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近日，德國紐倫堡赫爾姆霍茲可再生能源研究所的I.M. Peters教授在Joule上以“The role of batteries in meeting the PV terawatt challenge”為題對(duì)此問題進(jìn)行了系統(tǒng)解答。文章討論了固定式電池作為支持技術(shù)在擴(kuò)大光伏發(fā)電的部署方面的潛在作用。文章從性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)因素等方面探討電池如何能夠最好地支持光伏發(fā)電。通過研究發(fā)現(xiàn)，電池容量適度的增加在靈活性、成本和環(huán)境影響之間提供了一個(gè)很好的折衷方案。作者認(rèn)為，要使電池在能源轉(zhuǎn)換中成為光伏發(fā)電的有力伙伴，需要延長電池的壽命，降低系統(tǒng)的成本，以及高效的回收利用機(jī)制和強(qiáng)有力的支持性監(jiān)管體系。

研究背景

“太瓦級(jí)挑戰(zhàn)”一詞是2003年由理查德·E·史密利提出的，他將其描述為“可以適應(yīng)我們的能源基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)解決石油資源減少和大氣中CO2含量上升的問題”的計(jì)劃。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，需要布局太瓦級(jí)的太陽能光伏和風(fēng)能，并涉及到能源基礎(chǔ)設(shè)施的重大轉(zhuǎn)型。盡管預(yù)計(jì)風(fēng)能和太陽能發(fā)電能力將擴(kuò)大并成為全球發(fā)電的最大貢獻(xiàn)者，但必須有輔助的技術(shù)來簡(jiǎn)化可再生能源的轉(zhuǎn)化利用。

目前已經(jīng)有多項(xiàng)研究討論了如何達(dá)到可再生能源貢獻(xiàn)水平很高的方案，并提出了不同的策略。從技術(shù)上講，任何在空間或時(shí)間上轉(zhuǎn)移能源的機(jī)制，都可以用于實(shí)現(xiàn)本地或全球100%的可再生能源貢獻(xiàn)。但是，使用單一機(jī)制將會(huì)導(dǎo)致既不利于生態(tài)，也不利于經(jīng)濟(jì)或可持續(xù)發(fā)展。因此，具有高可再生能源貢獻(xiàn)的方案可以與其他方案一起實(shí)施。相反，這意味著不存在必要的或不可替代的特定技術(shù)。特定技術(shù)（如能量存儲(chǔ)器）的貢獻(xiàn)不是固定的，而是存在一個(gè)范圍，其內(nèi)在由技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)表現(xiàn)定義，外在由監(jiān)管體系等因素限制。作者從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的角度，對(duì)支持光伏發(fā)電能力發(fā)展的電網(wǎng)規(guī)模級(jí)電池儲(chǔ)存的機(jī)遇和挑戰(zhàn)提出了自己的看法。電池的建設(shè)性使用意味著它們能夠以低成本和低碳排放量的方式，從可再生能源中獲得更多的電力。
全文解析

1、電池作為太瓦級(jí)光伏發(fā)電的推動(dòng)者

為了理解光伏-電池系統(tǒng)的基本特性，作者開發(fā)了一種簡(jiǎn)化的方案。在這個(gè)方案中，僅關(guān)注電池對(duì)改善太陽能資源和恒定負(fù)載之間的匹配性的能力。能夠在匹配的情況下提供最大改善的電池容量，將被稱為參考容量。

同時(shí)安裝光伏面板和電池，可以將高產(chǎn)量時(shí)期產(chǎn)生的電力進(jìn)行儲(chǔ)存并轉(zhuǎn)移到低產(chǎn)量或無產(chǎn)量時(shí)期。這種轉(zhuǎn)移通過平滑振蕩來改變光伏-電池系統(tǒng)功率輸出的變化幅度。為了說明這種變化，作者定義了均勻性因子U，由下式給出：



2、經(jīng)濟(jì)方面的考慮

對(duì)于使用電池儲(chǔ)能的最大擔(dān)憂之一是它增加了電力生產(chǎn)的成本。成本影響主要取決于所使用的電池的容量。作者認(rèn)為，從系統(tǒng)架構(gòu)的角度來看，低于4kWh/kWP的電池容量是合理的。其中，安裝成本是最重要的經(jīng)濟(jì)因素。這些成本限制了經(jīng)濟(jì)上可行的存儲(chǔ)容量。第二個(gè)重要經(jīng)濟(jì)因素是電池壽命。電池壽命決定了系統(tǒng)中更換電池的速率，同時(shí)這也具有生態(tài)意義。

作者使用模型計(jì)算了平均能源成本（LCOE），結(jié)果如圖2所示，使用圖1中每個(gè)城市的實(shí)際電池容量，安裝成本分別為200美元/千瓦時(shí)和350美元/千瓦時(shí)，使用壽命分別為15年和30年。圖中還顯示了每個(gè)城市的公用事業(yè)規(guī)模純光伏裝置的LCOE值（藍(lán)色）和當(dāng)前家庭用電成本（棕色）。
3、生態(tài)方面的考慮

