入运行时,它们非常便宜,以至于大规模的煤和天然气无法竞争,因此这些生产或停止生产或关闭。然而,来自可再生能源的电力是间歇性的 - 它可以在几乎没有警告的情况下上升和下降,例如当风减弱或云层减少太阳能电池板上的阳光强度时。因此,如果供应突然下降,需求保持不变,电网价格会上涨,以鼓励更多的发电并避免停电。这让大型发电机回归现金。

问题是,这些煤炭和天然气巨头是不灵活的; 他们需要几个小时到一整天才能从静止到全力。即使在高温运行时,它们也不能轻易地或经济地快速地上下调节输出以满足突然的需求峰值,例如在热浪期间。

因为所有的发电机都是用五分钟的电力供应(称为现货价格),所以国家电网的售电价格可能会有很大差异 - 在极少数情况下,高达14,000美元/兆瓦时,低至零下$ 1000 /兆瓦时。但价格在过去一年中稳定下来。例如,2018年南澳大利亚的平均现货价格约为111美元/兆瓦时,维多利亚州的平均现货价格为100美元/兆瓦时。

然而,显而易见的是,储能是整个社会中缺失的环节。它将允许任何技术产生的电力 - 太阳能,风能,煤能,天然气 - 在需求低时积累,并在需求增加时放电。

而且它不像没有使用能量存储。在全球范围内,有70座水坝,每座水坝的发电量至少为2000兆瓦,储水量随后逐渐释放,以驱动涡轮机并发电。但水电虽然具有可再生性和灵活性,但建设成本极高(金钱和环境),受地理位置和可靠水源的限制。虽然这70座水坝的总能量输出超过120万千瓦时,但它们需要超过70,000平方公里的土地才能建造它们。

“想象力极度缺乏,”Skyllas-Kazacos回忆起她在20世纪90年代与行业巨头的讨论,当时她试图将她为其雇主新南威尔士大学(UNSW)取得的VRB专利商业化。 )。“电力部门的人们似乎并不知道那里有什么技术。但是,不幸的是,每个人都在照顾自己的利益。他们没有看大局。“

突然,每个人都在眺望大图。能源储存正在蓬勃发展:全球正在建设超过10个电池“千兆电池”(名称中的“千兆”来自总生产能力的千兆瓦时)。

德国BMZ在法兰克福东南部开设了欧洲最大的锂离子电池工厂,目前汽车,家庭和电网存储的年产量为15吉瓦时,预计将翻番。在瑞典,SGF Energy计划建造一座年产能为35GWh的工厂,而韩国三星希望在匈牙利生产高达2.5GWh的电池,同胞LG Chem正在波兰建造一座锂离子电池工厂。 。

电池成本的下降将推动全球能源存储系统安装的蓬勃发展,Bloomberg New Energy Finance分析师在其2018年11月的长期储能展望报告中表示。据估计,新能源存储的全球市场将增长6倍,到2030年将达到每年305吉瓦时的增长:“这与太阳能产业从2000年到2015年经历的显着扩张类似的轨迹,其中光伏发电占总发电量的比例翻了七倍。“

事情就是这样:这场革命并非源于全球电力行业的智慧曙光。尽管过去20年来加利福尼亚州和日本有一些着名的先驱者,但该行业已基本掌握在其手中。不,是电动车电池的突然需求引发了它。

特别是,伊隆马斯克。特斯拉的联合创始人兼首席执行官希望通过使它们更便宜,大幅度扩大他的活泼电动汽车的生产。由于2010年车辆成本的一半以上是能量密集的锂离子电池,因此他专注于这些。特斯拉的成功速度超过了任何人的预期,2010年至2014年间的生产成本降低了73%:从每千瓦时1000美元(千瓦时)到每千瓦时269美元。

为了削减更多的成本并降低神奇的100千瓦时的“拐点” - 电动汽车比化石燃料更便宜 - 特斯拉需要极大地扩大电池产量。所以,马斯克下了一个巨大的赌注:他在内华达州里诺市外建造了世界上最大的电池厂特斯拉的Gigafactory 1号。

它的设计目标是在2020年完成时每年生产150 GWh的电池组 - 足以让特斯拉每年生产150万辆汽车。但是当工厂在2016年开业时,特斯拉生产的车辆不到84,000辆。

