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美國能源存儲規劃路線圖

作者:中國儲能網新聞中心 來源:直流建筑聯盟 發布時間:2021-01-14 瀏覽:
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中國儲能網訊:美國能源部(DOE)提出一項名為能源存儲大挑戰(ESGC)的綜合計劃,旨在加快下一代能源存儲技術的開發利用和商業推廣,通過美國創新、美國創造、世界部署的戰略目標,保持美國在能源存儲領域的全球領導地位。

認識到存儲技術的廣度和重要性,DOE已經初步確定重點目標:

到2030年,長時固定式儲能應用的平均成本將比2020年下降90%,達到$ 0.05 / kWh,這將促進三大商業存儲可行性:在需求高峰期滿足用電負荷;為電動汽車快速充電做好電網準備;確保通訊、信息技術等關鍵基礎設施的可靠性。

到2030年,300英里電動汽車電池組制造成本降為$ 80/ kWh,比當前$ 143/ kWh的成本降低44%。實現這一成本目標將使得電動汽車更具成本競爭力。

路線圖提出了“儲能大挑戰”計劃五個領域的重要行動(技術開發、制造和供應鏈、技術轉化、政策與評估、勞動力開發),本文圍繞技術開發和制造與供應鏈兩部分進行簡要介紹。

一、技術開發

新一代儲能技術將繼續為電網,運輸以及整個經濟領域創造收益。ESGC將創建一個功能和程序框架,通過提高性能和降低成本來最大程度地提高存儲創新的步伐。建立以用戶為中心的用例和技術途徑,能夠實現儲能技術近期加速和長期領導地位。

ESGC列出了3項活動計劃,通過加強最終用戶利益與所有研究階段之間的聯系,加快整個創新過程。

活動1:用例作為技術中立指南

ESGC用例描述了一組廣泛或相關的未來應用,這些應用通過性能更高、成本更低的能量存儲來啟用。圖1描繪了每個用例在電力系統中的位置以及預期收益易于量化或定義的程度。在此討論中,電力系統包括發電、輸電、配電、最終用途、運輸、離網應用6大部分,其中離網作為“服務遠程社區”的一部分。

圖1  初步用例說明

活動2:建立技術組合

定義用例的必需功能后,需要確定可實現積極性能目標,徹底解決每個用例中的挑戰。圖2對從用例到特定能量存儲技術進行視化展示。

圖2  性能功能框架的示例說明

性能目標是諸如系統的壽命,移動性和效率之類的特征,這些特征將需要滿足每個用例要求和條件要求。研究滿足不同用例需求的技術路線時,ESGC將考慮商業市場力量對技術的采用性和可用性的影響。

活動3:加速創新生態系統

缺乏現場驗證的操作經驗是新存儲技術商業化的主要障礙。確認儲能技術的商業可行性,需要在與商業相關的規模和運營環境下測試創新技術。

而已經進行測試的用例可能來自多種技術路線,包括雙向電存儲;熱量和化學存儲;靈活生成和加載。圖3顯示了新技術如何轉化為示范項目、應用開發和早期研究的優化投資組合。

圖3  2030年存儲行業場景說明

二、制造與供應鏈路線

ESGC的制造和供應鏈路線目標:充分利用儲能技術的優勢,整合供應鏈,建立強大的國內制造基地,降低成本,迅速整合和擴大創新產品的生產。

但是目前不同儲能技術面臨著不同的挑戰。

1、電化學

不同的電池化學成分通常需要不同的制造工藝,靈活的生產線能夠制造許多不同化學成分的電池組件和電池。

a)  鋰電池

鋰需求量大且處于持續增長狀態,目前開發鋰基電池存在三方面挑戰:

供應鏈有限,美國目前沒有后備的鋰生產線,鋰、鈷儲備都存在供應鏈風險,電池回收是目前最可行的解決途徑。

電池制造工藝和市場競爭成本限制電池性能,制造技術影響電池的能量密度和電池壽命,在降低生命周期成本的情況下提高電池性能是一大發展方向。

解決安全問題,鋰電池在某些條件下會過熱,著火甚至爆炸,確保使用安全,需要更好的熱管理技術。

b)  液流電池

流動電池(電池功率與存儲容量不相關)的預計市場正在迅速增長,但是它的發展同樣面臨一些阻礙。

圖4  液流電池原理圖

低效和昂貴的制造技術,膜、雙極板和多孔碳電極等組件需要特殊性能,生產昂貴。

缺乏健壯、標準化的供應鏈(有限的供應商)。與其他電池化學類似,液流電池系統的發展潛力也受到非標準化供應鏈限制。其常用的化學物質釩主要為進口,供應鏈受限。

大規模制造的制約。液流電池尚未達到可提供廣泛規模經濟的部署。系統想要進一步商業化開發,高性能部件(例如膜和儲罐)和材料(例如活性電解質)的制造工藝將變得至關重要。

c)  其他電池化學

鋰離子電池巨大的市場需求,使其它替代電池具有廣大的市場,但是其它化學電池的創新仍然受限于制造規模和與基礎設施的集成程度。

2、機械儲能

盡管大多數機械儲能系統的材料和技術都比較成熟,但它們仍需要朝著更加堅固耐用的方向進行創新,才能夠應對供需日益變化的電網挑戰。目前,機械儲能的問題主要在于制造成本高,且有一些獨特的安全約束。

3、化學能儲存

目前,化學能量存儲系統的主要挑戰是與其他能量存儲介質間成本競爭。此外,對關鍵材料的依賴,組件在酸性環境中性能都是它將面臨著的挑戰。

4、跨領域挑戰

上述挑戰主要針對一、兩個儲能技術,然而下面這兩個問題是大多數技術都需要克服的障礙。

1、系統集成能力不足。所有能源存儲技術都需要整合到更大的系統中,比如建筑物、微電網、配電網絡或區域電網。特別是在雙向存儲技術情況下,為實現電力的無縫轉移,需要對電流進行精細控制(如匹配電壓、相位和避免高階共振問題)。這需要開發和標準化電力電子及其他支持技術(如超級電容器),來支持能源存儲的廣泛應用。

2、系統設計和測試能力。如果沒有設計和測試這些變化的能力,新材料和部件的快速發展就不能納入系統。改善所有儲能技術的系統設計和測試能力,可以大大加快可行創新的商業化。

創新的研發過程不是線性的,也不局限于實驗室。無論規模大小,都需要證明創新的性能、可靠性和成本,以減少不確定性和市場失靈的風險。

圖5  技術成熟度和制造規模途徑

為了更好的應對上述挑戰,美國提出了以下制造和供應鏈路線圖的目標:

深入了解儲能行業生產制造的技術障礙,并確定關鍵技術指標。

支持創新以降低制造成本并克服技術障礙,結合技術分析,對材料和制造研發投資進行優先排序。

通過行業合作促進新興制造工藝的規模擴大,確保測試/驗證制造創新的能力滿足利益相關者的需求。

使系統設計和測試協議標準化,以簡化新興存儲技術的制造創新集成。

尋求創新,提高關鍵材料供應鏈的彈性,并推進加工和分離,以使關鍵材料的采購多樣化并改善回收利用。

在當今競爭激烈的全球經濟中,在明天的基礎產業中建立領導地位十分重要,這涉及率先將科學創新轉化為全球市場上可用的新制造產品。

翻譯:連林雯

關鍵字:儲能路線圖

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