电池存储系统日益先进,全球研发速度更是前所未有,这项令人兴奋的技术前景如何?以及如何影响未来的能源规划?

可再生能源的崛起速度继续加快,但仍有一系列障碍需要克服。其中最大的挑战之一是在供需波动期间如何平衡电网。换句话说,如果没有日光或无风可吹,可再生能源发电会出现什么情况?

现在我们已经有了一个正在改变全球发电项目的解决方案:电池存储。

毕马威会计师事务所表示,广泛而快速推广间歇性可再生能源(太阳能光伏和风能),正促进全球电力系统的现代化发展[1]。电池存储系统的开发、引入和发展是现代化计划的关键部分。

特斯拉的千兆工厂:2014 年 6 月,特斯拉在美国内华达州斯帕克斯市郊外破土兴建千兆工厂。2018 年中期,千兆工厂 1 期的电池年度产量达到约 20 GWh,使其成为全球产量最高的电池厂(资料来源:tesla.com)

 

得益于电动车制造需求激增[2],大规模装置存储可再生能源技术的不断发展,作为传统电力供应的后备之选,电池存储成本急剧下降。与此同时,电池存储系统的容量和性能呈指数级增长。

RIVIAN 电动车系列的“滑板”平台采用经济实用的压缩存储和低重心技术。

 

2018 年洛杉矶车展,电动车初创公司 RIVIAN 因推出 R1T 备受关注,这是一款电力轻型货车,一次充电最多可行驶 645 公里。为了改变电动车的固有模式,RIVIAN 相信每一次旅程都应该在人类生命中留下痕迹,而不是地球,所以他们开发车辆和技术,走出去探索世界。在位于加利福尼亚州尔湾的电池中心,他们凹凸不平的“滑板”平台专为此而设计,电池在轴距之间悬挂得很低。

有三款电池适用于 R1T:180 kWh 电池(范围:645 公里),135 kWh 电池(范围:490 公里)和 105 kWh 电池(范围:370 公里)。使用直流快速充电器,只需 50 分钟即可充电至 160 kWh。

 

彭博新能源财经的欧洲、中东和非洲地区主管 Seb Henbest 说:

“廉价电池存储的到来意味着风能和太阳能供电的可能性越来越大,即使没有风和日光,这些技术也有助于满足需求。结果将是可再生能源将挤占更多现有的煤、天然气和核能市场份额[3]”。

智利的一个开发项目极具开创性,并且已经将这些预言变成现实。Fotowatio 可再生能源投资公司 (FRV) 隶属于安利捷能源公司,目前正在研发具有集成电池存储功能的 540 GWh 太阳能风能混合项目,极具突破性。

该项目是 FRV 在拉丁美洲的第三个项目,也是该公司首个风能太阳能混合项目和第一个使用电池存储的项目,使其能够每周 7 天每天 24 小时提供可再生能源。

如果天气条件不适合太阳能或风力发电,电池自动接入电网,释放存储的可再生能源,始终不间断供应可再生能源FRV 首席执行官 Daniel Sagi-Vela 解释说。

类似的创新正在转变全球可再生能源项目的可持续性,其中包括日本的东急不动产公司、三菱日联租赁公司和金融及绿色电力开发公司,这三家公司正在北海道钏路町建设 92 MW 太阳能发电厂(25 MWh 锂离子电池)[4]

 

 

 

 

电池存储的目前位置

国际咨询公司麦肯锡的专家坚信毫无疑问,存储时代即将来临[5]

彭博新能源财经预计到 2050 年,5,480 亿美元将投资到先进的电池容量技术,其中 41% 投向亚太地区,1,680 亿美元流入欧洲[6]

彭博新能源财经还估计 1,291 GW 新增容量中,有三分之二容量属于电网级,剩余 33% 来自家庭和企业的私人装置[7]

