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近日，德國紐倫堡赫爾姆霍茲可再生能源研究所的I.M. Peters教授在Joule上以“The role of batteries in meeting the PV terawatt challenge”為題對此問題進行了系統(tǒng)解答。文章討論了固定式電池作為支持技術(shù)在擴大光伏發(fā)電的部署方面的潛在作用。文章從性能指標、經(jīng)濟和生態(tài)因素等方面探討電池如何能夠最好地支持光伏發(fā)電。通過研究發(fā)現(xiàn)，電池容量適度的增加在靈活性、成本和環(huán)境影響之間提供了一個很好的折衷方案。作者認為，要使電池在能源轉(zhuǎn)換中成為光伏發(fā)電的有力伙伴，需要延長電池的壽命，降低系統(tǒng)的成本，以及高效的回收利用機制和強有力的支持性監(jiān)管體系。

研究背景

“太瓦級挑戰(zhàn)”一詞是2003年由理查德·E·史密利提出的，他將其描述為“可以適應(yīng)我們的能源基礎(chǔ)設(shè)施，同時解決石油資源減少和大氣中CO2含量上升的問題”的計劃。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，需要布局太瓦級的太陽能光伏和風(fēng)能，并涉及到能源基礎(chǔ)設(shè)施的重大轉(zhuǎn)型。盡管預(yù)計風(fēng)能和太陽能發(fā)電能力將擴大并成為全球發(fā)電的最大貢獻者，但必須有輔助的技術(shù)來簡化可再生能源的轉(zhuǎn)化利用。

目前已經(jīng)有多項研究討論了如何達到可再生能源貢獻水平很高的方案，并提出了不同的策略。從技術(shù)上講，任何在空間或時間上轉(zhuǎn)移能源的機制，都可以用于實現(xiàn)本地或全球100%的可再生能源貢獻。但是，使用單一機制將會導(dǎo)致既不利于生態(tài)，也不利于經(jīng)濟或可持續(xù)發(fā)展。因此，具有高可再生能源貢獻的方案可以與其他方案一起實施。相反，這意味著不存在必要的或不可替代的特定技術(shù)。特定技術(shù)（如能量存儲器）的貢獻不是固定的，而是存在一個范圍，其內(nèi)在由技術(shù)、經(jīng)濟和生態(tài)表現(xiàn)定義，外在由監(jiān)管體系等因素限制。作者從技術(shù)、經(jīng)濟和生態(tài)的角度，對支持光伏發(fā)電能力發(fā)展的電網(wǎng)規(guī)模級電池儲存的機遇和挑戰(zhàn)提出了自己的看法。電池的建設(shè)性使用意味著它們能夠以低成本和低碳排放量的方式，從可再生能源中獲得更多的電力。
全文解析

1、電池作為太瓦級光伏發(fā)電的推動者

為了理解光伏-電池系統(tǒng)的基本特性，作者開發(fā)了一種簡化的方案。在這個方案中，僅關(guān)注電池對改善太陽能資源和恒定負載之間的匹配性的能力。能夠在匹配的情況下提供最大改善的電池容量，將被稱為參考容量。

同時安裝光伏面板和電池，可以將高產(chǎn)量時期產(chǎn)生的電力進行儲存并轉(zhuǎn)移到低產(chǎn)量或無產(chǎn)量時期。這種轉(zhuǎn)移通過平滑振蕩來改變光伏-電池系統(tǒng)功率輸出的變化幅度。為了說明這種變化，作者定義了均勻性因子U，由下式給出：



2、經(jīng)濟方面的考慮

對于使用電池儲能的最大擔(dān)憂之一是它增加了電力生產(chǎn)的成本。成本影響主要取決于所使用的電池的容量。作者認為，從系統(tǒng)架構(gòu)的角度來看，低于4kWh/kWP的電池容量是合理的。其中，安裝成本是最重要的經(jīng)濟因素。這些成本限制了經(jīng)濟上可行的存儲容量。第二個重要經(jīng)濟因素是電池壽命。電池壽命決定了系統(tǒng)中更換電池的速率，同時這也具有生態(tài)意義。

作者使用模型計算了平均能源成本（LCOE），結(jié)果如圖2所示，使用圖1中每個城市的實際電池容量，安裝成本分別為200美元/千瓦時和350美元/千瓦時，使用壽命分別為15年和30年。圖中還顯示了每個城市的公用事業(yè)規(guī)模純光伏裝置的LCOE值（藍色）和當(dāng)前家庭用電成本（棕色）。
3、生態(tài)方面的考慮

