中國儲能網(wǎng)訊：美國能源部（DOE）預測，到2050年，美國需要新增700至900吉瓦（GW）的發(fā)電能力，才能實現(xiàn)凈零排放目標。除了天然氣和核能，可再生能源將占據(jù)重要地位。然而，如果沒有儲能技術，風能和太陽能等可再生能源的大量電力將被白白浪費。
根據(jù)美國能源信息署（EIA）的數(shù)據(jù)，2024年8月，美國本土48個州每天上午10點至下午6點之間的公用事業(yè)規(guī)模太陽能發(fā)電量平均達到6310萬千瓦時（GWh），比2023年同期增長了36%。加利福尼亞州、德克薩斯州和佛羅里達州等州是新增裝機容量的主要地區(qū)。然而，這些州的太陽能發(fā)電量常常超過電網(wǎng)的承受能力，導致部分太陽能運營商不得不削減發(fā)電量，且削減幅度不容小覷。
2024年，加利福尼亞州削減了超過300萬兆瓦時（MWh）的太陽能電力，情況似乎還在惡化——2024年損失的太陽能電力是2021年的兩倍！即使有時電力過剩到在一天中最熱、需求最高的時候，也不得不關閉部分發(fā)電。
因此，鋰離子電池儲能系統(tǒng)（BESS）的資金投入備受關注并不奇怪。2024年，美國能源部宣布為14個州的25個入選項目提供超過30億美元的BESS撥款。BESS可提供長達4小時的儲能，這是一個不錯的起點。但為了提升以可再生能源為主的電網(wǎng)效率，更長時間的儲能形式迫在眉睫。長時儲能（LDES）主要有這些選擇：
機械儲能
機械儲能是長時儲能技術中最成熟的選項之一。這一類別包括兩種主要技術：壓縮空氣儲能（CAES）和抽水蓄能。此外，還有一些替代方案，許多是CAES的變體，如液態(tài)空氣儲能（LAES）、熱儲能、CO2循環(huán)和重力儲能。其基本原理是將電能轉化為勢能或動能，然后再轉換回電能。
抽水蓄能
抽水蓄能利用兩個不同高度的水庫，通過水從高處流向低處發(fā)電。電力通過渦輪機產(chǎn)生，與水力發(fā)電設施的方式相同。水被回收到低處水庫，再被泵回高處重復使用。目前，美國約有50個抽水蓄能設施，總容量達22吉瓦。美國能源部正在資助新項目，例如與EDF公司在肯塔基州合作的一個項目。近年來，澳大利亞和葡萄牙等國家也在增加抽水蓄能設施。
圖1：抽水蓄能已廣泛部署在世界各地。
壓縮空氣儲能
“CAES利用壓縮空氣，在一些先進應用中效率可高達80%，”Burns & McDonnell的氫技術經(jīng)理Megan Reusser表示?！八哂锌蓴U展性，需要合適的地下儲藏設施，但由于使用天然氣燃燒從壓縮空氣中發(fā)電，存在一定的排放問題。”
目前運行的CAES電廠不多，包括德國的Huntorf（320兆瓦）、阿拉巴馬州的McIntosh（110兆瓦）以及中國近期新增的幾個。這些設施利用非高峰期電力驅動電動機或燃氣輪機壓縮機，將空氣注入地下儲藏室，如鹽穴或廢棄油藏。在電力需求高峰時，壓縮空氣被抽出、預熱后進入燃燒室，天然氣在此燃燒進一步加熱空氣。熱膨脹氣體驅動連接發(fā)電機的膨脹渦輪，為電網(wǎng)供電。其燃料效率遠超現(xiàn)代聯(lián)合循環(huán)電廠。
例如，阿拉巴馬州的McIntosh電廠由公用事業(yè)公司Power South擁有。它由一臺機械傳動鏈組成，包括兩臺西門子能源壓縮機和膨脹機、一臺電動發(fā)電機以及一個巨大的鹽穴。壓縮儲藏室約需40小時，之后發(fā)電機可滿負荷運行約25小時。該機組能在9分鐘內緊急啟動，且全年運行。其動力傳動鏈由低壓（LP）、中壓（IP）和高壓（HP）壓縮機、低壓和高壓渦輪膨脹機以及SSS離合器制造的同步自換擋（SSS）離合器組成。離合器的接合或分離控制電動發(fā)電機是驅動壓縮機還是為電網(wǎng)發(fā)電。
圖2：壓縮空氣儲能系統(tǒng)利用壓縮機將加壓空氣儲存在地下，利用渦輪膨脹機和燃氣輪機將儲存的資源轉化為能源。SSS離合器使工廠能夠在驅動壓縮機或發(fā)電之間切換。
“這家電廠已成功運行30多年。”SSS離合器總裁兼首席執(zhí)行官Morgan Hendry表示，“美國85%的地區(qū)擁有適合CAES的地質條件。北歐也有許多潛在地點，其中一些已用于天然氣儲存。”
近年來，CAES出現(xiàn)了一些“變體”：
加拿大公司Hydrostor計劃在加利福尼亞州羅薩蒙德建設Willow Rock能源儲存中心。這一先進的CAES項目將提供500兆瓦電力，利用地下空氣和水的組合儲存。
Highview Power設計了液態(tài)空氣儲能（LAES），使用液化空氣替代壓縮空氣，計劃在西班牙進行試點，英國已有小規(guī)模版本運行。
