比尔·盖茨的储能方案能否取代锂离子电池？

撰文/ 马晓蕾

编辑/ 涂彦平

设计/ 杜   凯

来源 / Fttimes，作者：Henry Sanderson

在世界大部分地区，风能和太阳能等可再生能源正变得比化石燃料更便宜，但它们需要存储才能成为可行、稳定的能源，寻找可替换的储能方式迫在眉睫。

在英格兰北肯特海岸的一堵被风吹过的海墙上，玛丽·金（Mary King）指着几英里长的空旷沼泽农田，那里很快就会有数千块太阳能电池板和全国最大的电池装置之一。这种电池厂将成为英国和其他地方的熟悉景象

11月18日，英国首相鲍里斯·约翰逊（Boris Johnson）承诺要在2030年之前安装足够的风力涡轮机，为每个家庭提供电力，但这将需要管理间歇性能源供应的解决方案。

这就是为什么我们需要电池，一个能将电能作为化学能储存的设备。手机和特斯拉电动汽车中使用的锂离子电池是目前最主要的储能技术，从加州到澳大利亚，很可能还有肯特郡，都在部署锂离子电池，以帮助电网管理激增的可再生能源供应。

特斯拉首席执行官埃隆·马斯克（Elon Musk）曾表示，他预计该公司的能源业务，包括为电网提供太阳能和巨大的锂离子电池，将在长期内与汽车业务一样大。

但是，除了锂离子电池，还需要更便宜、更持久的储能技术才能完全取代化石燃料发电厂，实现100%使用可再生能源，但其中大部分还不是很划算。目前，燃气电厂弥补了与可再生能源之间的差距，提供稳定的能源供应，比目前的电池能够提供更长的时间。

英国政府推出的绿色工业革命中其中有一项就是10亿英镑的能源创新基金，以帮助新的低碳技术商业化。其中包括曼彻斯特郊外Highview Power公司正在建造的液态空气电池。

锂离子电池是目前占主导地位的存储技术，并正在全球范围内部署，以帮助电网管理激增的可再生能源供应

如果没有储能，各国将很难大幅减少对天然气和燃煤电厂的使用，也很难减少气候变化的有害影响，比如海平面上升和极端的天气条件。

各家公司都在竞相开发下一个突破口，包括使用丰富原材料的电池技术、火山岩、液态空气储存罐以及将重物降到废弃矿井下的系统，以便在本世纪中叶开启大规模的可再生能源。这是由几位著名的商业领袖所支持，包括微软创始人比尔·盖茨（Bill Gates）和软银的孙正义。 

“如果我们想要全面的去碳化，那么所有这些技术都将是必需的。”能源咨询公司Wood Mackenzie的分析师罗里·麦卡锡（Rory McCarthy）说，“但你需要的投资规模是数十亿美元，才能有所作为。”

零库存的供应链 

每天，电网必须不断地使供需匹配，如果把提供可靠、稳定能源供应的燃煤和燃气电厂剥离出来时，这一过程就变得更加困难。麻省理工学院的加拿大化学教授唐纳德·萨多维（Donald Sadoway）将电网比作“世界上最大的供应链，但是零库存”。

霍恩斯代尔电力储备，它是世界上最大的锂离子电池之一，由特斯拉制造，在南澳大利亚詹姆斯敦附近

今年第一季度，可再生能源提供了英国47%的电力，创下了纪录。然而，这种成功在几周后就产生了一个问题，在3月份第一次全国冠状病毒封锁后，能源需求下降了20%之多。当可再生能源发电量达到总发电量的50%左右时，国家电网的工作变得更加困难，它需要化石燃料厂的大型旋转涡轮机的帮助来缓和系统的波动性。

需求的下降意味着可再生能源在能源结构中的比例超过了一半，国家电网控制中心的工程师们不得不进行微妙的平衡，其中一部分涉及到增加储能的使用。支持者们说，这证明了技术的扩展是正确的。

事实证明，这是对未来电网将如何看待的一个测试案例，当可再生能源的比例更大时，Harmony Energy的首席执行官彼得·卡瓦纳（Peter Kavanagh）说，该公司在英格兰南海岸的普尔用六个特斯拉锂离子电池向电网提供电力。

“在许多国家，太阳能和风能是最便宜的发电形式，但一旦可再生能源在能源组合中形成了一定的规模，就需要进行储能，就像我们在疫情期间看到的那样。”他说，“疫情已经提前五年证明了电池存储的商业案例。”

目前世界上97%以上的储能方式是利用电力将水抽到高位水库，然后将水释放出来，驱动涡轮机产生更多的电力，即所谓的“抽水蓄能”。水库是储存能量的一种方式。但这些系统受到地理环境的影响较大，未来可能会受到水资源日益匮乏的限制。

锂离子电池的优势在于，它们可以放置在任何地方，并且可以像电动汽车一样，非常迅速地向电网提供电力。它们可以在几毫秒内做出反应，一般可以提供长达4小时的存储时间，帮助电网处理发电中的突然停电，但从长远来看，成本太高。在英国，大多数大型锂离子电池可提供30-90分钟的能量。

氧化还原液流电池

替代技术可以使大量能源更安全地储存更长时间，这将使风能和太阳能更加一体化。但它们需要迅速扩大规模，以满足不断增长的需求并具有成本竞争力。

今年1月，美国加州的主要能源政策和规划机构加州能源委员会呼吁建立长时间储能，提供10小时以上的能源，足以储存一天的太阳能供通宵使用。

中标者之一是英威尼迪能源系统公司，该公司使用以钒为基础的大型电池，钒是钢铁工业用来提高金属强度的原材料。这些氧化还原液流电池最早是由美国国家航空航天局在20世纪70年代开发的，使用单独充电的大型电解质罐来储存能量，这使得它比传统电池更容易扩容。

