储能技术革命推进可再生能源转型

摘要：向可再生能源过渡需要新的储能方式，确保为向可再生能源的完全转型提供支持。

为了提供稳定的电力，太阳能发电和风能发电要求天气持续晴好或有风。因此，在没有阳光或没有风的时候，稳定的能量流就会中断。而另一方面，在晴朗有风的天气里，太阳能电场和风电场可能会产生超出需要的电力。

储能系统可以吸收风能和太阳能产生的多余能量，储存起来供发电量少的时候使用。

对比风能和太阳能这些可再生能源，化石燃料有一个巨大的优势：不受天气情况限制。但是由于储能技术的进步，这个优势在减弱。储能系统可以吸收风能和太阳能产生的多余能量，储存起来供发电量少的时候使用。

在向风能和太阳能等可再生能源和可变能源转型的历程中，工程师们很长时间以来一直都在研究储能技术。数十年来，水电站一直是全球主要的储能方式。在美国，水电站承担了 95% 的大型地面电站电力储能容量。但是水电站设施要经过漫长的报批流程，然后花几年才能建好，并且有特定的选址要求。

储能系统会收集水能、风能和太阳能等可再生资源产生的能量，为汽车、家庭和工业生产供电。

锂离子电池是另一种主要储能解决方案。它们可以用在水电站这种电网级别，也可以用来满足小一些的能源需求，例如公司、家庭和电动汽车这样的级别。

想要将电网转型为 100% 的可再生能源，光靠锂离子电池和水电站是不够的。能量还可以通过其他方式储存，比如储存在生态友好的电池中，储存为飞轮的动能，或储存为熔盐中的热能。

供电韧性

EVLO Energy Storage Inc. 正在魁北克省北部的因努伊特人社区 Quaqtaq 测试其储能系统，确定其是否能够将可再生能源输送到电网并服务远郊地区。在过去的三年，EVLO 储能系统已经帮助 Quaqtaq 社区集成太阳能。

“当配电网遇到计划内或者计划外的事件时，我们这里的微电网将独立维持运行，从而提供持续电力。”

Adile Ajaja，EVLO 软件团队负责人

EVLO 500 储能解决方案。（图片所有权：EVLO）

魁北克水电公司一直致力于可再生能源事业，其子公司 EVLO 现已开发出一种更加有效的锂离子电池储能方式：磷酸盐系锂离子电池。与传统锂离子电池不同，磷酸盐系锂离子电池使用无毒材料制成。对比传统锂离子电池，这种电池的成分更加安全和稳定。因为电池使用无毒材料制成，也直接避免了废弃处理带来的环境威胁。这些材料还可以重复利用和回收，推动了锂离子电池循环生态的发展。

过去 40 年来，魁北克水电公司一直在开发 EVLO 系统背后的技术。较小型的系统可以为商业大楼供电，更大型和更坚固的系统则可为电网和工业区供电。磷酸盐系锂离子电池是当今市场上最高效的电池之一。与其他类型的电池不同的是，磷酸盐系锂离子电池放电深度可达 100%，这意味着使用者可以使用电池中储存的全部能量。

EVLO 软件团队负责人 Adile Ajaja 及其团队使用 MATLAB® 和 Simulink® 进行 EVLO 系统的开发和建模。他们之后将从该 Simulink 模型生成的代码用在硬件上来实现系统控制。

自第一个项目以来，EVLO 已将其解决方案带到其他社区。公司最近在 Lac-Mégantic 镇安装了一个储能系统来服务这块区域的微电网。魁北克省的第一个微电网是一次灾后恢复工作的组成部分——几年前，一列脱轨的火车使这块区域遭到大面积破坏。

作为灾后恢复项目的一部分，EVLO 参与其中负责改进电网的韧性。这些系统可以储存来自 1,700 个太阳能板的能量，并用于服务市中心的 40 幢大楼、电动汽车充电站和自动化控制系统，从而实现更加高效的能量管理。当主电网停电时，微电网和储能系统还可以作为电力来源。“当配电网遇到计划内或者计划外的事件时，我们这里的微电网将独立维持运行，从而提供持续电力。”Ajaja 说。

消除摩擦

芬兰初创公司 Teraloop 在一项传统储能技术之上另辟蹊径。该技术是一个飞轮，可以将能量储存在一个快速旋转的转子里。但是与大部分飞轮不同的是，Teraloop 的办法是将中心留空。“想象一下没有轮辋的轮胎，”Teraloop 首席技术顾问 James Hagerman 说，“大部分飞轮是实心的，有一个轮毂。”通过对传统飞轮做进一步的改进，Teraloop 增强了磁力使得飞轮转子悬浮，实现了几乎无摩擦的旋转。

“如果您需要在短时内获得大功率，比如地铁加速......飞轮可以完胜电池。”

