實現(xiàn)潔凈發(fā)電：新一代電池與儲能技術(shù)

對于再生能源電力系統(tǒng)來說，由于天氣、陽光和季節(jié)性變化引起的巨大輸出波動問題，使得發(fā)電狀態(tài)幾乎都是間歇性，因此很難將它們穩(wěn)定地連接到商業(yè)電網(wǎng)。在此困境下，當然最佳的解決方案就是開發(fā)大規(guī)模的儲能電池技術(shù)，當發(fā)電之后，就可以將電力儲存起來。

此時，儲能系統(tǒng)（Energy Storage System；ESS）就扮演著穩(wěn)定供電的核心角色，但在今天，在尋找技術(shù)和成本效益上的方法來儲存電力是一項重大挑戰(zhàn)。雖然目前有許多技術(shù)方案，但卻沒有單一的「最佳」的解決方案。這取決于許多因素，這包括了電力儲存容量、充電/放電/使用周期、設(shè)置地點和成本結(jié)構(gòu)等等。



 
圖一 : 儲能系統(tǒng)（ESS）已經(jīng)不僅僅是儲能單元。而是根據(jù)安裝的規(guī)格和目的，讓這些設(shè)備以及DC-AC逆變器的管理能夠達到最大效益化。（source：Saft/TotalEnergies；作者整理）

歐洲廢舊電池組回收再利用逐年成長
在面對成本壓力，已經(jīng)有一些業(yè)者和工程師提出，回收再使用廢舊電池組。這些廢舊電池通常是從各種類型車輛，或各儲電站中有條件式的回收。根據(jù)廣泛使用的標準，當電池的容量下降到其初始容量的80%時，就可以被宣布已經(jīng)達到「第一階段汰除」需更換新電池的程度。

然而，回收再使用廢舊電池有幾個不可忽視的問題。首先，鋰離子電池的特點是體積能量密度高，但在大規(guī)模配置中，必須對充/放電/溫度和故障安全等各種參數(shù)，進行復(fù)雜的多級監(jiān)控。第二個問題是安裝時，鋰離子電池已經(jīng)有20%壽命老化的程度。

最后，還有電池管理的問題。可充電電池具有不同的工作特性，必須非常小心處理，即使它們是同一類型，由于充電/放電周期、溫度變化，以及在使用和儲存過程中在惡劣環(huán)境中的處理不同，分開管理和更換周期是必需的。

管理這么大的電池并不容易，但是給這些電池「第二次生命」并重新使用它們的想法顯然很有吸引力，至少在某些情況下（第三次生命階段是回收）。



 
圖二 : 歐洲可重復(fù)使用鋰離子電池的應(yīng)用。（source：Circular Energy Storage；作者整理）

以固體形式儲存電力：熔鹽電池滿足低成本目標
以目前電池所使用的材料和技術(shù)來看，包括鉛酸電池、鈉硫電池和鎳金屬氫化物電池等，這些技術(shù)都存在一個共同的問題，就是在儲存期間會發(fā)生自發(fā)性放電。例如，車輛長時間停放不使用時，電池就會緩慢被放電直至耗盡為止。因此全球的電池業(yè)者投入了相當大的資源，期望開發(fā)出更緩慢自發(fā)性放電技術(shù)，或甚至完全閉鎖便利儲存的技術(shù)。

美國太平洋西北國家實驗室（PNNL）的一個研究小組開發(fā)了一種鋁鎳熔鹽電池，利用熔鹽電解質(zhì)的「凍結(jié)和融化現(xiàn)象」來達到防止電池的自發(fā)放電。

這款鋁鎳熔鹽電池可以保持90%以上的儲存電量長達12周。在電力供需有余量的情況下儲存電力能量，并在電力需求增加時，可以低成本的將電力提供給電網(wǎng)系統(tǒng)。

熔鹽電池觀念是在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國為V2火箭所開發(fā)的一項技術(shù)。其原理是，透過采用在室溫下不導(dǎo)電的固體無機鹽作為電解質(zhì)，讓正負電極在電力儲存期間處于絕緣狀態(tài)，從而防止自發(fā)放電。當電解液被加熱形成熔鹽時，會產(chǎn)生離子導(dǎo)電性，來作為啟動機制，提供電池放電的能力。