在这种背景下,电池存储技术成为全球争相报道的头条新闻,也就不足为奇。部分原因是由于埃伦·马斯克及其公司特斯拉的宣传。2017 年,该公司向南澳大利亚州的霍恩斯代尔储能系统交付了当时全球最大的锂离子电池。马斯克先生接受的可是一场备受瞩目的豪赌,要么在短短 100 天内交付电池,要么放弃任何项目付款,分文不取。

南澳大利亚州霍恩斯代尔储能系统的电池。

 

该电池储存了霍恩斯代尔风电场风力涡轮机的多余能源[8],24 小时内容纳的电力足以满足 8,000 个家庭的用量,或者在停电期间为超过 30,000 个房屋供电一小时[9]。在运营的第一个月内,该电池在两个不同场合展示了其自身价值。2017 年 12 月,维多利亚州 Loy Yang 火电厂发生停电事故,电池仅用了 140 毫秒就做出了响应[10]。澳大利亚国家能源部长 Tom Koutsantonis 直接拿多仑斯岛电厂进行比较,多仑斯岛电厂需要半小时到一个小时才能蓄能同步进入市场[11]

如果电力需求超过发电量,替代能源必须提供平衡,这是能源供应的基本法则。然而,即使是蒸汽涡轮机的传统发电厂也需要 30 秒才能起效[12]。因此,虽然特斯拉的电池响应速度远远超过多仑斯岛电厂,但在德国电网使用的电池存储解决方案具有明显优势,40 毫秒内将输出功率从 0 增加到 100%[13]。作为南澳大利亚州 10 亿美元可再生能源计划的一部分,英国亿万富翁山吉夫‧古波塔已经计划安装一块比特斯拉更大的电池[14]

与此同时,墨西哥的首块电网级电池已作为备用电源安装在 130MW 微电网中,该电网为蒙特雷的一家汽车厂提供服务。“我们需要非常迅速的反应速度,”电池开发商 Arroyo Energy 总裁 Matt Ginzberg 说[15]

成功的经济性

但是,相比基于电池发电的性能速度,经济方面的问题同样重要。

在能源领域,任何能够达到大规模部署的新开发项目都需要有利的经济格局。随着技术的进步,电池存储的经济性已不容忽视。对于每个充放电周期,电网规模的电池需要 200 美元/兆瓦小时才能实现收支平衡。但是,到 2020 年,这个数字就会降至 100 美元以下[16]彭博新能源财经 2018 年 7 月发布的报告指出。

根据 2015 年落基山研究所 (RMI) 开展的一项研究“电池能源存储的经济性”,一个装置只有具备多功能,能源存储才会有意义。然后,就能转化为多个收入来源或避免成本信贷(如下所示)。

因无需建造每天仅运行几个小时的“峰化器”工厂,电池存储系统的安装也可以节省大量成本[17]。有人指出,总额使得基于电池电厂的前期成本更加有利可图[18]

正是这种双赢组合促使纽约州官员制定了到 2025 年部署 1,500 MW 能源存储的目标[19]。这相当于纽约州所有家庭 20% 的电力需求。其规划将能源存储定位于纽约能源领域动态变化的前沿地带”,且受益匪浅[20],其中包括:

  • 未来 10 年,CO2 减排 100 万吨
  • 到 2030 年,在存储领域创造 30,000 个就业岗位
  • 随着可再生能源占该州能源结构的比例越来越大,满足高峰需求的能力激增

海水淡化脱盐厂更加环保的未来

可再生能源和电池存储解决方案组合还有可能推动其他行业的可持续发展,这些行业对“生活基础设施”至关重要,例如供水。

提高海水淡化脱盐厂可持续性和商业可行性面临诸多挑战,电力是其中最棘手的一个。传统的热能海水淡化脱盐厂消耗大量能源,导致碳排放量居高不下。即使采用太阳能或风能等可再生能源解决方案,也不能保证每周 7 天/每天 24 小时供电,因此,仍然需要使用石油或燃气涡轮机填补可再生能源供应的缺口,碳排放量惊人。

