绿色能源的挑战:如何储存多余的电力

多年来,让可再生能源变得实用和可靠的绊脚石一直是如何在没有阳光和没有风的情况下储存电力。但新技术表明,这一目标可能最终会实现。

“为什么我们要忽略我们已知的东西?”我们知道,太阳不会永远照耀,风也不会永远吹。”美国前能源部长詹姆斯·施莱辛格和罗伯特·l·赫希在去年春天华盛顿邮报》,建议,因为这些关键可再生能源只能间歇地产生电力,“太阳能和风可能只会为未来的未来百分比提供谦虚的百分比。”

从不介意Schlesinger未能披露他坐在世界上最大的私营部门能源董事会的董事会 - 如果太阳能和风力通行的未来到达,这是一个有很多才能失去的企业。但至少他和他的共同作者将其部分正确地说道。风和太阳的好处主要间歇性 - 到目前为止。但这对某种人错过了一种激烈地寻求实用,经济的电力存储,以击败这种间歇性问题在进行中。

几十年来,“电网平价”一直是替代能源的圣杯。批评人士批评说,如果没有政府的巨额税收减免或直接补贴,像风能和太阳能这样的技术无法与煤炭和核能等传统电力来源一美元对一美元的竞争。但突然之间,随着技术的快速进步和制造规模经济的不断增长,风力发电现在几乎与电网持平——这意味着风力发电与燃煤发电的成本大致相同。而太阳能达到电网平价的日子可能只剩下5年的时间了。

因此,随着电网平价的迫近,寻找方法来储存数百万瓦特的过剩电力,以备不时之需,在没有风和没有太阳照耀的时候使用,是新的圣杯。而且有迹象表明,这一目标——有朝一日,大规模的能源储存变得实用且具有成本效益——可能也即将实现。一些能够储存大量间歇性电力的技术已经投入使用。其他的,包括至少一些很有前途的,还在技术层面的某个地方。

大规模的电力储存有望改变游戏规则,解放替代能源。

新的储存方法包括对现有锂离子电池和计划的改进,以将能源存储为巨大的压缩空气巨大地质拱顶。另一个想法是创建一个小型,能量密集的电池网络,几十万人。在这种“分布式存储”方案下,公用事业计算机可以通过不断通信的“智能电网”坐标电流,并调整局部电池的电力流量。这甚至可以包括未来插入式混合动力或全电动车辆的电池。

2008年,2008年突破甚至可以通过使用从可再生来源产生的多余的电力来实现化学家的长期梦想,通过使用可再生能源产生廉价的电力,可以廉价地生产氢气,然后可以在燃料电池到动力室和汽车。

在一个主要依靠化石燃料运行的世界里,找到储存电力的方法并不是一个紧迫的问题:在需求高的时候,一个区域电网内的发电厂只会燃烧更多的燃料。但大规模的电力储存有望成为能源游戏规则的改变者,将替代能源从间歇性的限制中解放出来。这意味着,如果风力或太阳能发电厂是最便宜、最清洁的发电方式,那么什么时候有阳光、什么时候有风都无所谓。

一个存储方法似乎显而易见:改善电池技术。可高效,巨大的电池,可以存储数千万瓦的果汁。今天,绝大多数新的屋顶太阳能光伏面板连接到网格,用它作为巨大电池,当太阳能电池板提供多余的电力时,将过量的电量推到网格上。然后,当太阳不闪耀时,该建筑物从网格中汲取电力,其仪表向后旋转并使用EBB和电源流动。使用相对较少的太阳能屋顶尚未在游戏中,公用事业公司通过在旨在平衡波动供需的传统发电厂的速度下降和升高的发电来管理任何退潮和流量。

一个更强大的太阳能和风能的世界可能会更好的服务于某种巨型电池,或者,更可能的是,它们中的许多,广泛分布。基本概念已被证明。自2003年以来,世界上最大的备用电池一直在为整个城市储存能量:阿拉斯加的费尔班克斯。由于与外界隔绝,也不属于任何地区电网,这座拥有约10万居民的大都会区比大多数地区都需要电力保障:在零下的冬天,管道可能在短短两小时内就会被冻住。六年前,该市安装了一个巨大的镍镉电池,多年来,这种技术一直用于笔记本电脑和其他便携式设备。

这个1300吨重的电池安置在一个巨大的仓库里,比一个足球场还大,可以产生4000万瓦的电力。尽管如此,费尔班克斯的电池只能为12000名居民提供7分钟的电力。这足以在电池运行的头两年里防止该市发生81次停电。

然而,从太阳能或风阵达的电力储存电力等同于一家大型煤炭厂的电力,意味着电池在令人叹为观止的秤上 - 数百个单位的Fairbanks阵列的大小。

成本将是确定哪些电池或其他存储技术占上风的关键。

一个可能的答案吗?在日本,所谓的“流”电池多年来一直用于工业工厂储存备用电力。传统的电池以化学形式储存能量。在液流电池中,带电的化学物质被泵入储罐,允许更多的化学物质被充电并泵出,然后泵回电池的活性部分,并根据需要抽出。一个很大的优点是:电池的“尺寸”可以通过简单地添加更多的化学物质和更多的储罐来扩大。2003年,在澳大利亚海岸附近的小国王岛,当地的公用事业公司安装了一个大流量电池来吸收并释放风力发电厂的多余电力。

与替代发电技术一样,成本将是决定哪一种电池或其他存储技术可能占上风的关键。除了原材料、维护成本和耐久性等典型的经济问题外,存储技术在“往返效率”方面都面临一些损失。不可避免的是,一些能量在储存过程中损失,更多的能量在输出过程中损失。