具體上PNNL是將電解液中的熔鹽加熱到180℃左右，就具有離子導(dǎo)電性和可充放電性。反之，當熔鹽冷卻到室溫時，就會開始凝固并失去導(dǎo)電性，進而抑制了自發(fā)放電，并能長期保持電力儲存的狀態(tài)。非常適合應(yīng)用在發(fā)電間歇波動較大的再生能源發(fā)電，解決了季節(jié)性或時間性穩(wěn)定輸出需求的一個重要方式。

PNNL研究小組更進一步的透過采用鋁陽極和鎳陰極，并在電解質(zhì)中添加了硫磺來提高能量密度。經(jīng)過開發(fā)出的試作品試驗，PNNL發(fā)現(xiàn)這款電池，可以在長達12周的時間內(nèi)保持92%的初始儲存功率容量，同時獲得260Wh/kg的理論能量密度，這比鉛酸電池和液態(tài)電池的能量密度更高。

此外，陽極和陰極之間的隔板由簡單的玻璃纖維制成，而不是昂貴且易碎的陶瓷隔板，來確保低成本和堅固性。PNNL預(yù)計在使用更便宜的鐵材料后，可將成本降低至6美元左右，這相當于目前鋰離子電池材料成本的1/15。

鋅材儲能技術(shù) 加速實現(xiàn)碳中和
「流動型鋅空氣電池」技術(shù)是以鋅作為儲能材料，鋅是一種豐富且廉價的資源，易于增加儲存單元的尺寸來增加容量，并且其特點是負責充電和放電的部分，與電力儲存部分是相互獨立的達到實現(xiàn)低成本、高容量的儲存電池，同時使用水基液體作為電解質(zhì)還具有高度安全性的優(yōu)點。

在充電過程中，氧化鋅（ZnO）在化學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)殇\時，會儲存電子。另一方面，在放電時，由于空氣中的氧氣的作用，當鋅返回氧化鋅時，它會釋放所儲存的電子，從而使電力得以釋放。

 
圖三 : 透過鋅來做為充放電時電子的儲存與釋放媒介。（source：SHARP；作者整理）

通過利用氧化鋅和鋅的這種變化循環(huán)，可以做為反復(fù)充放電的蓄電池來使用。

其技術(shù)的優(yōu)勢如下：

由于使用低成本的鋅作為儲能材料，可以降低成本
目前，大多的電池都是以鋰做為儲能材料，由于生產(chǎn)和提煉國家有限，使得鋰材料的價格一直居高不下，并且存在著供需壓力的風(fēng)險。但是，鋅材料在許多國家都可以生產(chǎn)和精煉，因此價格便宜，且供應(yīng)也相對的穩(wěn)定。

流動型系統(tǒng)有利于高容量的生產(chǎn)
在流動型系統(tǒng)中，充放電單元和儲存部分是相互獨立的，因此很容易通過增加儲存尺寸來提高容量。原則上，儲存部分的成本是低于充放電單元，再加上使用廉價的鋅，這可將達到低成本、高容量儲存電池的目標。

水性電解質(zhì)帶來的高安全性
由于浸鋅的電解液是水性液體，因此燃燒的可能性極低，這與使用有機溶劑（非水）的蓄電池相比，具有更高的安全水平。

未來大型電力儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
如今，全球總發(fā)電量中約30%源自太陽能、風(fēng)能、水能及其他可持續(xù)能源；本世紀初，這一比例占20%左右。國際能源署（International Energy Agency）預(yù)測，到2050年，幾乎90%的電力將由綠色能源提供。

因此對于再生能源所需的儲能系統(tǒng)來說，全球相關(guān)業(yè)者不僅積極的開發(fā)二次電池的技術(shù)和材料，同時為了解決目前太陽能和風(fēng)力發(fā)電的難以控制的不連續(xù)性發(fā)電，也有業(yè)者開始透過更先進充電觀念，嘗試將儲電電池作為發(fā)電架構(gòu)中的一部分，開發(fā)出和太陽能和風(fēng)力相同綠色能源發(fā)電的新一代發(fā)電技術(shù)。

透過壓縮空氣來儲存電力
壓縮空氣儲能（Compressed Air Energy Storage；CAES）與其他儲能系統(tǒng)一樣，在1978年首次商業(yè)化，經(jīng)過40多年后，現(xiàn)在正處于革新的邊緣。CAES是一種「可充電」系統(tǒng)，當系統(tǒng)驅(qū)動壓縮機將電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣，而在發(fā)電時，再將壓縮空氣膨脹的力量使渦輪機旋轉(zhuǎn)發(fā)電。