新一代反渗透海水淡化厂比热能海水淡化厂更节省能源,实际效率达到 10 倍,但全天候的可再生能源依然是个难题。

但是,通过可再生能源和电池存储解决方案组合,如同 FRV 在智利开创的项目,就有可能全天候不间断为海水淡化脱盐厂提供可再生能源。

这不仅实现海水淡化脱盐过程的碳平衡,还能节省大量石油用于出口,而非用石油为海水淡化脱盐厂提供动力,尤其是耗电巨大的火电厂。

可再生能源解决方案在定位海水淡化脱盐厂方面也将提供更大的灵活性安利捷能源公司旗下 Almar Water Solutions 首席执行官 Carlos Cosin 说。海水淡化脱盐厂无需建在传统电厂的附近。选址可以更加接近那些缺水的城镇

助推私人能源革新

显而易见,电池存储的进步可能会重新定义能源和海水淡化脱盐行业,但从中受益的绝非仅限于大规模基础设施发展和公共系统。

在住宅层面,电池存储改变能源使用的潜力数据喜人,领跑行业,前景十分乐观,个人通过太阳能电池板和家用电池存储设备就能全天候为家庭供电。

麦肯锡给予家用电池存储积极正面的评估。最终,对于高成本市场中的一些客户来说,将太阳能与存储和小型发电机(称为全电网缺陷)相结合,无需几十年,在未来几年内就会产生经济性[21]

该承诺在南澳大利亚州初见成效,正在 50,000 个家庭安装太阳能电池板和电池[22]。在远东,作为日本迈向住房零能源标准的一部分,日本国家公用设施及电网运营商之一东京电力控股公司(TEPCO)计划为客户家庭提供太阳能光伏电池储能[23]

不同技术和大量研发已围绕电池展开[24]FRV 首席执行官 Daniel Sagi-Vela 说。凭借电池存储,安装在屋顶上的太阳能电池板就能为屋内所有电器供电,包括空调。在不使用电器或设备的时候,电池就会自动充电

2018 年 5 月,电池成为这种思路的关键部分,并推动加利福尼亚州在 2020 年前成为美国第一个在全部新房和低层公寓楼安装太阳能电池板的州[25]。与此同时,在加拿大新斯科舍省,新斯科舍省电厂计划利用电池电力帮助其在 2020 年实现 40% 可再生能源目标。

作为探索试验的一部分,电厂已在 10 个客户家庭安装高容量电池。电池连接到由风力涡轮机部分供电的电线。新斯科舍省电厂高级项目经理 Jill Searle 将此举描述为“颠覆者”。她说:新斯科舍省电厂致力于为客户提供可靠的永不断电服务,就此而言,电池存储技术就是下一个重大目标[26]

德国家庭也采用类似的方式,可以购买基于电池存储的电源组件,包括光伏系统和 4.4 KW/h 的存储设备,可满足小家庭傍晚和夜间数小时的电力需求[27]

占据沙特阿拉伯全新未来的核心位置

人们普遍认为,电池储存设施的引入将颠覆“生活基础设施”至关重要的行业,例如电和水。

沙特阿拉伯阿卜杜‧拉提夫能源公司首席执行官、高级常务董事兼安利捷投资公司董事会成员 Omar H. La Madhi,目前正引领其组织在沙特阿拉伯努力开创这一激动人心阶段的新疆界,汇集全球知识。他在安利捷能源公司和 FRV 拥有一支经验丰富的领导团队,致力于为沙特阿拉伯和更广泛的 MENAT 地区创造一个更清洁、更健康的未来。

在太阳能光伏、风能和水解决方案方面,通过将电池存储与安利捷能源公司的卓越可再生能源供应相结合,沙特阿拉伯可以实现转型变革,将自己定位成 21 世纪全球可再生能源市场的战略巨头,并在未来很长一段时间稳居这一地位