目前,人们对锂离子电池寄予厚望,因为它们具有令人印象深刻的往返效率,可以储存高密度的能量,可以在退化前进行数千次充放电。由于这些特性,锂离子电池技术在笔记本电脑和手机中越来越占主导地位。在更大的规模上,一个强大的锂离子电池组为昂贵的全电动特斯拉跑车提供动力,并计划在明年为插电式混合动力雪佛兰Volt提供动力。

在网格上,已经进行锂离子实验。一家公司普通电气支持的A123系统,于2008年宣布,已收缩,在全球公用事业巨头拥有的加州电厂安装了两兆瓦锂离子储存单元。

不过,锂离子电池仍然是一项相对昂贵的技术——比同等容量的铅酸电池贵10倍。随着时间的推移,技术进步和生产规模应该会降低锂的成本,但到那时,世界上可能会有人找到了制造更好电池的方法。

今年早些时候,IBM透露,它正在开展一项重大的研究项目,研究一种看起来更有前途的技术——锂金属空气电池。上个月,一家名为PolyPlus的公司宣布,他们已经成功开发出了一款智能手机。

Polyplus电池和IBM技术的能量密度令人惊讶地提供了比今天最佳锂离子技术更高的10倍。这意味着,磅为磅,他们提供汽油的能量密度。它们可以存储如此多的能量的关键原因是它们使用从空气中抽取的氧气,代替其锂离子瘤素中使用的一些化学反应物。

电动汽车或电网上的任何地方储存的电力可能不是来自电池
毕竟。

这里有一个大摩擦:空气不仅仅是氧气。值得注意的是,它还含有湿度,锂有一个坏习惯,当暴露在湿度下时,它就像点燃的汽油一样,造成火灾和爆炸的真正风险。IBM位于加州圣何塞附近的阿尔马登研究中心(Almaden Research Center)的科技经理钱德拉塞卡·纳拉扬(Chandrasekhar Narayan)建议,研发一种有效的薄膜需要5到10年的时间,这种薄膜能让氧气进入电池,同时防止水分进入电池。

仍然处于“馅饼式”模式,有“车到网”的存储,或“carbitage”。这个诱人的概念依赖于未来将使用的数百万插电式混合动力或全电动汽车电池的闲置存储。有理由相信这个计划行得通。超过90%的时间汽车都处于闲置状态,除了那些被用于长途旅行的日子,它们的大部分全部储能能力都没有使用。

特拉华大学无碳电力集成中心主任威利特·肯普顿表示,一辆闲置的电动汽车可以产生多达10千瓦的电力,足以满足10户家庭的平均需求。通过一组智能电表控制的“车到网”技术,在家里或工作场所插上电源的车主可以让电网在短期需求高的时候切断未使用的电量。相反,汽车可以在需求低的时候进行充电。

这些电动汽车或电网上的任何地方储存的电力可能根本不是来自电池。今年3月,总部位于德克萨斯州的EEStor宣布其“超级电容”技术已获得第三方认证。该公司称,这款去年12月获得美国专利的轻型设备可以比任何电池更快地储存大量电能,而且成本更低。

和电池一样,电容器可以储存和计量电能。早在无线电时代,小型传统电容器就已经在电子设备中无处不在。但到目前为止,电容器的储能能力还不足以与电池相媲美。它们被用作消除电压波动的设备,或用于短暂存储电力,以便于几乎瞬间释放。

Eestor声称其设备,这是一个季度类似的重量

Nocera
Donna Coveney / MIT
麻省理工学院的丹尼尔·诺塞拉所做的工作可能会打开一种可能性,即电能可以通过分解(然后再重组)大量的水分子来存储。

锂离子电池,可以保持几天的大容量。该公司的专利描述了一种重281磅的设备,它几乎可以容纳与特斯拉跑车上安装的半吨锂离子电池组相同的电量。该公司的超级电容尚未在商业产品中证明自己。但工业巨头洛克希德马丁已经与EEStor签署协议,将在国防应用中使用未来的超级电容器。总部位于多伦多的Zenn Motors也持有EEStor的股权,该公司表示将在2010年推出使用该技术的电动汽车。

如果先进的电池或超级电容器不是最终的答案,也许使用多余的电力来制造可以存储的氢将达到目的。氢可以通过简单的电解生产,但技术和成本的障碍使电解不现实。今天,工业规模的氢气是用天然气作为不那么清洁的原料生产的。

但是,在去年夏天,当麻省理工学院宣布由化学家丹尼尔·纳米队的团队导致的团队达到了“主要发现”,它已经采用了一种使用钴和磷酸盐 - 丰富和无毒材料的新种类催化剂 - 开始电解。

外界观察人士表示,这一过程可能是革命性的:开辟了一种可能性,即通过简单地分解(然后再重组)大量水分子,甚至是不可饮用的海水,来储存太阳能或风能随时产生的电能。伦敦帝国理工学院的英国科学家詹姆斯·巴伯称赞这一突破“对人类未来的繁荣有着巨大的影响”。据xconeconomy网站4月份报道,Nocera已经悄然成立了一家名为Sun catalyst的初创公司。记者未能联系到Nocera请其置评。

并且在一个完全不同的前线方面取得了进展 - 使用过量的电力将压缩空气泵入洞穴,盐圆顶和旧天然气井,然后释放空气,以帮助最先进的天然气发电厂旋转涡轮机,将燃料量降低多达70%。IOWA,明尼苏达州的公用事业财团和达科他州在美国桑迪亚国家实验室已经与美国桑迪亚国家实验室开发了一个巨型268兆瓦的压缩空气系统。被称为爱荷华州储存能源公园,它将从该地区的蓬勃发展的风力行业储存过量的能源。