然而，傳統(tǒng)的CAES存在以下問題：（1）只能在有巖鹽層的地區(qū)使用；（2）壓縮后的氣體，大多是用來提高火力發(fā)電中，燃氣輪機的燃燒效率，但燃氣輪機再運轉(zhuǎn)的過程中，會排放大量的廢氣；（3）壓縮的過程中會損失相當多的熱量，導(dǎo)致發(fā)電效率降低到40%左右。因此，一些公司正在研究改進這些問題，開發(fā)出下一代的CAES，來增加其應(yīng)用的潛力。

根據(jù)許多數(shù)據(jù)顯示，下一代CAES將改善上述問題。方案一：透過使用水箱、利用水的靜壓儲存設(shè)施，和現(xiàn)有的人工密閉空間來解決建設(shè)地點的限制；方案二：利用特殊的渦輪機，來利用壓縮空氣的膨脹力發(fā)電，而不是火力發(fā)電，解決廢氣排放和其他問題。透過壓縮過程中產(chǎn)生的熱量，將其儲存在傳熱介質(zhì)中，在發(fā)電過程中產(chǎn)生膨脹的力量；方案三：目前的發(fā)電效率已經(jīng)可提高到70%左右。

目前的技術(shù)可以利用廢棄的礦坑直接儲存已壓縮的空氣，而不需要鋪設(shè)混凝土。

但必須至少符合兩個條件：（1）礦坑的內(nèi)壁需要由結(jié)晶度高的火成巖構(gòu)成；（2）內(nèi)壁的上部必須有地下水層覆蓋。

這也被稱為是一個 「水封式CAES」。雖然火成巖比其他巖石的結(jié)晶性更強，但它不像巖鹽構(gòu)造那樣密不透風(fēng)。因此，可以利用地下水的壓力封閉儲存空間，達到防止泄漏的作用。日本的電力中央工業(yè)研究所已經(jīng)透過這樣的方式，在岐阜縣的神岡礦區(qū)進行測試，目前已經(jīng)證實了可以儲存1.87MPa的壓縮空氣。


 
圖四 : 中央電力工業(yè)研究所證明可以透過礦坑來壓縮空氣發(fā)電。（source：日本中央電力工業(yè)研究所、NIKKEI；作者整理）

抽水蓄能電力轉(zhuǎn)換發(fā)電
抽水蓄能是最古老的可再生能源發(fā)電和儲能技術(shù)，目前仍在世界各地廣泛部署。

通常情況下，電力需求在白天增加，晚上和節(jié)假日白天減少，而大多的水庫發(fā)電機都是在白天時運轉(zhuǎn)，這導(dǎo)致一些發(fā)電廠的電力過剩。

抽水蓄能就是利用這些多余的電力，在晚上將水從下部水庫抽到上部水庫，而在白天電力需求高的時候，將水量釋放到下部水庫，帶動渦輪機發(fā)電。夜間使用的剩余電力有一些模式，例如由附近的電力公司供電，或利用水庫內(nèi)建的蓄電池的電力，來啟動馬達抽水。

此外，雖然全球的水庫都備有水力發(fā)電系統(tǒng)，但幾乎大部分電廠都還沒有引進抽水蓄能設(shè)施。根據(jù)國際能源署（IEA）年報告，到2025年，歐洲大部分新的水庫發(fā)電站將設(shè)置抽水蓄能系統(tǒng)。

熱能儲存發(fā)電也備受關(guān)注
大多人都同意，熱能儲存是「最清潔、最高效的儲存技術(shù)」，因此近年來也備受關(guān)注。熱能儲存是一種將可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的剩余電力和熱能儲存起來，在特定時段再利用廢熱方式來發(fā)電的技術(shù)。例如，將白天收集的太陽能熱量儲存起來，在晚上應(yīng)用在空調(diào)等耗電設(shè)備上等。

目前可以儲存熱能的材料包括水、冰、沙子和巖石，而典型的蓄熱介質(zhì)是安裝在建筑物或公寓屋頂上的水箱。根據(jù)國際可再生能源機構(gòu)（IRENA）2020年發(fā)布的一份報告，2019年全球熱能儲存容量在200GWh左右，但預(yù)計2030年將超過800GWh。事實上，2021年全球熱能儲存市場已經(jīng)達到37億美元，并且正在穩(wěn)步增長。