美国能源部促进储能开发 加快水基锰氢电池研究进程

美国能源部高级能源研究计划署（ARPA-E）如今正在寻找可以提供更长时间的储能技术，以及可以在电网任何位置储存可再生能源技术，其价格必须低于100美元/千瓦时。

而作为新计划的一部分，ARPA-E最近宣布为持续增加电力储能（DAYS）项目提供高达3000万美元资金。持续增加电力储能（DAYS）项目团队将采用创新技术，在电网规模上实现提供长时间储能可靠的电力，其持续时间为10至约100小时。

储能系统将在未来的弹性电网中发挥越来越重要的作用。储能系统提供改进的电网稳定性，备用电源以及允许集成更多可再生资源的重要服务。如今主要储能选项具有一些限制，阻碍了它们作为长期解决方案的使用，特别是其高成本。

持续增加电力储能（DAYS）团队将开发能够在几乎任何地点部署的储能系统，并以每周期成本目标放电，远低于目前可用系统的成本。

所提供的资助机会将对一系列储能技术选择性开放，其中包括热、机械、电化学、化学等技术，但其面临成本目标、选址、功率输出等诸多挑战。

GRIDS计划

在实施持续增加电力储能（DAYS）计划之前，美国能源部高级能源研究计划署（ARPA-E）为电网规模可扩展间歇可调度式储能(GRIDS)设置了目标。其目标是开发能够存储可再生能源的储能技术，可以在电网任何位置使用，投资成本低于每千瓦时100美元。这个灵活的大规模储能系统将使可再生能源提供可靠的发电，从而创造更强大、更健壮的电网。下表列出了电网规模可扩展间歇可调度式储能(GRIDS)计划中的公司及其项目描述。

如今，美国的发电量为1,100GW，每年发电量约为410万GWh。而电网是一种关键资源，可提供美国家庭和企业消耗的所有能源的30％。然而，目前的发电系统严重依赖化石燃料。现在近70％的美国电力来自煤炭或天然气，发电占美国二氧化碳排放量的40％以上。

解决气候变化和独立能源供应问题将需要更多地使用低碳的排放发电，其中包括太阳能和风能的可再生能源发电，以及提高美国电力分配的效率和可靠性。

可再生能源发电源的一个重要特征是其可变性。图1显示了间歇性可再生能源（太阳能和风能）在几分钟到一小时的时间范围发生的功率输出的强烈变化，间歇性功率变化超过80％。电网功率电平偏差频谱显示发电和输电调度功率电平之间的过多/欠缺的变化。

图1.由于太阳能（a）和风力发电（b）中与天气有关的变化，提供电力的间歇性会限制可再生能源的可调度性。（c）显示了发电和负载之间的电网偏差频率。
　　
　　图1显示了一天内电力供应间歇性，持续时间为几分钟到几小时，在这些时间范围内，功率输出超过80％的变化限制了由于太阳能（a）和风力发电（b）的天气相关变化导致可再生能源发电的可调度性。特别是对于风力发电而言，电力变化率是平衡电力系统关键问题，具有很高的变化率（MW/min），需要几分钟到几小时的储能系统支持（如图1b中的虚线）。（c）显示电网上的分钟到小时和小时到天的时间帧中发电和负载之间的电网偏差频率。通过电网辅助服务在秒到分钟时间范围内增加了频率和电压调节。
　　
　　因此需要存储将可再生资源转化为可预测和可调度的电网的固定电力，构建低碳、高可靠性的电网。
　　
　　斯坦福大学的水基锰氢电池研究

“自然能源”杂志的高级作者，斯坦福大学材料科学教授崔屹（YiCui）日前表示，锰氢电池技术可能是美国能源之谜中缺失部分之一。它可以提供一种存储不可预测的风能或太阳能的方法，从而减少化石燃料的需求。