除了增加成本外，電池還將增加光伏系統(tǒng)對生態(tài)的影響。電池生產(chǎn)需要能源和資源，而廢舊電池會產(chǎn)生污染物。在增加電池容量時也應(yīng)考慮這些方面。作者研究了電池的加入對全球變暖可能性（GWP）和光伏電池系統(tǒng)的能量回收（EP）時間所產(chǎn)生的影響。研究得到的GWP如圖3的上半部分所示。圖中顯示兩種不同的電池-光伏系統(tǒng)的GWP值，一種是不更換電池（電池壽命為30年），另一種是更換電池（電池壽命為15年）。同時還顯示了2019年德國和科羅拉多州以及2018年新加坡的碳排放強度數(shù)據(jù)。盡管與純光伏系統(tǒng)對比，電池的加入增加了光伏系統(tǒng)的GWP值，但是光伏-電池系統(tǒng)的碳排放強度仍遠低于當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)中的排放強度。EP時間指的是能源系統(tǒng)所產(chǎn)生的能量與構(gòu)建其所需要用的能量相抵消時所需要的時間。光伏系統(tǒng)的典型EP時間在半年到兩年之間，具體取決于技術(shù)和所在位置。圖3的下半部分顯示了純光伏系統(tǒng)和光伏-電池系統(tǒng)（電池壽命分別為15年和30年）的EP時間。與僅使用PV的系統(tǒng)相比，在此示例中引入電池使EP時間增加了25％至60％。
4、電池老化的影響

電池老化是一個復(fù)雜的過程，會導(dǎo)致容量的衰減和內(nèi)部電阻的增加。如圖4展示了老化將會如何影響電池的自給自足。作者設(shè)計了一個簡單的容量衰減模型，在30年的使用壽命中，年衰減率恒定在0％至10％之間。在使用時，電池只能在低倍率和/或中等電流密度下運行。因此，在隨后的考慮中，作者假定內(nèi)阻增加帶來的影響很小。
衰減模型的結(jié)果如圖5所示。隨著容量衰減率的增加，均勻系數(shù)減?。▓D5A，上半部分），均勻系數(shù)隨額外電池容量的變化率（圖5A，下半部分）。均勻性的降低表明了容量快速衰減帶來的嚴重后果。盡管參考容量沒有受到太大影響，但電池在其使用壽命期間轉(zhuǎn)移能量的能力受到很大影響，同時也會對可再生能源在電網(wǎng)中的利用產(chǎn)生影響。為了使這一特性更加具體，作者在圖5B中繪制了不同衰減率下的電池容量和均勻系數(shù)關(guān)系圖。參考容量同樣由均勻系數(shù)隨電池容量的最大變化給出，并在圖5A中用點標記。對于較小的衰減率，容量的減少可以通過使用較大的電池來補償，并且在很大程度上可以保持均勻性。一旦衰減率超過2%至3%，這種補償將失效，均勻性開始下降。而當(dāng)衰減率非常大時，參考容量會保持不變，甚至下降。這種特征轉(zhuǎn)化為電池衰減對LCOE、GWP和EP時間的影響。雖然可以保持均勻性，但這三個數(shù)值都會隨著容量的降低而增加，因為較大的電池可以補償容量的損失。



5、電池-光伏系統(tǒng)所面臨的阻礙（技術(shù)阻礙、經(jīng)濟阻礙、政策法規(guī)的阻礙）

技術(shù)阻礙

盡管采用固定式電池并沒有根本的技術(shù)障礙，但在組件和系統(tǒng)層面上，其性能仍有待提高。電池發(fā)展的趨勢將是交通工具的持續(xù)電氣化。這一趨勢將保證并加速電池技術(shù)的進一步發(fā)展和鋰離子電池產(chǎn)能的擴大（圖6A）。這一趨勢給固定式電池存儲帶來了機遇和挑戰(zhàn)。大容量電池的使用是一個機會，特別是在考慮二次回收使用的情況下，可以探索電動汽車和電池存儲之間的協(xié)同作用，進一步支持可再生能源的開發(fā)。固定式電池面臨的挑戰(zhàn)是，其市場份額低于總電池市場的10％，并且在未來幾年中可能會保持這種狀態(tài)（圖6B）。如果不建立專門為太陽能和風(fēng)能提供可變功率服務(wù)的電池市場，就有可能面臨未針對該應(yīng)用進行優(yōu)化的問題，這可能會損害目標成本和可靠性。