Just-In-Time Energy提供優(yōu)化的LAES工藝，通過熱空氣膨脹供電并改善經(jīng)濟性。該公司還在開發(fā)一種結合氣體和電力儲存的系統(tǒng)（CEGS），用液化天然氣（LNG）替代液態(tài)空氣。CEGS系統(tǒng)將多余可再生電力儲存為LNG和熔鹽，主要在非高峰時段進行，然后在高峰時段將氣體返回管道系統(tǒng)，同時將用于生產(chǎn)LNG和加熱熔鹽的電力的95-120%返回電網(wǎng)。熔鹽組件允許儲存陽光充足、風力強勁的下午產(chǎn)生的短暫可再生能源。
Alliant Energy在威斯康星州開展20兆瓦的Columbia能源儲存項目，將CO2氣體壓縮成液體作為儲存介質。
Corre Energy和Contour Energy希望在德克薩斯州一個280兆瓦項目中結合氫和壓縮空氣儲能。
其他形式的儲能
其他幾種長時儲能方法處于不同開發(fā)階段：
熱儲能系統(tǒng)
熱儲能系統(tǒng)利用潛熱、顯熱和熱化學過程將能量儲存為熱量，有時涉及從液體到蒸汽的相變。例如，熱量可傳遞給工作流體，通過渦輪發(fā)電機產(chǎn)生蒸汽；或者能量被傳遞到熔鹽或磚塊中保持熱量。這類系統(tǒng)可能資本密集且實施難度大。
“熱儲能適用于對熱量需求甚至超過電力的場景?！盧eusser說，“由于成本原因，這些系統(tǒng)通常限于大規(guī)模應用。”
電化學儲能系統(tǒng)
電化學儲能包括鋰離子電池儲能系統(tǒng)的多種替代品，如液流電池、金屬陽極和靜態(tài)電池。目前約有40種化學成分，其中釩氧化還原液流電池（VRFB）最為常見。
圖3：液流電池示意圖。
“電化學儲能的優(yōu)點包括可擴展性、長壽命、低熱失控風險，且部分使用無毒材料?！盧eusser說，“挑戰(zhàn)包括組件和設置的初始成本高、能量密度低于鋰離子電池，以及需要定期維護泵和閥門?！?/span>
例如，Burns McDonnell于2020年在馬薩諸塞州安多佛為Convergent Energy + Power的GridStar Flow Serial Number One站點提供了500千瓦（2.5兆瓦時）的氧化還原液流電池技術。該公司還與明尼蘇達大學莫里斯分校和Ottertail Power合作開展寒冷天氣液流電池示范項目。研究完成后，這個項目將提供1兆瓦/6兆瓦時的儲能。
“這所大學位于一個孤立微電網(wǎng)，希望找到能在寒冷條件下運行的電池技術?！盧eusser說。
鐵空氣電池是Form Energy開發(fā)的一種新方法，據(jù)稱可提供長達100小時的容量。其原理是：鐵暴露在氧氣中時會生銹并釋放電子，用于供電；當電力過剩時，電子流回電池，過程逆轉，鐵去銹，電池重新充電。Form Energy正與Great River Energy合作開展位于明尼蘇達州劍橋的Cambridge能源儲存項目，該項目將提供1.5兆瓦的實驗性電池儲能。
化學儲能
常見的化學儲能形式包括通過壓縮形成氨或液化天然氣（LNG）。
“目標是利用多余可再生能源生產(chǎn)氫氣并儲存以備后用?！盧eusser說，“化學儲能是運輸能源的好方法，如果對分子的興趣大于電子，通常是最佳選擇?！?/span>
除了運輸、電解和能源出口外，化學儲能還適用于工業(yè)過程，并作為一種備用電源。它具有很強的可擴展性，提供非常長的持續(xù)時間、高能量密度，并為難以減排的行業(yè)提供脫碳途徑。然而，資本成本可能很高，系統(tǒng)也可能很復雜。
選擇合適的解決方案
每個站點情況不同。每個用例需權衡運行條件、循環(huán)預期、往返效率、容量、預期壽命、運維成本和資本成本。
“極端寒冷意味著一些選項可以立即排除。”Reusser說，“你還必須了解是否能每天、每周或每月使用儲存的能源，因為一些解決方案更適合較短或較長的循環(huán)?！?/span>
例如，液態(tài)空氣會升溫，因此必須定期使用才能經(jīng)濟，否則重新冷卻會耗費大量能源。同樣，可用能源的體積和時間段可能有利于CAES等選項。作為經(jīng)驗法則，大多數(shù)電池技術提供長達4小時的儲能，機械解決方案提供10至36小時，熱能和電化學提供高達160小時，化學儲能以氫氣、氨和LNG形式提供最長的持續(xù)時間。
“考慮將短續(xù)航鋰離子電池與長續(xù)航方法相結合以提高性能和成本效益的混合動力系統(tǒng)可能是明智的?！盧eusser說。
另一個需要考慮的因素是人工智能（AI）的興起。這無疑將成為促進所有長時儲能形式發(fā)展的催化劑，尤其是較為成熟的CAES。
“對AI日益增長的需求將增加對長時儲能的需求?！盨SS離合器的Hendry說，“AI 驅動型系統(tǒng)需要可靠、可擴展和可持續(xù)的能源來支持其持續(xù)運營、數(shù)據(jù)處理以及與可再生能源的集成?！?/span>