　　
　　锰氢电池原型只有3英寸长，仅产生20毫瓦时的电力，这与挂在钥匙环上的LED手电筒的能量水平相当。尽管电池原型规模很小，但研究人员相信他们可以将这种技术扩展到可以充电和充电10,000次的工业级电池储能系统，从而创造出一种工作寿命远远超过十年的电网。
　　
　　“我们所做的是将一种特殊的盐投入水中，滴在电极中，并产生可逆的化学反应，以氢气的形式存储电子。”崔屹说。
　　
　　创造这个概念并建造电池原型的团队由崔实验室的博士后学者WeiChen领导。从本质上讲，研究人员实现了水和硫酸锰之间的可逆电子交换，硫酸锰是一种丰富廉价的工业盐，可用于制造干电池、肥料、纸张和其他产品。
　　
　　为了模仿风能或太阳能源如何为电池供电，研究人员在原型上安装了一个电源。电子与溶解在水中的硫酸锰产生反应，留下附着在电极上的二氧化锰颗粒。过量的电子以氢气的形式冒出来，从而储存能量以备将来使用。而工程师都知道如何利用氢气产生电力，因此下一步研究是证明水基电池可以充电。
　　
　　研究人员通过将其电源重新连接到耗尽的原型来实现这一目标，这次目的是诱导附着在电极上的二氧化锰颗粒与水结合，形成硫酸锰盐。一旦这种盐恢复，获得的电子就会过剩，过剩的能量就以氢气的形式冒出来，这个过程可以多次重复。
　　
　　崔屹估计，考虑到水基电池的预期寿命，其存储的电力可以为100瓦灯泡供电12小时，成本仅为一美分。
　　
　　“我们相信这种原型技术将能够满足美国能源部目标的电网规模储能实用性。”崔屹说。
　　
　　美国能源部（DOE）推荐用于电网规模的电池储能系统，然后在一小时内放电至少20千瓦，能够至少充放5000次，并且使用寿命为10年。为了实现这一目标，这种电池储能系统的成本应为2000美元或更低，或每千瓦时100美元。
　　
　　美国能源部前部长，诺贝尔奖获得者，现任斯坦福大学教授的朱棣文长期以来一直关注和鼓励向可再生能源过渡。“虽然精确的材料和设计仍然需要开发，但这个电池原型展示了科学和工程的类型，它提出了实现低成本、长效、实用规模电池的新方法。”朱棣文说。
　　
　　远离碳排放
　　
　　据美国能源部估计，美国约70％的电力来自煤炭发电或天然气发电厂，占二氧化碳排放量的40％。而转向风能和太阳能发电是减少这些碳排放的一种方法。但这带来了涉及电源可变性的新挑战。最明显的是，太阳和风力提供的电力不稳定，并且不持续。
　　
　　然而，另一个不太了解但重要的可变性形式来自对电网的需求激增，在炎热的夏天，当人们下班回家启动空调时，公用事业公司必须采用负载平衡策略来满足高峰需求，这需要在几分钟内提高发电量的一些方法，以避免停电或故障，否则可能导致电网瘫痪。
　　
　　如今，公用事业公司通常会通过启动按需或可调度的发电厂来实现这一目标，这些发电厂可能在大部分时间闲置，但需要在几分钟内提供电力，从而产生快速能源，但会增加碳排放。一些公用事业公司开发了短期负荷平衡，不依赖于化石燃料燃烧设备。
　　
　　最常见和具成本效益的策略是抽水蓄能。它使用多余的电力将水输送到高处，然后让它回流以在高峰需求期间产生能量。然而，水力发电储能仅适用于水资源和空间充足的地区。因此，为了使风能和太阳能更加有用，美国能源部鼓励使用高容量电池储能系统作为替代方案。
　　
　　高容量低成本的电池技术
　　
　　崔屹表示，市场上有几种类型的可充电电池技术。但是目前尚不清楚哪些方法符合美国能源部要求，并证明其对公用事业、监管机构和维护国家电网的其他利益相关者的实用性。
　　
　　例如可充电锂离子电池，可以存储手机和笔记本电脑所需的少量能源，但其采用稀有材料，因此成本太高昂，无法存储大量的电力。他说，电网规模储能系统需要一种低成本、高容量、可充电电池。锰氢电池工艺似乎很有希望。
　　
　　他补充说，“其他可充电电池技术在其工作寿命中的成本将是锰氢电池成本的五倍。”
　　
　　Wei Chen表示，新型低成本材料和相对简单使锰氢电池成为低成本电网规模部署的理想选择。
　　
　　“我们在自然能源的研究报告的突破有可能符合美国能源部电网规模标准。”他说。
　　
　　但这种锰氢电池原型需要开发研究进行证明。一方面，它使用金属铂作为催化剂来催化电极上的关键化学反应，使充电过程高效，并且该组件的成本对于大规模部署而言是不能接受的。但他说，该团队已经在研究成本更低的方法来诱导硫酸锰和水进行可逆电子交换。他说：“我们采用了新型催化剂，产品大规模生产时可能会达到美国能源部的低于每千瓦时100美元的目标。”
　　
　　研究人员报告说，可以对锰氢电池原型进行10,000次充电，这是美国能源部要求的两倍，但表示有必要在实际电网储能条件下测试锰氢电池，以便真正评估其寿命、性能和成本。
　　
　　崔屹表示，他已经通过斯坦福技术许可办公室寻求申请专利，并计划组建一家公司将该技术实现商业化。