9种储能技术以及如何改变电网

可再生能源为电网远离化石燃料和改变气候的温室气体（GHGs）提供了最好的希望。风能和太阳能是主要的两种可持续能源，然而无论是风能还是太阳能都有间歇性，如果要在电网的基础上发挥核心作用必须通过电网储能来增强。储能已经不是新技术了，早在1930年，美国麻省米尔福德（New Milford）附近的康涅狄格州电力公司（Connecticut Electric and Power Company）首次通过抽水储能，通过将Housatonic River中的水抽水到位于河上230英尺的蓄水池来储存多余的电能。如今，全球约96%的储能来自同一类型的抽水技术（PHES）。有各种各样的技术可以用于储存能源，其中几种技术特别适用于储存可再生能源。电化学蓄电池（特别是锂离子电池），氧化还原液流电池，储存氢能，热力系统，泵送液体，甚至是闲置的电动汽车（EV）都有储能技术。让我们看一看目前或即将投入商业使用的9种不同的储能技术。结合这些系统，使可再生能源在未来几年占据了电网的很大一部分，因此现在是了解这些技术的时候了。

锂离子电池

当涉及到大规模电网储能时，电化学蓄电池是具有多种优势。尽管最初的价格是昂贵的，但为电动汽车开发的锂离子电池已经将储能价格从 12年前的每千瓦时1,000美元将至每千瓦时100美元。锂离子电池不但具有非常高的能量密度而且重量轻，使其成为电动汽车以及电气化运输的理想因素，但这对于固定存储系统来说这两点显得并不那么重要。锂离子电池不仅在回收储存的能量效率在85%到90%之间，而且还可以成为峰值资源，帮助电网平稳运行，特别是在用电高峰期间。能量密度最高的锂离子电池是以镍基为阴极材料制成的，通常以钴混合。这些都是昂贵且相对稀缺的材料。较低能量密度的锂离子电池是由磷酸铁为阴极材料制成的，我们称为磷酸铁电池。在未来，通过高能镍和钴阴极用于电气化运输，使用磷酸铁化学用于固定储存可能更有意义。锂离子电池可以持续2,000至10,000次充放电循环，在电网应用中，锂离子电池的寿命可维持大约10年。锂离子电池在全球电网储存市场中占90%以上。 

铅酸电池在锂离子电池普及之前，铅酸电池被用于电力系统的储能。铅酸电池具有低能量密度，是锂离子电池能量密度的1/4，循环寿命短，价格低廉且易于回收。能量密度在很多工业片区中的固定应用中显得并不那么重要，对于铅酸电池循环寿命的提高进行研究。铅酸电池使用廉价且丰富的材料制成，可以在没有锂离子电池所需的复杂电池管理系统（BMS）的情况下运行，因此可能会再次使用在电网存储应用中。 

锌混合电池在电池技术的世界里，使用地球上丰富的材料来代替昂贵且稀缺的资源材料来制作电池。举个例子，一种锌混合物的材料受到了许多关注。锌混合动力技术有望为电网规模的解决方案提供专门制造的电池，因为锌广泛可用，而且比用其他材料制造锂离子电池成本可以低很多。在锌混合电池中，多孔阳极是由大量锌颗粒形成的，而这些锌颗粒在放电过程中被电解液饱和。羟基离子（Hydroxyl ions）进入锌中形成锌酸盐，锌酸盐释放电子，电子移动到阴极。锌混合电池的总体回收储存能量效率通常低于锂电池，平均在65%至70%。 

氧化还原液流电池液流电池使用了一种与锂离子电池完全不同的原理。液流电池将反应性电解液储存在单独的容器中，并将其泵送它们通过一个反应罐，该反应罐包含一堆惰性电极，这些惰性电极将电子剥离出来产生电能，而不是将电池的所有反应部分放在一个容器中。离子交换膜使两种电解液在反应容器中彼此分离。液流电池容量仅与容纳反应性液体的容器的大小有关。由于能量储存在电解液内，储存容量的大小可以独立于能量水平。关键是这两种电解溶液使用什么材料。他们必须形成氧化还原反应，还原是电子的增加，氧化是电子的流失。商业液流电池常用锌和溴或钒流电池（VFB）中钒的各种氧化和还原状态的组合。但是这些材料的成本是极其昂贵的。液流电池总体回收储存能量效率在60%至85%之间，因为电池容量仅仅取决于存储电解液容器大小，因此可以一次运行数小时甚至数天。 

