美國能源部高級能源研究計劃署(ARPA-E)如今正在尋找可以提供更長時間的儲能技術，以及可以在電網(wǎng)任何位置儲存可再生能源技術，其價格必須低于100美元/千瓦時。

而作為新計劃的一部分，ARPA-E最近宣布為持續(xù)增加電力儲能(DAYS)項目提供高達3000萬美元資金。持續(xù)增加電力儲能(DAYS)項目團隊將采用創(chuàng)新技術，在電網(wǎng)規(guī)模上實現(xiàn)提供長時間儲能可靠的電力，其持續(xù)時間為10至約100小時。

儲能系統(tǒng)將在未來的彈性電網(wǎng)中發(fā)揮越來越重要的作用。儲能系統(tǒng)提供改進的電網(wǎng)穩(wěn)定性，備用電源以及允許集成更多可再生資源的重要服務。如今主要儲能選項具有一些限制，阻礙了它們作為長期解決方案的使用，特別是其高成本。

持續(xù)增加電力儲能(DAYS)團隊將開發(fā)能夠在幾乎任何地點部署的儲能系統(tǒng)，并以每周期成本目標放電，遠低于目前可用系統(tǒng)的成本。

所提供的資助機會將對一系列儲能技術選擇性開放，其中包括熱、機械、電化學、化學等技術，但其面臨成本目標、選址、功率輸出等諸多挑戰(zhàn)。

GRIDS計劃

在實施持續(xù)增加電力儲能(DAYS)計劃之前，美國能源部高級能源研究計劃署(ARPA-E)為電網(wǎng)規(guī)模可擴展間歇可調度式儲能(GRIDS)設置了目標。其目標是開發(fā)能夠存儲可再生能源的儲能技術，可以在電網(wǎng)任何位置使用，投資成本低于每千瓦時100美元。這個靈活的大規(guī)模儲能系統(tǒng)將使可再生能源提供可靠的發(fā)電，從而創(chuàng)造更強大、更健壯的電網(wǎng)。下表列出了電網(wǎng)規(guī)模可擴展間歇可調度式儲能(GRIDS)計劃中的公司及其項目描述。

如今，美國的發(fā)電量為1,100GW，每年發(fā)電量約為410萬GWh。而電網(wǎng)是一種關鍵資源，可提供美國家庭和企業(yè)消耗的所有能源的30%。然而，目前的發(fā)電系統(tǒng)嚴重依賴化石燃料?，F(xiàn)在近70%的美國電力來自煤炭或天然氣，發(fā)電占美國二氧化碳排放量的40%以上。

解決氣候變化和獨立能源供應問題將需要更多地使用低碳的排放發(fā)電，其中包括太陽能和風能的可再生能源發(fā)電，以及提高美國電力分配的效率和可靠性。

可再生能源發(fā)電源的一個重要特征是其可變性。圖1顯示了間歇性可再生能源(太陽能和風能)在幾分鐘到一小時的時間范圍發(fā)生的功率輸出的強烈變化，間歇性功率變化超過80%。電網(wǎng)功率電平偏差頻譜顯示發(fā)電和輸電調度功率電平之間的過多/欠缺的變化。

圖1.由于太陽能(a)和風力發(fā)電(b)中與天氣有關的變化，提供電力的間歇性會限制可再生能源的可調度性。(c)顯示了發(fā)電和負載之間的電網(wǎng)偏差頻率。

圖1顯示了一天內(nèi)電力供應間歇性，持續(xù)時間為幾分鐘到幾小時，在這些時間范圍內(nèi)，功率輸出超過80%的變化限制了由于太陽能(a)和風力發(fā)電(b)的天氣相關變化導致可再生能源發(fā)電的可調度性。特別是對于風力發(fā)電而言，電力變化率是平衡電力系統(tǒng)關鍵問題，具有很高的變化率(MW/min)，需要幾分鐘到幾小時的儲能系統(tǒng)支持(如圖1b中的虛線)。(c)顯示電網(wǎng)上的分鐘到小時和小時到天的時間幀中發(fā)電和負載之間的電網(wǎng)偏差頻率。通過電網(wǎng)輔助服務在秒到分鐘時間范圍內(nèi)增加了頻率和電壓調節(jié)。

因此需要存儲將可再生資源轉化為可預測和可調度的電網(wǎng)的固定電力，構建低碳、高可靠性的電網(wǎng)。

斯坦福大學的水基錳氫電池研究

“自然能源”雜志的高級作者，斯坦福大學材料科學教授崔屹(YiCui)日前表示，錳氫電池技術可能是美國能源之謎中缺失部分之一。它可以提供一種存儲不可預測的風能或太陽能的方法，從而減少化石燃料的需求。

錳氫電池原型只有3英寸長，僅產(chǎn)生20毫瓦時的電力，這與掛在鑰匙環(huán)上的LED手電筒的能量水平相當。盡管電池原型規(guī)模很小，但研究人員相信他們可以將這種技術擴展到可以充電和充電10,000次的工業(yè)級電池儲能系統(tǒng)，從而創(chuàng)造出一種工作壽命遠遠超過十年的電網(wǎng)。

“我們所做的是將一種特殊的鹽投入水中，滴在電極中，并產(chǎn)生可逆的化學反應，以氫氣的形式存儲電子?！贝抟僬f。

創(chuàng)造這個概念并建造電池原型的團隊由崔實驗室的博士后學者WeiChen領導。從本質上講，研究人員實現(xiàn)了水和硫酸錳之間的可逆電子交換，硫酸錳是一種豐富廉價的工業(yè)鹽，可用于制造干電池、肥料、紙張和其他產(chǎn)品。

