当今储能系统ESS的技术新趋势分析

世界著名的工业控制产品制造商-美国C3CONTROLS在其技术白皮书中分析了当今储能系统ESS的技术新趋势，以下为节选内容。

【资料图】

原始形式的电不能以任何规模存储，但通过使用储能系统 (ESS)，它可以转换为其他形式的能量进行存储。这些形式的能量可以在需要时重新转换为电能。

储能系统提供了广泛的技术方法来管理我们的电力供应，以努力创建更具弹性的能源基础设施并为公用事业和消费者节省成本。当前的电力存储系统技术包括电池、飞轮、压缩空气、抽水蓄能等。今天，所有这些系统在它们可以存储的总能量方面仍然有限，但研究继续快速改进这些技术。

美国电网建立在电力供应与消费者需求之间的微妙平衡之上。帮助平衡电力供需波动的有效方法是在高产量和低需求时期储存电力，然后在低产量或高需求时期将其释放回电网。

在这里，我们将讨论电力存储如何为我们所有人提供可靠性、经济和环境效益。根据其部署的程度，电力存储可以帮助美国电网更有效地运行，减少高峰需求期间停电的可能性，并允许使用更多的可再生资源。

对电力存储的需求不断增长

自发现电以来，许多研究人员和科学家一直在寻找有效的方法来储存能量以供按需使用。在过去的 100 年里，储能行业不断发展和创新，以应对不断变化的电力需求和技术进步。

今天，美国的消费者每天 24 小时都在用电。无论我们醒着还是睡着，我们对电力的需求都是持续不断的。美国消费者倾向于理所当然地认为获得为设备、电器、工具、机器、车辆以及我们日夜使用的所有东西供电所需的能量是多么容易。

然而，当下比如电动汽车的迅速普及给电网带来了更大的压力，需要满足更大的电力需求。此外，鉴于对电网的重大影响，可再生能源市场（如太阳能、风能等）的技术进步和增长一直是储能需求的重要驱动因素。

储能技术

电力部门的一个主要特征是可以产生的电力水平在短时间内是可以固定的。相反，电力需求全天波动。开发存储电能的技术，以便在需要时随时满足需求，这代表了电力分配方式的重大变化。

储能系统

储能系统 (ESS) 旨在管理需求最大的高峰时段为客户供电所需的电力水平——最终将有助于更顺畅地使用可再生能源，并更容易将其注入配电系统。

ESS 还将帮助平衡微电网，以实现发电和负载之间的稳定平衡。储能系统可以提供频率调节——将整个系统的频率保持在 60 Hz，这一点至关重要。这维持了网络负载和产生的功率之间的平衡。此外，ESS 的部署还可以为高科技工业设施提供更可靠的电力供应。储能和电力电子技术为电力行业的转型带来了令人鼓舞的前景。

高压电力电子

开关、控制器和逆变器等高压电力电子设备可以快速、精确地控制电力，以支持长距离传输。这些高压设备将使系统更有效地运行并更快地有效响应干扰。另一个正在解决的主要挑战是降低储能技术和电力电子设备的成本，以加快市场接受度。

美国能源部储能计划

美国能源部电力办公室 (OE) 制定的储能计划(ESP)对各种储能技术进行研究和开发。这一广泛的技术基础包括电池（传统和先进）、电化学电容器、飞轮、电力电子、控制系统以及用于存储优化和尺寸调整的软件工具。ESP 与行业合作伙伴密切合作——它的许多项目都是高度分摊成本的。

储能计划ESP 为公用事业和国家能源部门提供了合作设计、采购、安装和调试规模高达几兆瓦的主要开创性存储装置的机会。它还支持对存储技术的技术和经济性能的分析研究，以及对储能系统组件和操作系统的技术评估。

增强型储能可以为电力行业及其住宅客户以及工业制造公司和商业企业带来多重好处。这些好处将包括改善电能质量和向客户可靠地输送电力——并将提高输配电系统的稳定性和可靠性。

储能计划ESP 鼓励公用事业公司改造现有设备以推迟或消除昂贵的升级——提高可用性并增加分布式电源的市场价值。ESP 为公用事业和供应商提供更高的可再生能源发电价值，并通过更高的容量以及传输支付延期来降低成本。

ESP 还致力于通过研究液流电池的先进电解质、低温钠电池的开发以及具有改进的电化学性能的纳米结构电极来提高储能密度。在电力电子领域，碳化硅、氮化镓等新型高压、大功率、高频、宽带隙材料的研究正在推进。此外，对使用高级磁性元件、高压电容器、封装和高级控制以显着提高功率密度和性能的高级电源转换系统的研究正在进行中。