除了增加成本外，電池還將增加光伏系統(tǒng)對(duì)生態(tài)的影響。電池生產(chǎn)需要能源和資源，而廢舊電池會(huì)產(chǎn)生污染物。在增加電池容量時(shí)也應(yīng)考慮這些方面。作者研究了電池的加入對(duì)全球變暖可能性（GWP）和光伏電池系統(tǒng)的能量回收（EP）時(shí)間所產(chǎn)生的影響。研究得到的GWP如圖3的上半部分所示。圖中顯示兩種不同的電池-光伏系統(tǒng)的GWP值，一種是不更換電池（電池壽命為30年），另一種是更換電池（電池壽命為15年）。同時(shí)還顯示了2019年德國和科羅拉多州以及2018年新加坡的碳排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)。盡管與純光伏系統(tǒng)對(duì)比，電池的加入增加了光伏系統(tǒng)的GWP值，但是光伏-電池系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度仍遠(yuǎn)低于當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)中的排放強(qiáng)度。EP時(shí)間指的是能源系統(tǒng)所產(chǎn)生的能量與構(gòu)建其所需要用的能量相抵消時(shí)所需要的時(shí)間。光伏系統(tǒng)的典型EP時(shí)間在半年到兩年之間，具體取決于技術(shù)和所在位置。圖3的下半部分顯示了純光伏系統(tǒng)和光伏-電池系統(tǒng)（電池壽命分別為15年和30年）的EP時(shí)間。與僅使用PV的系統(tǒng)相比，在此示例中引入電池使EP時(shí)間增加了25％至60％。
4、電池老化的影響

電池老化是一個(gè)復(fù)雜的過程，會(huì)導(dǎo)致容量的衰減和內(nèi)部電阻的增加。如圖4展示了老化將會(huì)如何影響電池的自給自足。作者設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的容量衰減模型，在30年的使用壽命中，年衰減率恒定在0％至10％之間。在使用時(shí)，電池只能在低倍率和/或中等電流密度下運(yùn)行。因此，在隨后的考慮中，作者假定內(nèi)阻增加帶來的影響很小。
衰減模型的結(jié)果如圖5所示。隨著容量衰減率的增加，均勻系數(shù)減?。▓D5A，上半部分），均勻系數(shù)隨額外電池容量的變化率（圖5A，下半部分）。均勻性的降低表明了容量快速衰減帶來的嚴(yán)重后果。盡管參考容量沒有受到太大影響，但電池在其使用壽命期間轉(zhuǎn)移能量的能力受到很大影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)可再生能源在電網(wǎng)中的利用產(chǎn)生影響。為了使這一特性更加具體，作者在圖5B中繪制了不同衰減率下的電池容量和均勻系數(shù)關(guān)系圖。參考容量同樣由均勻系數(shù)隨電池容量的最大變化給出，并在圖5A中用點(diǎn)標(biāo)記。對(duì)于較小的衰減率，容量的減少可以通過使用較大的電池來補(bǔ)償，并且在很大程度上可以保持均勻性。一旦衰減率超過2%至3%，這種補(bǔ)償將失效，均勻性開始下降。而當(dāng)衰減率非常大時(shí)，參考容量會(huì)保持不變，甚至下降。這種特征轉(zhuǎn)化為電池衰減對(duì)LCOE、GWP和EP時(shí)間的影響。雖然可以保持均勻性，但這三個(gè)數(shù)值都會(huì)隨著容量的降低而增加，因?yàn)檩^大的電池可以補(bǔ)償容量的損失。



5、電池-光伏系統(tǒng)所面臨的阻礙（技術(shù)阻礙、經(jīng)濟(jì)阻礙、政策法規(guī)的阻礙）

技術(shù)阻礙

盡管采用固定式電池并沒有根本的技術(shù)障礙，但在組件和系統(tǒng)層面上，其性能仍有待提高。電池發(fā)展的趨勢(shì)將是交通工具的持續(xù)電氣化。這一趨勢(shì)將保證并加速電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和鋰離子電池產(chǎn)能的擴(kuò)大（圖6A）。這一趨勢(shì)給固定式電池存儲(chǔ)帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。大容量電池的使用是一個(gè)機(jī)會(huì)，特別是在考慮二次回收使用的情況下，可以探索電動(dòng)汽車和電池存儲(chǔ)之間的協(xié)同作用，進(jìn)一步支持可再生能源的開發(fā)。固定式電池面臨的挑戰(zhàn)是，其市場(chǎng)份額低于總電池市場(chǎng)的10％，并且在未來幾年中可能會(huì)保持這種狀態(tài)（圖6B）。如果不建立專門為太陽能和風(fēng)能提供可變功率服務(wù)的電池市場(chǎng)，就有可能面臨未針對(duì)該應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的問題，這可能會(huì)損害目標(biāo)成本和可靠性。

