长期能源存储的挑战

进入零不仅仅是转向低碳可再生能源,它也将需要大幅增加我们的能量储存能力。会有时间,可再生能源发电的过度需求和时间需求不能满足的一代。能量储存的目标是尝试和桥梁这一差距,“艾玛·伍德沃德说,全球能源分析公司的分析师极光能源研究。据英国国家电网,这个国家将需要储能能力提供50千瓦到2050年确保供给和需求的平衡。整个欧洲可能会需要超过400千瓦,但当前存储现在低于10%的容量根据奥利弗·施密特,客座研究员在清洁能源经济在伦敦帝国理工学院,英国。

2021年估计只有27兆瓦的权力从全球能源存储可用。但问题不仅仅是增加产能——我们目前没有建立技术所必需的任务。我们正处于一个临界点施密特说成千上万的概念,包括系统使用重力,热量和电化学,所有提供替代方法,但大多数仍未经证实的规模。所以我们可以找到合适的技术任务,我们可以做到足够快吗?

现在的能源存储技术最广泛的部署是泵水力发电——19世纪技术,注入水从低到高储层和在需要的时候释放通过涡轮机发电。英国目前有少于3兆瓦容量。24(进一步)”之类的网站已确定,大多是在苏格兰或在北威尔士,”伍德沃德说,“但这是非常昂贵的,前期成本非常高。加上它需要网站正确的地理,这通常是有限的,相关领域的自然美景,远离需求旺盛的地区。

储存可再生能源并不是唯一的方法,我们将达到零。以及减少我们的能源消费也有推动欧洲连接电网,最终甚至世界各地,因此可再生能源可以移动到需要的地方。2021年北海链接开始操作,720公里1400 mw海底内部连线连接英国和挪威的电力系统,并将现有的链接添加到比利时、法国和荷兰。“这绝对是解决方案的一部分,”伍德沃德说,但它不能保证供应,存储容量仍将是至关重要的。

电池和物理

锂离子电池是一个存储技术在过去的十年中取得进展建设更好的电池)。出现了大规模投资的进入这种技术仅仅是因为[的]电动汽车,”施密特说。虽然短期存储的锂离子电池为王——四个小时——技术并不适合中长期存储,网格需要。电池受到权力衰落在多个周期,限制一生,还有安全性和可靠性问题——许多火灾引起的热失控的报告,如主要数据中心在Pangyo火2022年,韩国,造成中断网络服务好几天。

与锂价格上涨锂的高峰),成本可能过高要长期储存,施密特将其定义为“任何技术经济当卸货超过八个小时。另一个想法是利用重力的方式地理有限低于泵热液系统。它可以简单用起重机将混凝土块。施密特说,这是比听起来更复杂,但使用“超级便宜的材料”的优势。一个这样的项目来自爱丁堡Graviticity,他们计划引用存储在废弃的矿井中。2021年,该公司建造了一个250千瓦的发电示范项目港利思,使用一个15米高的平台有两个25吨重量被钢电缆。

另一个概念是压缩气体储存能量,可以释放驱动涡轮机。这也不是什么新鲜事,第一个压缩空气在Huntorf稳定工厂建于1978年在德国,那里的空气是安置在100酒吧在310000米的压力³盐洞穴,深600米。可以发电320 mw汽轮机生产两个小时的电力。在英国,正在开发的技术,包括一个项目提出空气存储在深海袋,附在海底,上面的水密封系统。

很大一部分的解决方案可能是电化学,说Pasidu Pallawela,创始人兼首席技术官爱丁堡电池开发人员StorTera,因为这可以提供更灵活的系统,可以安装在任何位置。当前景观Pallawela说“非常嘈杂,许多实验室声称他们有正确的技术来破解这一问题。但是从他的经验,大多数将达到“死亡之谷”。即使你有一个很伟大的工作电池,所以很难把它和安装在一个自定义的位置。有这么多要做得到这一点。”

“最终,每一个技术将下来需要多少成本你存储一千瓦小时,”斯特凡诺Mezzavilla说化学铅电池开发商RFC的力量。而这正是一些电化学系统使用昂贵和稀有金属倒了。电池使用更便宜的金属得到很多关注,施密特说,包括来自美国的一个iron-air电池形式的能量已设计为100小时只使用铁储存电力,水和空气。公司描述的电化学过程可逆生锈,提供氧气为电池放电,将铁金属生锈和使用电流充电电池和扭转反应。多伦多e-Zinc已经开发出一种使用锌的类似系统,充电电池的金属电极上沉积锌酸盐离子的基本解,定期擦拭掉金属下降到另一个房间,它可以通过空气放电re-oxidised电池。