能源地球计划

Energy Earthshots Initiative 是美国能源部制定的另一项计划，旨在在十年内加速突破更丰富、负担得起和可靠的清洁能源解决方案。实现 Energy Earthshots Initiative 将帮助美国解决解决气候危机、发展清洁能源经济以及更快实现到 2050 年净零碳排放目标的最严峻的障碍。

美国能源部DOE – 长期储能 Earthshots

Long Duration Storage Energy Earthshots (LDSEE) 制定了一个目标，即在十年内将持续时间超过 10 小时的系统的电网规模储能成本降低 90%。储能有可能加速电网的完全脱碳。

目前正在安装较短持续时间的存储以支持当今的可再生能源发电水平。随着越来越多的可再生能源部署在电网上，需要更长持续时间的存储技术。更便宜和更高效的存储将使捕获和存储可再生清洁能源更加可行，以便在能源生产不可用或低于需求时使用。

例如，白天产生的可再生能源（如太阳能发电）可以在夜间使用，或者当需求增加时可以使用在低需求时期产生的核能。LDSS 将考虑所有类型的技术——电化学、机械、热、化学载体或任何有可能满足电网灵活性所需持续时间和成本目标的组合。

资金

美国能源部的几个办公室开展储能活动，总统的 2022 财年预算申请包括用于这些活动的总计 11.6 亿美元，通过储能大挑战横切面进行跟踪。在等待拨款之前，美国能源部预计会有资金机会和其他活动来帮助推进实现 LDSS 目标的进展，这与美国能源部的储能大挑战路线图一致。

实现净零碳排放的目标

长期地球储能计划(LDSS) 目标是到 2035 年实现电网净零碳排放以及到 2050 年整个经济体实现净零碳排放目标的关键。储能可以加强对电力系统的本地控制，并为电力系统建立弹性经常停电或可能无法接入电网的社区。开发技术和制造以达到 LDSS 成本目标也将在美国建立一个新的存储产品制造业。

由于太阳能和风能技术的成本迅速下降，可变可再生能源份额的增加将成为未来的标准。电动汽车的使用正在加速交通部门脱碳的努力。

需要在电力部门提供不间断输出的同时适应可变能源供应是一个可以实现的目标。将可再生能源（如太阳能、风能和其他可再生资源）整合到最终使用部门的努力已经显示出巨大的潜力，以及电力储存对于实现深度脱碳的至关重要性。

基于快速改进的电池和其他技术的电力存储将允许更大的系统灵活性，随着可变可再生能源的份额不断增加，这是一项关键资产。电力存储可以使以电动汽车为主的交通部门成为可能，实现有效的 24 小时离网太阳能家庭系统，并支持 100% 可再生微型电网。

国际预测

国际可再生能源署（IRENA）在报告《电力储存和可再生能源：成本和市场》中分析了固定应用中一系列电力存储技术的当前成本和性能，以及到 2030 年的成本降低和性能提升潜力到 2030 年。”

该报告得出的结论是，到 2030 年，总电力存储容量在能源方面可能会增加两倍。随着可再生能源的迅速采用，这应该足以在不到 15 年的时间内将可再生能源在全球能源结构中的份额翻一番。电池电力存储可能增长 17 倍，电池存储技术的成本可能下降高达 66%。

这项研究表明，电池储能系统具有巨大的部署和降低成本的潜力。到 2030 年，总安装成本可能下降 50% 至 60%，电池成本下降更多。这一切都是由制造设施的优化，以及更好的组合和减少材料的使用所驱动的。

储能系统技术

储能系统 (ESS) 提供了广泛的技术方法来管理我们的电力供应，以创建更具弹性的能源基础设施并为公用事业和消费者节省成本。下面讨论目前在世界各地部署的各种方法。

电池储存

自亚历山德罗·伏特 (Alessandro Volta) 于 1800 年发明第一块电池以来，科学家和研究人员让我们了解了电的工作原理。在最基本的层面上，电池是由一个或多个电化学电池组成的装置。在这些细胞内，发生化学反应，在电路中产生电子流。电子的这种流动活动提供了所需的电流。这包括先进的化学电池、液流电池和将储存的化学能转化为电能的电容器。

电池类型

每种类型的电池都有正极（阴极）、负极（阳极）和一种与它们发生化学反应的电解质。这个过程对所有电池都是通用的，但不同类型的电池储存能量的方式不同。我们今天使用的最常见的可充电电池类型是锂离子电池和铅酸电池。