巴西巴伊亚州的一个钒矿坑。使用这种材料的Invinity Energy Systems公司的Matt Harper说，钒电池可以在白天储存8到10个小时的可再生能源，并在需求高峰时加以利用

该公司首席商务官马特·哈珀（Matt Harper）说，钒电池可以在白天储存8到10个小时的可再生能源，并在需求高峰期，或在夜间部署，为电力价格设定了一个下限。他说，由于钒电池使用的是水基电解质，因此灭火的可能性比起起火的可能性更大。它们的寿命也比锂离子电池长，可以使用30年。

在中国东北部的大连市中心，融科电力正在建造世界上最大的钒电池。它的容量为800兆瓦时，将是位于加州的世界最大锂离子电池装置规模的三倍以上。它将帮助辽宁省电网更好地整合风电。

“在市中心安装大规模的锂离子电池是不允许的（出于安全考虑）。”融科市场总监李斌说，“锂离子电池的安全问题还没有解决。”

然而钒的价格波动很大，2018年11月飙升至127美元/公斤，如今又跌至25美元/公斤，这可能对生产成本产生影响。

西门子的火山岩储能

寻找其他储能选择的人则完全避免使用电池，而尝试类似于抽水机的自然和物理解决方案，它可以在20小时内调度能量，不需要天然水库。

在德国汉堡市郊，一栋灰色混凝土无窗大楼的正面用紫色字体写着“欢迎进入新石器时代”，该工厂由世界第二大风力涡轮机制造商西门子Gamesa运营

西门子Gamesa的汉堡工厂利用来自挪威的1000吨火山岩，以热能的形式储存130兆瓦时的能量，提供的能量足够约3000户德国家庭使用，或者大约750辆电动汽车使用。

首先用电将火山岩加热到至少600℃。这些能量可以储存一个星期，但目标是在一夜之间调度电力。西门子Gamesa公司创新项目负责人哈桑（Hasan Oezdem）表示，该系统可以安装在正在面临淘汰的燃煤电厂中，并使用其涡轮机。

“你可以把它们变成巨大的存储设施。”他说，“最大的公用事业公司正在努力重生，因为你无法出售它们，没有人购买燃煤电厂。我们提供的是以绿色目的让它继续运行。”

在曼彻斯特郊区，一个类似的项目正在一个退役电厂的场地上成形，使用液态空气的容器而不是火山岩。Highview Power在赢得英国商业、能源和工业战略部的1000万英镑拨款后，11月在特拉福德能源园的250兆瓦时电厂破土动工。

“锂离子电池是伟大的技术，但对于电网所面临的挑战来说，它太小了。”该公司的首席执行官哈维尔（Javier Cavada）说，“长时间储能的商业模式是确保所有的风能和太阳能发电都得到利用。”

英国埃塞克斯海岸的风力涡轮机。英国首相鲍里斯·约翰逊承诺，到2030年，将安装足够的风力涡轮机为每户家庭提供电力

尽管有各种优势，但这些技术将很难打败锂离子的制造规模，过去十年电动汽车投资的激增推动了锂离子的发展。据彭博新能源财经报道，2010年至去年，锂离子电池的价格实际下降了87%，约为156美元/千瓦时。

这一价格可能会进一步下降。根据Wood Mackenzie的数据，到2030年，全球用于电网存储的电池安装量将上升到741吉瓦时，其中大部分是锂离子电池，由美国和中国主导。1千兆瓦时足以为100万户家庭供电1小时。

此外，通过利用电力电解水而产生的氢气，可以成为较长时间储存能源的一种有竞争力的解决方案。氢气可以储存在地下洞穴或枯竭的油气田中。

Cleve Hill附近的格拉维尼，Hive Energy能源计划在那里建立它的太阳能和储存地点。该公司正在决定使用哪种技术来生产电池，但很可能会选择锂离子电池

Hive Energy公司正在规划Graveney附近的Cleve Hill太阳能和储能基地，该公司的总经理休·布伦南（Hugh Brennan）表示，该公司正在决定使用哪种技术来制作电池，但很可能会选择锂离子。

在Graveney，教堂外和路边都立着标语牌，上面有防毒面具的图片和“不要太阳能发电厂”的口号

超越锂离子的储能技术一览

钒氧化还原液流电池储能：使用两个含有正电荷和负电荷的液态钒电解质的罐子，这些电解质通过泵输送穿透电池中的隔膜。这种电池比锂离子电池的降解程度更低，循环寿命更长。

压缩空气储能：液态空气被冷却到零下196℃，之后被储存在储罐中。然后将其加热，驱动涡轮机发电。另一种方法是使用加热的压缩空气将能量储存在专门建造的洞穴中。

重力储能：包括将沉重的矿块在废弃的矿井中上下提起，作为储存和发电的一种方式。

熔盐储能：由比尔·盖茨的突破能源风险投资公司支持的热能储存马耳他公司，以熔盐的形式将能量以热的形式储存。该公司表示，该技术可以持续20年以上，适合储存6个多小时。

液态金属电池储能“”使用金属在加热时自然分离，形成阴极和阳极，由盐电解质分离。一旦初始加热，电池就会在放电和充电时产生热量，从而保持较高的工作温度。

使用铁、硫和锌等廉价原材料的低成本电池为锂离子电池技术提供了替代品。例如，以锌为原料的电池开发商EOS表示，其电池有能力在3至12小时内释放能量。由比尔·盖茨支持的初创公司Form Energy表示，其电池可以低成本地储存能量长达150小时。

氢储能：利用电力生产氢气是一种储存能量的方式，但在这个过程中会有大量的能量损失，因此效率不如电池。