为了证明工厂最终的50亿美元成本合理,并在车辆生产增加的同时产生收入,他的工程师将车辆电池组重新设计为家用版本,即Powerwalls和公用事业规模版本,或Powerpacks。这些产品于2015年开始销售,到次年,Gigafactory 1的产量也在增加。

因此,当南澳大利亚在2016年底和2017年初三次大停电陷入黑暗时,马斯克看到了公共关系政变的开幕,并成功地在100天内建造了世界上最大的单电池,或者它是免费的。在阿德莱德以北220公里处的Hornsdale风电场建造了一个129兆瓦时的锂离子电池站,并于2017年12月投入使用。

几周之内,位于维多利亚州的燃煤Loy Yang发电厂绊倒并下线,冒着南澳大利亚能源供应的风险。但Hornsdale电池立即向国家电网发出100兆瓦的电量 - 创纪录的140毫秒时间。实际上,当其他发电机发生故障时,霍恩斯代尔电池稳定电网的速度,加上它为国家电网带来的额外竞争,在南澳大利亚政府迄今为止节省近3300万美元的过程中发挥了重要作用。

由于德国,瑞典和韩国的大规模生产扩张证明特斯拉不是咆哮电池领域的唯一参与者。但它一直是最重要的催化剂:首先,在加速电动汽车的引入,其次,通过证明昂贵的锂离子电池可以制造更便宜。

当特斯拉在2008年推出第一台敞篷跑车时,它只是第三家生产全电动汽车的公司(而不是像丰田普锐斯这样的汽油 - 电动混合动力车),那一年它只卖了100辆。现在,有40家制造商,近500万辆电动汽车正在上路。到2030年,预计这将达到1.25亿,占中国汽车销量的50%,欧盟,日本和印度的30%。然而,今天超过一半的制造商仅在2014年进入市场 - 同年特斯拉成功地将电池的生产成本减半。

今天,特斯拉的Gigafactory 1每年生产20吉瓦时的锂离子电池容量 - 几乎与2012年全球生产的产能一样多。另一家工厂正在上海建设,计划在欧洲建设第三家。

但锂离子电池是网格级存储的最佳技术吗?

使锂电池如此强大的非常重要的原因是它们可能引起火灾或爆炸。索尼于1991年首次开发出来,它们每千克的电量是铅酸电池的五倍,几乎是镍镉电池的三倍。它们可以更快地充电,使用寿命更长,温度范围更宽,并且由低毒性成分制成。

他们最大的缺点是安全。位于正极和负极之间的电解液是易燃的,只有薄的塑料膜使两个电极保持分开。如果过度充电,或者内部故障导致短路,可能会发生“热失控”并且电池会点燃。为避免这种情况,电池内置有断路器或电流中断装置,当电压达到最大值,电池过热或内部压力过高时,它会停止充电。但由于制造故障或处理不当,这也可能失败。这就是为什么在2016年,国际民用航空组织禁止客机上的锂离子电池出货。

火灾可能是毁灭性的。2018年3月,一辆废弃的锂离子电池在纽约的一家回收设施点燃,44辆消防车和198名消防员不得不被召唤来对抗大火。它燃烧了两天,关闭了长岛铁路的四个分支几个小时,因为浓烟吹到了轨道上。

这并不能使带有锂离子电池的电动汽车变得危险:毕竟,传统汽车是由易燃汽油驱动的,这种燃料可能会爆炸。但随着电池无处不在,它们的缺点将变得更加明显。

“锂离子电池并非基本设计用于电网规模存储,”2亿美元硅谷风险投资基金1955 Capital的创始人Andrew Chung告诉可再生能源世界。即使成本持续下降,并且安全问题也被打折扣,锂离子电池的寿命仍然有限。“公用事业和商业建筑业主想要的东西将持续20年并且运作完美,”Chung说。

随着时间的推移,所有电池都会降级,循环(充电和充电)的电池效率越低。由于锂离子电池仍然是新的,并且最近才用于大规模存储,因此它们的寿命存在不确定性。美国国家可再生能源实验室在2017年进行的一项研究发现,商用锂离子电池可以使用10年 - 但前提是它们的循环次数为其工作范围的54%。NASA在需要运行八年或更长时间的卫星上使用锂离子电池,同样延长了它们的寿命,从未完全骑自行车。