输入流

也有强烈的活动在氧化还原流体电池——使用还原和氧化反应但redox-active物种存储在两个液体电解质的解决方案。这些泵通过一个中央堆栈包含惰性电极膜。氧化和减少产品保存在单独的外部水库,在那里他们可以坐,直到电池需要充电或放电。原则上,他们是可伸缩的,因为你分离存储的燃料发电,”克莱尔格雷解释说,材料和电池从剑桥大学的化学家,英国。

氧化还原流体电池能量储存的理想技术。“他们非常灵活的相比,这些东西需要盐穴和大地理空间,”凯瑟琳Toghill说,在英国兰开斯特大学electrochemist。加上他们可以提供电力需求快速响应。他们有一个比锂离子电池寿命更长,因为没有在电极结构变化干扰的性能。“如果你有一个衰落的能力,你可以加满油箱,这显然是比替换一个堆栈,破坏性更小的“Mezzavilla说。

下一步是找到合适的化学优化流电池的能量密度。一个重要的元素是选择物质有很高的溶解度增加活性物种的浓度。在水溶液中细胞需要运行在一个潜在的水是稳定的或者本身电解。根据灰色,这意味着“你只有约1.2 v玩”。

商业上最先进的氧化还原流体电池技术是钒氧化还原流体电池。几家公司已经提供这些电池,包括Invinity能源系统,创建于2020年通过合并流电池公司在英国和美国。在这个水系统积极的半电池电解质包含签证官₂⁺和签证官^{2 +}从钒离子交换v和四世氧化态,而负汹涌中的电解质包含V^{3 +}和V^{2 +}离子,钒之间循环二世和三世氧化态。在一半钒物种细胞有限制的好处“交叉”的影响——当离子跨膜扩散。在一些系统中这可能导致电解液中毒和电池放电。

Invinity说他们的电池可以提供40兆瓦的存储、运行12小时并交付一生的3.8倍能源吞吐量的锂离子电池。到目前为止他们已经提供单位在15个国家超过70个网站,包括一个5兆瓦的电池能源巨大在牛津,预计减少25000吨的有限公司₂到2032年每年排放的城市。对于网格应用程序来说,最大的钒流电池工厂在大连在中国东北,自2022年以来一直在操作。售价266美元,它有一个容量为400兆瓦,第二阶段的容量的两倍。

不纯正的金属

成本仍然是主要问题,可能限制流体电池广泛用于网格存储。与流电池,我可以把一个巨大的水箱,然后出院了100小时,但我也必须支付的材料,”施密特说。虽然比锂更丰富,钒和成本仍然很高欧盟的重要原材料经济重要性,但有很高的供应风险。

但有比铜钒在地壳中,根据亚当•塔克Invinity的技术总监和需求的增加将导致增加生产,以及回收电池本身。的电解质不降解,所以即使结束后的25年电池本身的生活,我们就可以把它正确的回一个新的电池,”他说。

尽管如此,有一个大的推动,试图寻找替代品的钒,Toghill说。帝国理工学院消磨RFC权力使用锰电解液的混合氧化还原流体系统结合了Mn / 2 + 3 +氧化还原半电池在酸性电解液,用氢气。在充放电过程中减少了氢气和氧化,与跨膜质子转移。

使用锰-已经在一次性碱性电池代替钒使千瓦小时的存储便宜至少10倍,根据Mezzavilla。当充电锰氧化,在阴极产生氢气,逆反应发生放电。使用气体而不是第二个液态电解质也消除了交叉的风险作为反应物在两个不同的阶段。

这项技术也可以不会过时的如果一个氢经济成为现实,与氢广泛用作燃料。它可以是非常有趣的夫妇我们使用的氢氢基础设施可能在的地方,”Mezzavilla说。他可以看到未来的场景,化工厂可以使用这种电池来存储氢能源和化工原料:使用氢提供了很多机会的。

RFC的力量正在朝着商业化。他们一直与壳牌合作,改善电池的性能,并与投资帝国燃料电池消磨谷神星力量正在开发一种kilowatt-level示威者,他们预计于2024年投入运行。

还在基础研究领域,过渡金属氧化物簇复合物也电解质候选人,与高稳定性、溶解性和氧化还原化学反应。Toghill说她支持全铁电池,因为(铁)改变其氧化还原电位大大取决于配体搭配。她的团队正在研究系统常用的无毒ferro-ferricyanide电解质搭配铁三乙醇胺和三异丙醇胺复合物,虽然她承认目前溶解度太低了。