铅酸电池

铅酸电池已有 170 多年的历史，是现存最古老的可充电电池。每个 12 伏铅酸电池包含六个电池——每个都有一个正极端子、一个负极端子以及硫酸和水的混合物。化学反应导致硫酸分解成储存在每个电池内的水，以稀释酸。在使用电源期间，电池中的酸会耗尽。当电池发电时，它也在放电。

为电池充电时，过程相反，电池的充电会恢复酸性分子。简而言之，这个过程就是能量的储存。然后，储存在酸中的能量被转化为电能以供使用。虽然有许多不同类型的铅酸电池，但它们都使用相同的化学储能过程。

锂离子电池

如前所述，所有电池都有阴极和阳极。在锂离子电池的情况下，阴极和阳极能够储存锂离子。当锂离子通过电解质从阴极移动到阳极时，能量被储存和释放。与所有使用相同化学反应的铅酸电池不同，锂离子电池有许多不同的化学成分。

钠硫 (NaS) 电池

钠硫 (NaS) 电池已经使用了 25 年，虽然价格昂贵，但已经很成熟。钠硫NaS电池以及相关的锂硫电池采用廉价且丰富的电极材料。它是第一个碱金属商用电池，正极使用液态硫，β-氧化铝固体电解质 (BASE) 陶瓷管。

超级电容

电容器将电能存储在由半导体隔开的两个金属板上，并在放电时恢复电能。超级电容器非常大，用于在大电流和短持续时间下进行频繁充电和放电循环的能量存储。通过使用特殊的电极和电解质，它们已经发展并跨入了电池技术领域。超级电容器可以非常快速地充电和放电，这在给电动汽车充电时是有利的。

氧化还原液流电池

氧化还原液流电池 (RFB) 电池开发于 1970 年代，具有由膜隔开的两种液体电解质，形成正半电池和负半电池，每个半电池都有一个电极，通常是碳。它们通过跨膜的可逆还原氧化反应进行充电和放电。在充电过程中，离子在正极被氧化（释放电子），在负极被还原（吸电子）。这意味着电子从正极的活性物质（电解质）移动到负极的活性物质。放电时，过程相反，能量被释放。

储热

热存储系统使用加热和冷却方法来存储和释放能量。例如，熔盐储存太阳能产生的热量，以便在没有阳光时使用。建筑物中的冰储存减少了运行压缩机的需要，同时提供数小时的空调。其他系统使用冷冻水和可调度的热水器。在所有情况下，多余的能量都会为存储系统充电（加热熔盐、冻结水等），然后根据需要释放。

机械存储

机械存储系统可以说是最简单的，利用旋转或重力的动能来存储能量。主要选择是带飞轮和压缩空气系统的储能装置。

电力使飞轮加速，能量通过飞轮保存为动能。当需要能量时，飞轮的旋转力用于转动发电机。一些飞轮可以达到每分钟 60,000 转的转速。电力用于将空气压缩至每平方英寸 1,000 磅，并将其储存在地下洞穴中。当电力需求高时，压缩空气被释放通过膨胀涡轮发电机发电。

抽水蓄能

抽水蓄能是水电储能的一种。它是两个不同高度的水库的配置，可以发电。当水从一个向下移动到另一个时，它会通过涡轮机。然后系统需要电力，因为它将水泵回上部水库或重新充电。基于大型水库的抽水蓄能系统已得到广泛实施，成为最常见的公用事业规模蓄能形式。

储氢

电能通过电解转化为氢气。然后氢气被储存并最终重新通电，但今天的往返效率低于其他储存技术。与电池或抽水蓄能和压缩空气储能 (CAES) 相比，由于储能容量高得多，人们对氢能储存的兴趣正在增长。

重力势能

引力能是一个大质量物体由于重力而相对于另一个大质量物体具有的势能。它是与重力场相关的势能，当物体相互坠落时，势能被释放或转化为动能。当两个物体分开得更远时，势能会增加。

下一步是什么？

即使新技术不断涌现，ESS 仍需克服许多障碍才能达到未来所需的储能水平。不断发现管理我们的电源的新方法正在创建一个更具弹性和更高效的能源基础设施，这将为公用事业和消费者带来成本节约。太阳能、风能和其他可再生资源成本的迅速下降将在为我们不断增长的需求提供必要的电力方面发挥主导作用。

储能控制产品

随着电网的变化和改进，储能系统将在住宅、商业/工业和逆变器/电池等各个层面对电气控制产生更大的需求。低压电气控制，包括交流电 (AC) 和直流电 (DC)，对于有效的储能系统至关重要。

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