為了模仿風能或太陽能源如何為電池供電，研究人員在原型上安裝了一個電源。電子與溶解在水中的硫酸錳產(chǎn)生反應，留下附著在電極上的二氧化錳顆粒。過量的電子以氫氣的形式冒出來，從而儲存能量以備將來使用。而工程師都知道如何利用氫氣產(chǎn)生電力，因此下一步研究是證明水基電池可以充電。

研究人員通過將其電源重新連接到耗盡的原型來實現(xiàn)這一目標，這次目的是誘導附著在電極上的二氧化錳顆粒與水結合，形成硫酸錳鹽。一旦這種鹽恢復，獲得的電子就會過剩，過剩的能量就以氫氣的形式冒出來，這個過程可以多次重復。

崔屹估計，考慮到水基電池的預期壽命，其存儲的電力可以為100瓦燈泡供電12小時，成本僅為一美分。

“我們相信這種原型技術將能夠滿足美國能源部目標的電網(wǎng)規(guī)模儲能實用性?！贝抟僬f。

美國能源部(DOE)推薦用于電網(wǎng)規(guī)模的電池儲能系統(tǒng)，然后在一小時內(nèi)放電至少20千瓦，能夠至少充放5000次，并且使用壽命為10年。為了實現(xiàn)這一目標，這種電池儲能系統(tǒng)的成本應為2000美元或更低，或每千瓦時100美元。

美國能源部前部長，諾貝爾獎獲得者，現(xiàn)任斯坦福大學教授的朱棣文長期以來一直關注和鼓勵向可再生能源過渡。“雖然精確的材料和設計仍然需要開發(fā)，但這個電池原型展示了科學和工程的類型，它提出了實現(xiàn)低成本、長效、實用規(guī)模電池的新方法?！敝扉ξ恼f。

遠離碳排放

據(jù)美國能源部估計，美國約70%的電力來自煤炭發(fā)電或天然氣發(fā)電廠，占二氧化碳排放量的40%。而轉向風能和太陽能發(fā)電是減少這些碳排放的一種方法。但這帶來了涉及電源可變性的新挑戰(zhàn)。最明顯的是，太陽和風力提供的電力不穩(wěn)定，并且不持續(xù)。

然而，另一個不太了解但重要的可變性形式來自對電網(wǎng)的需求激增，在炎熱的夏天，當人們下班回家啟動空調時，公用事業(yè)公司必須采用負載平衡策略來滿足高峰需求，這需要在幾分鐘內(nèi)提高發(fā)電量的一些方法，以避免停電或故障，否則可能導致電網(wǎng)癱瘓。

如今，公用事業(yè)公司通常會通過啟動按需或可調度的發(fā)電廠來實現(xiàn)這一目標，這些發(fā)電廠可能在大部分時間閑置，但需要在幾分鐘內(nèi)提供電力，從而產(chǎn)生快速能源，但會增加碳排放。一些公用事業(yè)公司開發(fā)了短期負荷平衡，不依賴于化石燃料燃燒設備。

最常見和最具成本效益的策略是抽水蓄能。它使用多余的電力將水輸送到高處，然后讓它回流以在高峰需求期間產(chǎn)生能量。然而，水力發(fā)電儲能僅適用于水資源和空間充足的地區(qū)。因此，為了使風能和太陽能更加有用，美國能源部鼓勵使用高容量電池儲能系統(tǒng)作為替代方案。

高容量低成本的電池技術

崔屹表示，市場上有幾種類型的可充電電池技術。但是目前尚不清楚哪些方法符合美國能源部要求，并證明其對公用事業(yè)、監(jiān)管機構和維護國家電網(wǎng)的其他利益相關者的實用性。

例如可充電鋰離子電池，可以存儲手機和筆記本電腦所需的少量能源，但其采用稀有材料，因此成本太高昂，無法存儲大量的電力。他說，電網(wǎng)規(guī)模儲能系統(tǒng)需要一種低成本、高容量、可充電電池。錳氫電池工藝似乎很有希望。他補充說，“其他可充電電池技術在其工作壽命中的成本將是錳氫電池成本的五倍?！?br/>
WeiChen表示，新型低成本材料和相對簡單使錳氫電池成為低成本電網(wǎng)規(guī)模部署的理想選擇?！拔覀冊谧匀荒茉吹难芯繄蟾娴耐黄朴锌赡芊厦绹茉床侩娋W(wǎng)規(guī)模標準?！彼f。

但這種錳氫電池原型需要開發(fā)研究進行證明。一方面，它使用金屬鉑作為催化劑來催化電極上的關鍵化學反應，使充電過程高效，并且該組件的成本對于大規(guī)模部署而言是不能接受的。但他說，該團隊已經(jīng)在研究成本更低的方法來誘導硫酸錳和水進行可逆電子交換。他說：“我們采用了新型催化劑，產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)時可能會達到美國能源部的低于每千瓦時100美元的目標?！?br/>
研究人員報告說，可以對錳氫電池原型進行10,000次充電，這是美國能源部要求的兩倍，但表示有必要在實際電網(wǎng)儲能條件下測試錳氫電池，以便真正評估其壽命、性能和成本。

崔屹表示，他已經(jīng)通過斯坦福技術許可辦公室尋求申請專利，并計劃組建一家公司將該技術實現(xiàn)商業(yè)化。