 James Hagerman，Teraloop 首席技术系统顾问

Teraloop 通过去掉轮毂并采用磁悬浮，消除了限制标准飞轮的大部分应力。他们的产品转动速度比标准飞轮快，可以储存更多能量。

该公司计划将其飞轮与电池储能配合使用在电动汽车 (EV) 充电站，用于地铁和有轨电车系统的再生制动以及稳定微电网电压波动。

在电动汽车充电站，飞轮可以加快充电速度并延长电池寿命。电池可以储存来自电网的能量，用来给电动汽车充电，但是他们不是最理想的解决方案。“目前的电池都是锂离子电池，其设计初衷不是完成每天的大量充电循环。它们的寿命会显著减少，”Hagerman 表示，“因此，您可以采用所谓的混合储能，也就是飞轮加电池。”

混合储能模式对于电池也有好处。他说：“它可以保护电池，并且可以使充电站尽可能少地连接电网。”这意味着这种混合模式充电站不需要进行电网升级，至少目前不需要，因为现在路面行驶的汽车中，电动汽车只占少数。

飞轮也可以作为独立的系统，为公共交通系统提供电力。再生制动技术会在制动时使电机反转，从而为电动汽车充电，现在已用于地铁和有轨电车，但是储存容量有限。“如果您需要在短时内获得大功率，比如地铁加速......飞轮可以完胜电池。”Hagerman 说道。

Teraloop 飞轮。（图片所有权：Teraloop）

不在路上时，飞轮可以稳定由间歇性可再生资源供电的微电网。“电压会波动，频率会波动，因此都需要让电网来支持，”Hagerman 表示，“此时电力供应商会将电池作为长期的解决方案。”他解释，但是飞轮可以作为电池的补充，在短时内快速提供爆发的能量。

Hagerman 使用 MATLAB 和 Simulink 对飞轮与现有电网系统的集成进行建模。他借助 Simulink 向潜在客户展示飞轮如何运作以及它如何与电池和电网系统配合使用。

“我们不是与电池竞争，只是有时候单独飞轮就是一个更好的选项，特别是空间有限时。”Hagerman 说。但他同时也介绍了飞轮可以如何改进电池驱动的系统。“它们互为补充。”

热与冷

Alphabet Inc. 子公司 X 给自己的定位是一群发明家和企业家，他们研发出的技术解决了世界上最棘手的一些难题。秉持着这种精神，他们扶持了一个名为 Malta 的初创储能项目，该项目的目标是将能量储存在盐和冷液中。Malta 项目团队设计了热泵储能系统，打算最终将其连接到电网，从而稳定电力供应。

“我们不希望这一（储能）系统只用在美国或其他发达国家。我们希望能够将它建在世界任何地方。”

 Pravallika Vinnakota，Malta 建模与仿真主工程师

Malta Inc 位于马萨诸塞州剑桥市，2018 成为独立公司，并为一家电厂改进其设计。“这将提高电网可靠性和灵活性。”Malta Inc. 建模与仿真主工程师 Pravallika Vinnakota 表示。

连接到某个电力来源（电网、风能、太阳能或化石燃料）后，系统的热泵将电能转化成热能，形成温差。“它将电能作为热能储存在高温熔盐中，作为冷能储存在低温冷却液中。”Vinnakota 说。热的盐和冷的冷却液分别储存在单独的罐体中，储存 10 小时可以提供相当于几天的能量使用量。

然后，当需要用电时，热引擎会将热能转化回电能供配送。根据用电需求，会通过算法来管理何时系统从电网收集能量以及何时配送该能量。这一循环可以自行重复成千上万次：Malta 预计该系统可以使用超过 25 年，并且不会出现重大性能衰退。

该系统仍处在工程设计中，处于设计阶段。目前，Malta 团队在仿真环境下工作。Malta 团队将其系统模型导入 Simulink，设计系统控制算法并确定该系统如何运行。“我们的目标是在未来几年内建设一家电厂。由于目前我们没有电厂，我们最大程度能做到的就是搭建仿真模型，并在其上运行一系列测试，”Vinnakota 说，“我们也在使用基于模型的设计，根据从仿真中收集的信息来确定电厂设计规范。”

Malta 系统作为一个热泵运行，将电能作为热能储存在熔盐中。（图片所有权：Malta, Inc.）

一旦 Malta 准备好建立一个实际的电厂，他们不会局限于地理位置。Vinnakota 指出，“它不必靠近山峰一类的储存势能的能量系统”，例如抽水蓄能水电站。该系统还会使用现成的材料，比如盐和钢。“我们不希望该系统只用在美国或其他发达国家。我们希望能够将它建在世界任何地方。”

通向可再生电网的桥梁

随着可再生能源成本的下降和取代化石燃料的需求变得日益迫切，储能将成为一种重要的手段。不过，不同的存储需求适用的储能手段也不尽相同，可能是电池，是飞轮，或者是熔盐储罐。许多公司都在探索上述每种技术，以加强电网韧性并推动向清洁能源的平稳过渡。

*文章出自MathWorks。