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储能科技:用于电网规模储能的锂离子电池替代品

特普生科技 特普生科技 2023-07-07 12 182

本文来源于储能科技,目的在了解关于电池储能防火需要了解的内容。鸣谢自主研制NTC芯片的特普生储能CCS集成温度采集母排,对本文的大力支持,感谢特普生海外技术翻译官林博女士!

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Highview Power 在英国英格兰的液态空气储能 (LAES) 商业演示机。图片:Highview Power

随着化石燃料转型的加速,未来几年全球对电网规模储能的需求将迅速增长。专注于气候和 ESG 的投资银行和咨询集团 DAI Magister 的奥利弗·沃伦 (Oliver Warren)指出,储能有助于满足电网可靠性和弹性的需求,但锂离子电池并不是唯一的选择。

2020年代被世界经济论坛(WEF)称为“交付十年”,被国际可再生能源机构称为“行动十年”,是能源转型的关键十年。然而,为了充分发挥可再生能源的潜力并实现雄心勃勃的能源转型目标,我们必须具备更有效地储存能源的能力。

许多利益相关者将他们的长期存储希望寄托在锂离子 (Li-ion) 电池存储解决方案上,根据 Precedence Research 的数据,该市场预计在 2022 年至 2023 年间每年增长近 20%。

但现实情况是,尽管锂离子电池在实现净零排放的道路上发挥着重要作用,但这项技术既不够强大,也不够通用,无法单独满足储能要求。因此,需要多种替代电网规模解决方案来实现前所未有的存储容量扩展,以抵消我们对锂离子电池的依赖并推动可再生能源转型。

提升产能

根据国际能源署 (IEA) 的数据,要实现全球电力脱碳,到 2030 年,全球储能容量必须增加 40 倍以上,达到 700GW 总量,或约占全球用电量的 25%(每年 23,000 TWh) 。相比之下,这就像将英国的土地面积扩大到美国的土地面积一样。

锂离子电池在当今的电网规模电力存储中也占有类似的地位。2020 年代是能源存储的十年,投资者需要关注替代存储解决方案,这些解决方案可能需要更高的前期资本支出,但可以提供更低的长期平准电力成本和更长的资产寿命。

锂离子电池长期以来被誉为电网规模存储的重要技术,但它既不可行也不可持续。钴提取物是锂离子电池的基本成分,具有剧毒和污染性。有限的钴供应是一个主要问题,特别是考虑到电动汽车电池和备用发电机的需求快速增长。在世界上一些最动荡的地区,例如刚果民主共和国(刚果民主共和国),仅仅依赖锂离子技术也使我们容易受到单一供应链和钴等关键元素的影响。

这并不意味着锂离子电池没有一席之地。锂离子电池最适合取代燃气调峰设备,例如开式循环燃气轮机 (OCGT),并在晚间高峰期间补充抽水蓄能设备。然而,与联合循环燃气轮机 (CCGT) 不同,它们缺乏全天负荷跟踪的能力和持续时间(超过几个小时的下降)。

尽管 PowerUp 和 Twaice 等电池分析公司正在努力解决这个问题,但它们也容易因未能完成完全放电和充电周期而损坏。此外,锂离子电池的使用寿命最多为 10 年,然后需要更换。所有这些因素使得锂离子电池在电网规模上不可行,因此需要使用替代品。

到 2030 年,车辆到电网 (V2G) 技术将能够聚合全球预计超过 1.4 亿辆电动汽车的部分存储容量,可为锂离子电池带来超过 7TWh 的额外能源存储,可以立即获得,但面临与基于电网的锂离子电池类似的限制。

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电池分析公司 TWAICE 正在对电池进行实验室测试。图片:TWAICE

可行的网格规模存储替代方案

不存在单一的杀手级应用程序或技术来完成这项工作。多元化是成功的关键,取决于多种电网规模储能解决方案的广泛采用:

压缩空气/气体储存

新的压缩空气和气体存储技术提供了一种以压缩空气或气体形式存储能量的新方法。与电池等其他形式的能源存储相比,它们可以在更小的空间内存储更多的能量,并且存储时间更长。

意大利初创公司 Energy Dome 发现了一种意想不到的绿色能源存储方式。该公司突破性的长效储能系统将CO 2压缩 成液体并将其存储在一个巨大的加压圆顶中。二氧化碳的密度比空气高,因此可以储存更密集的能量,并且与低温下的液态空气相比,不需要先进的材料和昂贵的隔热材料。

Augwind Energy 是一家以色列科技公司,通过将压缩空气存储在由独特聚合物制成的大型储罐中,对大规模能源存储进行了革命性的变革。该公司的 AirBattery 解决方案仅使用空气和水来安全且经济高效地长期高容量存储能量。

该解决方案使用外部能源(无论是来自电网还是可再生能源)来为水泵提供动力。AirBattery 可以无限循环运行数十年,不会出现性能退化,而且成本极低。

Cheesecake Energy 是一家总部位于英国的衍生公司,其成立于诺丁汉大学进行的热能和机械能存储研究。该公司开发了 eTanker,这是一种新型能源存储系统,可将电力存储为热量和压缩空气。电动机驱动压缩机,将高压空气和热量存储在存储单元中以存储能量。为了发电,相同的压缩机充当膨胀机,驱动发电机。

eTanker 是一种持久(20 多年)且环保的能源存储解决方案,由可回收原材料制成。它可以部署在工业、农业、运输和可再生能源发电等各种静态应用中,取代对锂离子电池的需求。