氢能储存太阳能电池或风力涡轮机产生的多余电能可用于电解过程将水分解成氢气和氧气。氢气可以被压缩和储存，当需要释放储存的能量时，通过燃料电池，氢气可以与空气中的氧气结合，形成水蒸气，并将电子释放回到电网。由于燃料电池回收储存能量效率在60%左右，当氢气被压缩时，会消耗能量，氢能储存能量的总体效率在25%至45%之间，大大低于使用锂离子电池或液流电池储存能量的效率。氢气燃料电池的价格很高，电极使用贵金属铂。他们在电信传送、数据中心、信用卡处理等关键设施的主电源和备用电源发现这种材料。 

热管理通过加热储存太阳能量的热材料（如岩石或其他材料）产生的电能代替光伏板将太阳能转换成电能。这些材料可以根据储存热量的能力来被选择，或者可以通过改变质量来储存能量，例如熔岩。从热力系统中提取能量，水可以被泵送通过，转换成蒸汽，利用蒸汽可以驱动连接在发电机上的涡轮机发电。热系统可以储存大量的能量，根据使用的系统类型，回收储存能量效率高达80%至90%。 

抽水蓄能利用抽水蓄能（PHES）装置，在低成本或高可再生能源时期产生的电力用于将水抽到更高的高度进行储存。当电力被需要时，水被释放到更低的水池中，通过涡轮机发电。抽水蓄能储能既可以使用像河流这样的自由流动的水源，还可以通过闭环系统在人工湖泊中取水。抽水蓄能成本几乎比任何一种储能方法都要便宜，特别是在大量能源需要被储存时。抽水蓄能水力发电在整个循环中储存能量效率超过80%，而且这些装置通常可以提供数小时甚至数天的电力。抽水蓄能是一种长期投资，通常为3至5年。一旦系统建成，可提供超过50年的服务。如今，大约96%的全球能源储存都来自某种抽水储能装置。 

压缩空气通过压缩空气储存能量，再通过泵送到密闭的地下空间内储存。当需要能源时，从地下密闭空间排出的空气通过管道流回发电厂，将其加热至膨胀，从而转动发动机。加热的过程通常使用天然气，这期间会释放温室气体（GHGs），增加该过程的成本。当压缩空气产生的热量被保留时，该系统的储存能量效率可以达到70%，否则储存能量效率仅在42%至55%之间。目前有两种正在运行的压缩空气储存装置：一个位于美国东南部的阿拉巴马州的McIntosh，一个位于德国的亨托夫市。McIntosh工厂建立于1991年，能够储存110兆瓦时（MWh）。德克萨斯州的Anderson正在建设一座317兆瓦时的发电厂。

电动汽车（EV）上百万辆电动汽车行驶，大多数车辆在一天之内多数处于停放状态。每辆电动汽车都有一个相当大的锂离子电池，可以通过一种叫做车辆到电网（V2G）的方法用于电网储能。将电动汽车接入电网，可再生能源产生的额外的能源可以输出并储存在电动汽车中。如果在突然需要能源来稳定电网时（例如在高峰时间），电动汽车中的能源可以被送回电网。尽管V2G听起来很有意思，但也有很多反对的声音。主要的反对意见是锂离子电池在使用寿命周期内只能进行有限次数的充放电循环。有限次数的充放电循环对于电动汽车的普通使用是足够的，但是电网中增加额外的循环次数或许会缩短电动汽车电池的预期寿命。电动汽车的拥有者也有同样的担心，尽管他们的车充电了一整天，但如果电网一直吸收能量，他们的车仍然无法到达满电状态。2020年，大众汽车表示采用双向充电技术推进V2G。中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译