經(jīng)濟(jì)阻礙

電池系統(tǒng)的成本將決定其對(duì)擴(kuò)展光伏發(fā)電容量的貢獻(xiàn)。按今天的成本計(jì)算，在商業(yè)上電池與光伏裝置一起安裝是可行的。降低電池系統(tǒng)成本將進(jìn)一步提高光伏電池系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力，并促進(jìn)更多的電池存儲(chǔ)項(xiàng)目或光伏-電池組合項(xiàng)目。圖7顯示了不同存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展曲線。黃色帶標(biāo)記的范圍在500GWh和20TWh之間的電池容量，足以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)支持多個(gè)太瓦級(jí)的光伏系統(tǒng)。藍(lán)色帶顯示了行業(yè)專家和學(xué)者的預(yù)測(cè)范圍。如前所述，一些研究指出了降低成本的實(shí)際限制。這些研究期望發(fā)展曲線趨向于特定技術(shù)的最小值。 政策法規(guī)的阻礙

在德國進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查中，有86％的公司表示，他們將監(jiān)管框架視為新電池存儲(chǔ)概念和技術(shù)進(jìn)入的最大障礙。政策和法規(guī)有時(shí)會(huì)缺失，有時(shí)會(huì)阻礙流程，從單一用途到多用途的過渡會(huì)變得更加復(fù)雜。盡管法規(guī)是針對(duì)特定地區(qū)的，但在許多地區(qū)都可以觀察到類似的趨勢(shì)。在其他地區(qū)，缺乏法規(guī)或不連貫的政策是主要障礙。對(duì)于以越來越高的速度部署的能源技術(shù)而言，具有挑戰(zhàn)性的監(jiān)管環(huán)境并不罕見，并且電池的狀況反映了光伏技術(shù)的狀況。

總結(jié)與討論

光伏發(fā)電的太瓦級(jí)挑戰(zhàn)已成為一項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施挑戰(zhàn)。當(dāng)過渡到以可再生能源為主要能源時(shí)，如何設(shè)計(jì)未來的能源系統(tǒng)將擺在人們的面前。達(dá)到碳中和的途徑有許多種，涉及到各種技術(shù)：通過傳輸，存儲(chǔ)和負(fù)載管理來補(bǔ)充發(fā)電。電池引入了一種機(jī)制，可以隨時(shí)間分配能量，甚至可以在當(dāng)?shù)貪M足供需需求。此外，電池本質(zhì)上是模塊化的，可以無處不在地部署，并且容量可以自由擴(kuò)展。此功能使電池不同于抽水蓄能。電池具有其他有利特性，它們能夠支撐電網(wǎng)穩(wěn)定性并能對(duì)供電波動(dòng)和停電做出迅速反應(yīng)。

由于電網(wǎng)具有高度耦合的性質(zhì)，因此對(duì)所需的電池沒有確定的數(shù)量要求，所以電池最適合用于支持已安裝的光伏發(fā)電容量的擴(kuò)展。通過簡(jiǎn)單模型分析，作者認(rèn)為3至4 kWh/kWP的電池容量在使光伏發(fā)電曲線向均勻性過渡方面最有效。相同的容量所產(chǎn)生的電力成本目前約為今天的兩倍，并且到2030年預(yù)計(jì)將約為當(dāng)今純光伏系統(tǒng)的電力成本的1.3倍。相應(yīng)的光伏-電池系統(tǒng)的碳排放量是純光伏系統(tǒng)的2至3倍，但仍比當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)的碳排放量低5到10倍，隨著生產(chǎn)中使用更清潔的能源，碳排放量將進(jìn)一步減少。與僅使用光伏發(fā)電的系統(tǒng)相比，能量回收時(shí)間增加了大約50％。

大規(guī)模固定式電池的采用也面臨挑戰(zhàn)。盡管不斷增長的電動(dòng)汽車市場(chǎng)能夠降低電池組的成本，但這些電池在固定式儲(chǔ)能方面并沒有進(jìn)行優(yōu)化。此外，固定式電池的BOS成本仍然很高。特別的是，使用壽命長（30年）的電池對(duì)于固定式電池的性能很有幫助。電池還面臨著進(jìn)一步的環(huán)境挑戰(zhàn)，主要包括可持續(xù)的回收利用和原材料的開采以及替代材料和技術(shù)領(lǐng)域的研究。包括鋰和鈷在內(nèi)的金屬開采帶來了環(huán)境和社會(huì)挑戰(zhàn)。最后，目前的監(jiān)管壁壘阻止了固定式電池的廣泛使用。在規(guī)章制度有力支持下的廉價(jià)耐用的固定式電池會(huì)是光伏技術(shù)在應(yīng)對(duì)太瓦級(jí)挑戰(zhàn)方面的強(qiáng)大同伴。

I.M. Peters, C. Breyer, S.A. Jaffer, S. Kurtz, T. Reindl, R. Sinton, and M. Vetter, The role of batteries in meeting the PV terawatt challenge, Joule 2021, https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.023 

原標(biāo)題：Joule：電池在應(yīng)對(duì)太瓦級(jí)光伏挑戰(zhàn)中應(yīng)該扮演什么角色？