經(jīng)濟阻礙

電池系統(tǒng)的成本將決定其對擴展光伏發(fā)電容量的貢獻。按今天的成本計算，在商業(yè)上電池與光伏裝置一起安裝是可行的。降低電池系統(tǒng)成本將進一步提高光伏電池系統(tǒng)的競爭力，并促進更多的電池存儲項目或光伏-電池組合項目。圖7顯示了不同存儲技術(shù)的發(fā)展曲線。黃色帶標記的范圍在500GWh和20TWh之間的電池容量，足以在幾個小時內(nèi)支持多個太瓦級的光伏系統(tǒng)。藍色帶顯示了行業(yè)專家和學(xué)者的預(yù)測范圍。如前所述，一些研究指出了降低成本的實際限制。這些研究期望發(fā)展曲線趨向于特定技術(shù)的最小值。 政策法規(guī)的阻礙

在德國進行的一項調(diào)查中，有86％的公司表示，他們將監(jiān)管框架視為新電池存儲概念和技術(shù)進入的最大障礙。政策和法規(guī)有時會缺失，有時會阻礙流程，從單一用途到多用途的過渡會變得更加復(fù)雜。盡管法規(guī)是針對特定地區(qū)的，但在許多地區(qū)都可以觀察到類似的趨勢。在其他地區(qū)，缺乏法規(guī)或不連貫的政策是主要障礙。對于以越來越高的速度部署的能源技術(shù)而言，具有挑戰(zhàn)性的監(jiān)管環(huán)境并不罕見，并且電池的狀況反映了光伏技術(shù)的狀況。

總結(jié)與討論

光伏發(fā)電的太瓦級挑戰(zhàn)已成為一項基礎(chǔ)設(shè)施挑戰(zhàn)。當(dāng)過渡到以可再生能源為主要能源時，如何設(shè)計未來的能源系統(tǒng)將擺在人們的面前。達到碳中和的途徑有許多種，涉及到各種技術(shù)：通過傳輸，存儲和負載管理來補充發(fā)電。電池引入了一種機制，可以隨時間分配能量，甚至可以在當(dāng)?shù)貪M足供需需求。此外，電池本質(zhì)上是模塊化的，可以無處不在地部署，并且容量可以自由擴展。此功能使電池不同于抽水蓄能。電池具有其他有利特性，它們能夠支撐電網(wǎng)穩(wěn)定性并能對供電波動和停電做出迅速反應(yīng)。

由于電網(wǎng)具有高度耦合的性質(zhì)，因此對所需的電池沒有確定的數(shù)量要求，所以電池最適合用于支持已安裝的光伏發(fā)電容量的擴展。通過簡單模型分析，作者認為3至4 kWh/kWP的電池容量在使光伏發(fā)電曲線向均勻性過渡方面最有效。相同的容量所產(chǎn)生的電力成本目前約為今天的兩倍，并且到2030年預(yù)計將約為當(dāng)今純光伏系統(tǒng)的電力成本的1.3倍。相應(yīng)的光伏-電池系統(tǒng)的碳排放量是純光伏系統(tǒng)的2至3倍，但仍比當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)的碳排放量低5到10倍，隨著生產(chǎn)中使用更清潔的能源，碳排放量將進一步減少。與僅使用光伏發(fā)電的系統(tǒng)相比，能量回收時間增加了大約50％。

大規(guī)模固定式電池的采用也面臨挑戰(zhàn)。盡管不斷增長的電動汽車市場能夠降低電池組的成本，但這些電池在固定式儲能方面并沒有進行優(yōu)化。此外，固定式電池的BOS成本仍然很高。特別的是，使用壽命長（30年）的電池對于固定式電池的性能很有幫助。電池還面臨著進一步的環(huán)境挑戰(zhàn)，主要包括可持續(xù)的回收利用和原材料的開采以及替代材料和技術(shù)領(lǐng)域的研究。包括鋰和鈷在內(nèi)的金屬開采帶來了環(huán)境和社會挑戰(zhàn)。最后，目前的監(jiān)管壁壘阻止了固定式電池的廣泛使用。在規(guī)章制度有力支持下的廉價耐用的固定式電池會是光伏技術(shù)在應(yīng)對太瓦級挑戰(zhàn)方面的強大同伴。

I.M. Peters, C. Breyer, S.A. Jaffer, S. Kurtz, T. Reindl, R. Sinton, and M. Vetter, The role of batteries in meeting the PV terawatt challenge, Joule 2021, https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.023 

原標題：Joule：電池在應(yīng)對太瓦級光伏挑戰(zhàn)中應(yīng)該扮演什么角色？