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美國能源部促進(jìn)儲能開發(fā) 加快水基錳氫電池研究進(jìn)程
日期:2018-07-24   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:marui 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
編者按: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(shù),以及可以在電網(wǎng)任何位置儲存可再生能源技術(shù),其價格必須低于100美元/千瓦時。

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(shù),以及可以在電網(wǎng)任何位置儲存可再生能源技術(shù),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(dá)3000萬美元資金。持續(xù)增加電力儲能(DAYS)項目團(tuán)隊將采用創(chuàng)新技術(shù),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(jìn)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(wù)。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(tuán)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(biāo)放電,遠(yuǎn)低于目前可用系統(tǒng)的成本。

所提供的資助機(jī)會將對一系列儲能技術(shù)選擇性開放,其中包括熱、機(jī)械、電化學(xué)、化學(xué)等技術(shù),但其面臨成本目標(biāo)、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)??蓴U(kuò)展間歇可調(diào)度式儲能(GRIDS)設(shè)置了目標(biāo)。其目標(biāo)是開發(fā)能夠存儲可再生能源的儲能技術(shù),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)??蓴U(kuò)展間歇可調(diào)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(guān)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(yán)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(yīng)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(fēng)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(fēng)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(diào)度功率電平之間的過多/欠缺的變化。

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

一天內(nèi)電力供應(yīng)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(fēng)力發(fā)電(b)的天氣相關(guān)變化導(dǎo)致可再生能源發(fā)電的可調(diào)度性。特別是對于風(fēng)力發(fā)電而言,電力變化率是平衡電力系統(tǒng)關(guān)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(fù)載之間的電網(wǎng)偏差頻率。通過電網(wǎng)輔助服務(wù)在秒到分鐘時間范圍內(nèi)增加了頻率和電壓調(diào)節(jié)。

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

斯坦福大學(xué)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(xué)材料科學(xué)教授崔屹(YiCui)日前表示,錳氫電池技術(shù)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(yù)測的風(fēng)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(dāng)。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(shù)擴(kuò)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(xué)反應(yīng),以氫氣的形式存儲電子。”崔屹說。

創(chuàng)造這個概念并建造電池原型的團(tuán)隊由崔實驗室的博士后學(xué)者WeiChen領(lǐng)導(dǎo)。從本質(zhì)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(fēng)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(yīng),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(biāo),這次目的是誘導(dǎo)附著在電極上的二氧化錳顆粒與水結(jié)合,形成硫酸錳鹽。一旦這種鹽恢復(fù),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(fù)。

崔屹估計,考慮到水基電池的預(yù)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(shù)將能夠滿足美國能源部目標(biāo)的電網(wǎng)規(guī)模儲能實用性。”崔屹說。

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(biāo),這種電池儲能系統(tǒng)的成本應(yīng)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(xué)教授的朱棣文長期以來一直關(guān)注和鼓勵向可再生能源過渡。“雖然精確的材料和設(shè)計仍然需要開發(fā),但這個電池原型展示了科學(xué)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。”朱棣文說。

遠(yuǎn)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(zhuǎn)向風(fēng)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(fēng)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(dāng)人們下班回家啟動空調(diào)時,公用事業(yè)公司必須采用負(fù)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(dǎo)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(diào)度的發(fā)電廠來實現(xiàn)這一目標(biāo),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(fù)荷平衡,不依賴于化石燃料燃燒設(shè)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(fēng)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(shù)

崔屹表示,市場上有幾種類型的可充電電池技術(shù)。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(jī)構(gòu)和維護(hù)國家電網(wǎng)的其他利益相關(guān)者的實用性。

例如可充電鋰離子電池,可以存儲手機(jī)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(shù)在其工作壽命中的成本將是錳氫電池成本的五倍。”

Wei Chen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。

“我們在自然能源的研究報告的突破有可能符合美國能源部電網(wǎng)規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)。”他說。

但這種錳氫電池原型需要開發(fā)研究進(jìn)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(guān)鍵化學(xué)反應(yīng),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(tuán)隊已經(jīng)在研究成本更低的方法來誘導(dǎo)硫酸錳和水進(jìn)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(dá)到美國能源部的低于每千瓦時100美元的目標(biāo)。”

研究人員報告說,可以對錳氫電池原型進(jìn)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(shù)許可辦公室尋求申請專利,并計劃組建一家公司將該技術(shù)實現(xiàn)商業(yè)化。

原標(biāo)題:美國能源部促進(jìn)儲能開發(fā) 加快水基錳氫電池研究進(jìn)程
 
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