Al Madhi 先生的雄心壮志与沙特阿拉伯 2030 年愿景计划的既定目标保持一致,沙特阿拉伯 2030 年愿景计划强调通过保护我们的环境和自然资源,履行我们的伊斯兰、人道和道德义务[28]。在进一步表明沙特阿拉伯乐于支持电池存储解决方案等新技术进步方面,该计划补充表示:

保护不仅是我们为子孙后代肩负的责任,也是我们日常生活质量的关键。减少各种污染,保护我们的环境

事实上,我们即将迈入 21 世纪的第三个十年,电池存储注定将在世界能源结构中发挥越来越重要的整合作用。出于环境、效率和经济原因,曾经被广泛忽视的技术目前正成为电网规模电力和私人住宅的关键支持机制,并为汽车行业提供令人激动的新可能。安利捷希望借此机会成为这场最新能源变革的中心,因为我们将继续努力为所有人创造更美好的未来。

[1] Electricity Storage Insight, KPMG, 2016

[2] New Energy Outlook 2018, Bloomberg NEF, 2018

[3] New Energy Outlook 2018, Bloomberg NEF, 2018

[4] Japan’s Largest-scale Battery-equipped Solar Plant to Be Built in Hokkaido, Solar Power Plant Business, 6 September 2017

[5] Battery storage: The next disruptive technology in the power sector, McKinsey & Company, June 2017

[6] New Energy Outlook 2018, Bloomberg NEF, 2018

[7] New Energy Outlook 2018, Bloomberg NEF, 2018

[8] Tesla’s enormous battery in Australia, just weeks old, is already responding to outages in ‘record’ time, The Washington Post, 26 December 2017

[9] Elon Musk just met his 100-day deadline on a $50 million bet and Tesla’s giant battery is ready to roll, Business Insider Australia, 23 November 2017

[10] Elon Musk’s massive backup battery took just 140 milliseconds to respond to crisis at power plant, International Business Times, 25 December 2017

[11] Elon Musk’s massive backup battery took just 140 milliseconds to respond to crisis at power plant, International Business Times, 25 December 2017

[12] Distributed Energy: Innovation in solar, PwC, 15 August 2016

[13] Distributed Energy: Innovation in solar, PwC, 15 August 2016

[14] Sanjeev Gupta: $1bn South Australia renewable energy plan will mean cheaper power, The Guardian, 15 August 2018

[15] Mexico Gets Its First Grid-Scale Battery – at a Car Factory, Green Tech Media, 17 December 2018

[16] There’s a Hidden Battery Play in the ‘Extremes’ of Power Prices, Renewable Energy World, 31 July 2018

[17] Hyundai building 150 MW energy storage battery in South Korea, Digital Journal, 7 December 2017

[18] Hyundai building 150 MW energy storage battery in South Korea, Digital Journal, 7 December 2017

[19] New York unveils roadmap to 1.5 GW storage by 2025, Utility Dive, 21 June 2018

[20] New York State Energy Storage Roadmap and Department of Public Service / New York State Energy Research and Development Authority Staff Recommendations, 21 June 2018

[21] Battery storage: The next disruptive technology in the power sector, McKinsey & Company, June 2017

[22] Tesla Tapped by Australia for Solar-plus-Storage Virtual Power Plant Plan, Renewable Energy World, 5 February 2018

[23] Renewable retail plans from Japanese utility TEPCO include home battery rollout, Energy Storage News, 5 April 2018

[24] The Business Breakfast, DubaiEye 103.8, 17 January 2018

[25] California poised to be first state to require solar panels on new homes, The Guardian, 9 May 2018

[26] Nova Scotia Power Engages Eager Elmsdale Residents to Test Intelligent Feeder Pilot Project, Nova Scotia Power, 8 February 2018

[27] “电力存储洞察”,毕马威,2016 年

[28] Vision 2030, Kingdom of Saudi Arabia