混合方法

其他人正在向有机材料,创造更可持续的电池不含金属的流动。但不是容易找到一个系统,可以与20多年的发展,已经进入钒液流电池。新材料已经生产和探索总是有一些警告,“Toghill说,包括穷人长期稳定的分子或副反应会损害细胞的能量容量。

发现有机物种的溶解度1-2M范围提供一个高电荷密度本身是一个挑战,格雷说。添加离子侧链分子可以增加溶解性,但也可能增加粘度太大。她一直在与迈克尔·阿齐兹在美国哈佛大学的一个化学家,他quinone-based流体电池这对蒽醌与ferro-ferricyanide两半电池基本的水溶液。他迄今为止表现最好的系统单独使用一个替代2,2-propionate醚甲基侧链的蒽醌(2-2PEAQ)给它改善溶解性使它成为好的前景电网有机氧化还原流体电池。

那是一个美丽的混合动力锂离子电池与传统电池流动

不是每个人都放弃了网格存储:锂锂硫电池自1960年代以来已经存在,理论容量锂离子电池的三倍。但一些因素阻碍了他们的发展传统的电池,包括解散的中间物种多硫化锂电解质——被称为“聚硫飞船”效应导致快速能力丧失在阴极和巨大的体积膨胀硫反应。但StorTera想方设法规避这些问题与他们的单一液体聚硫氧化还原电池。

”那是一个美丽的混合动力锂离子电池和传统流体电池,“发明家Pallawella说。电池由一个固体金属锂阳极阴极碱多硫化合物在溶液中剩余的。发生电化学反应是复杂的,涉及至少14电子转移和各种聚硫离子。为了避免传统锂硫电池设计的功率损耗,氧化还原活性polysulfite物种可以不断刷新。巧妙的设计了一个电池比其他小流电池,但其使用一种改进的传统锂离子电池。

Pallawella说他们的能量密度徘徊在每升200 wh,这比较好25-50Wh每升钒氧化还原流体电池的容量,他希望他们可以改善和进一步发展。成本也竞争,因为硫便宜——他估计除去或生命周期成本的1 - 1.2 - p / kWh足够便宜开始启用广泛使用与可再生能源资源。2022年StorTera获得£500万从英国政府安装一个兆瓦电池长时间的示威者在爱丁堡附近的米德创新中心。到2024年,他们预计它操作一天8小时,预计30年的寿命。

后勤挑战

甚至完全传统的锂离子电池不应该打折长期网格存储,施密特说,“我不会低估的机会,这里有一个突破,这突然意味着锂离子[电池]适合长时间存储,”尽管他承认它可能。锂离子电池仍可能在短期发挥重要作用网格存储——2021年,例如,澳大利亚维多利亚州安装公用设施由特斯拉的锂离子电池有足够的能力为一百万个家庭提供电力电网故障后半个小时。

没有一刀切能源存储

开发网格存储技术是昂贵和商业化的路线是不简单。“现在是让市场相信我们是一个有价值的投资,从技术和能力的角度来看,“马修Walz说,业务发展副总裁Invinity能源系统。这很普遍认可,需要某种形式的政策支持,”伍德沃德说,但它可能是通过支持和商业担保而不是直接补贴。一个工具,用于网格内部连线技术的推出“帽和地板”机制,它提供了一种最低回报投资者,地板下的收入将超过,但耦合的最大收入上限。英国政府尚未决定,但伍德沃德说,“更重要的是,人们需要的是清晰…要知道什么样的环境他们会操作,将提供什么样的支持。”

有这么多可能的解决方案的混合,我们可能会看到一个最终成为主导吗?“我不认为我们有一个明确的赢家,”格雷说。Mezzavilla认为许多电化学系统仍处于初级阶段,我们可以在成本和性能有大的改进。

最终,Walz说,没有一刀切能量储存的。网格需要短期存储,在该地区的几个小时,来帮助平滑可再生能源发电的可变性一直到大规模季节性存储。流电池像Invinity可能提供中期存储功能,允许一天多次充放电和Walz认为一旦我们有这种能力我们有95%的解决方案。施密特认为流电池将“主力”,将使我们能够成功地过渡到一个以可再生能源为主的基础设施。

长时间存储还有玩的一切。我认为最终将有一个占主导地位的技术,”施密特说。“有人会成为赢家,这将是非常有趣的看到在未来几年。

瑞秋巴西是一个基于科学作家在伦敦,英国

2023年4月26日更新澄清未来电力需求