尽管如此,Hornsdale电池和世界第二大电池,洛杉矶以外的Mira Loma 80 MWh存储设施(均使用特斯拉的Powerpacks),都证明能够克服需求的短暂高峰,以及短期频率调节否则会使电网跳闸或导致不稳定问题。

但是当谈到电网的所有圆形存储解决方案时,它的钒电池具有优势。

GIANT VANADUM REDOX FLOW BATTERY正在风景如画的德国Pfinztal村庄进行试验,该村庄位于海德堡以南约50公里处。由弗劳恩霍夫化学技术研究所的工程师建造,可以存储和释放20兆瓦时的能量。连接到能够产生2兆瓦的100米高的风力涡轮机,它被用于测试电池材料,设计和性能,并模拟VRB操作作为国家电网的一部分。

但与2008年成立的中国荣科电力有限公司相比,它正在建立在北京以东550公里的大连半岛上。一个40倍大且能够存储800兆瓦时的电池组将于2020年全面上线。

电池组正在荣科新的gigafactory制造,该新千兆在2016年开业,最终将达到每年3吉瓦时的产能。而大连综合体只是由中国科学院研究部大连化学物理研究所分拆出来的荣科在中国建造的近30个电池装置之一。

“在钒液流电池方面,中国在世界上处于领先地位,”荣科的联合创始人兼总工程师张华民说。“它们是一个有吸引力的商业主张,因为它们安全且环保,使用可回收电解质,循环寿命长,持续时间超过15年。”

Skyllas-Kazacos于2006年第一次见到张,当时大连化学物理研究所 - 张担任能源储存总监 - 开始对VRB进行调查。“我们注意到中国对我们的专利以及我们在澳大利亚所做的工作有很多兴趣,”她回忆说。“他真的接受了,并从中国政府获得了大量资金。”

20世纪90年代,新南威尔士大学向各公司许可了VRB技术,并在日本和加利福尼亚州建立了大型示范项目。但是,2006年该大学的原始专利到期后,对VRB的兴趣才真正起飞。

Skyllas-Kazacos在接下来的几年中收到了一系列国际会议邀请,于2009年在华盛顿州美国能源部太平洋西北国家实验室担任杰出讲师。在那里,她遇到了Z Gary Yang,当时的负责人能源储存研究,谁对钒的潜力感到兴奋。

杨将团队的注意力转向VRB,并在未来几年内将能量密度提高了70%,克服了温度稳定性问题并降低了成本。2012年,他和一位同事离开了能源部,成立了UniEnergy Technologies,后者开始开发原型。该公司拥有60名员工,后来在VRB中安装了80兆瓦时的商业容量,并于2016年成为荣科动力的开发合作伙伴。

它只是六家销售VRB的美国公司之一,其他公司在英国,日本,澳大利亚和奥地利运营。在德国,工程巨头蒂森克虏伯(ThyssenKrupp)推出了一种新型VRB设计,其中包括巨型电池和1兆瓦堆叠,模块化,可扩展到数百兆瓦。行业分析师预测,到2027年,VRB系统的年需求量将增加到18,000至27,500 MWh,约占能源存储市场的25%。太平洋首席研究员Vincent Sprenkle表示,“这项技术在经过五年的开发后,已开始在系统级别实现与锂离子成本相当的成本 - 与锂离子电池生产超过25年相比。”西北国家实验室于2017年10月在美国参议院听证会上说。该实验室仍与UniEnergy合作,

Yang确信钒将在电网规模存储中摧毁锂离子电池。“他们的寿命更长,可以更容易扩大规模,并且可以日复一日地运作,20年或更长时间内没有显着的性能损失,”他说。他相信荣科动力的VRB复合体将证明是一个改变游戏规则的游戏。“这将是世界上最大的电池安装,而大连工厂只是中国建造的几个大型VRB装置之一。在11个国家还有另外30个VRB项目已经部署或正在建设中。“

就她而言,Skyllas-Kazacos很高兴看到VRB的兴趣重生,这是她第一次开始使用钒的银灰色金属超过34年。“多年来,我非常沮丧,非常沮丧。我克服了它,“她说。“现在,我很高兴终于来了。我们的工作得到了认可并得到了充分利用。很高兴看到钒电池的时间到了。

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