Highview Power 也来自英国。该公司开发了用于公用事业和配电网络的大型储能系统。Highview 的低成本液-空气储能解决方案采用低温冷却过程来存储能量以供将来使用。

该系统从风能和太阳能等可再生能源中收集能量,并将其作为低温液态空气储存在储罐中。液态空气在需要时被加热,导致储存的能量以气体形式释放。然后,这种气体通过为涡轮机提供动力来发电。

Highview 计划筹集 4 亿英镑(4.835 亿美元),建设世界上第一个商业规模的液体空气储能 (LAES) 工厂,以促进英国的可再生能源发电。在4亿英镑中,该公司打算斥资2.5亿英镑建设一座30MW储能电站,可存储300MWh电力。剩余的 1.5 亿英镑将用于另外四个站点的工程设计。Highview 已经在英国拥有一座 5MW 试点工厂投入运营。

创新的抽水蓄能

创新的抽水蓄能(PHES)利用可再生能源将水从下水库抽到上水库。在高需求时期,水从上游水库释放来发电。这种类型的储能比传统的抽水蓄能更高效、更具成本效益,并且需要更少的土地。

荷兰初创公司 Ocean Grazer 开发了一种独特的海上储能系统,可以部署在发电源处。海洋电池是一种抽水蓄能系统,通过将水来回泵入柔性囊中以不同的压力进行存储,从而存储来自海上风电场的能量。当需要电力时,水从水囊涌回水库,驱动多个水轮机发电。

与现有的大型锂离子电池系统相比,海洋电池的建造成本要低得多,后者需要由海运集装箱制成的大型平台。此外,与锂离子电池的 5,000-10,000 次充电周期相比,海洋电池的使用寿命要长得多,可持续充电次数高达 100 万次。

RheEnergise 开发了一种“高密度水力”系统,可以从山上而不是山脉或坝墙储存和释放电力。与其他系统相比,它的闭环抽水蓄能系统使用无毒、高密度添加剂。这使得它产生的能量是传统抽水蓄能系统的 2.5 倍,同时还减少了环境影响并降低了成本。

高密度水力系统有潜力使英国各地的山坡能够储存国家电力供应的能量,从而大大扩大抽水蓄能的范围和输出。该公司预计到 2024 年其第一个商业系统将投入运行。

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Lumenion热能储存示范项目。图片:Lumenion

热能储存

热能存储的工作原理是将热能以热量的形式存储,通常存储在水、岩石或土壤等材料中。热量以多种方式储存,包括使用相变材料,在特定温度下吸收和释放热量。储存的热量然后可以发电。热能存储可以在能源需求高峰时段或可再生能源不可用时存储来自太阳能、风能或其他可再生能源的多余能源

Lumenion是一家可再生能源存储技术公司,提供大规模储能解决方案。该公司的TESCORE 解决方案是一种高温存储系统,可将波动的风能和太阳能光伏发电存储为热能,几乎无损耗转换。

日本东芝公司、丸红公司和中部电力公司在日本环境省的支持下合作开发了一种基于岩石的热能存储系统,该系统比锂离子电池和氢更环保、更高效。该系统容量为100kWh,可使用碎石、砖块、熔盐、混凝土等储存材料。到目前为止,据称该系统可以通过一个小型储热罐储存 700°C 以上的热量。

未来几年,目标是建造一座容量为500kWh的更大设施,并启动基于岩石蓄热技术的商业项目。

重力存储

重力存储是一种利用重力来存储和释放势能的能量存储形式。它的工作原理是升高通常由混凝土、砖块或岩石制成的重物,然后在需要时释放它们来发电。

Energy Vault总部位于瑞士,是重力存储市场的领导者。该公司突破性技术的灵感来自抽水蓄能电站,该电站依靠重力和水的运动来储存和放电。

他们的解决方案采用专有的机械过程和能源管理系统来存储和调度电力。当可再生能源发电量较高时,该解决方案利用该能量将 30 吨重的砖块提升到较高高度,并将潜在能量存储在砖块中。该系统通过在重力作用下控制砖块的下降,将动能释放回电网以发电。

管理系统在考虑各种因素的同时协调能源充电/放电,包括能源供需波动、天气因素和其他变量。

存储是能源转型的基本推动者

我们扩大储能容量的能力是最紧迫的问题之一,它将决定这个决定性的“过渡”十年是否成功。但考虑到锂离子电池的使用寿命有限和电网脱碳,我们需要明智地投资于正确的技术,以获得最大的经济效益(在吉瓦时容量和资本回报率方面)。

按照美国国家可再生能源实验室 (NREL) 当前6 小时锂离子电池存储资本成本为每千瓦 2,000 美元计算,到 2030 年所需的 700GW 容量相当于未来十年约 1.5 万亿美元的市场,使其每年价值近2000亿美元。

根据 Pitchbook 的数据,到 2022 年,全球对有前景的储能公司的年度投资额仅为 90 亿美元。随着投资者越来越清楚这个市场的重要性,投资需要呈指数级增长。在能源转型中,储能市场为当今世界各地的投资者提供了最大的“蓝海”机会之一。

特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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