实现洁净发电：新一代电池与储能技术

对于再生能源电力系统来说，由于天气、阳光和季节性变化引起的巨大输出波动问题，使得发电状态几乎都是间歇性，因此很难将它们稳定地连接到商业电网。在此困境下，当然最佳的解决方案就是开发大规模的储能电池技术，当发电之后，就可以将电力储存起来。

此时，储能系统（Energy Storage System；ESS）就扮演着稳定供电的核心角色，但在今天，在寻找技术和成本效益上的方法来储存电力是一项重大挑战。虽然目前有许多技术方案，但却没有单一的「最佳」的解决方案。这取决于许多因素，这包括了电力储存容量、充电/放电/使用周期、设置地点和成本结构等等。



 
图一 : 储能系统（ESS）已经不仅仅是储能单元。而是根据安装的规格和目的，让这些设备以及DC-AC逆变器的管理能够达到最大效益化。（source：Saft/TotalEnergies；作者整理）

欧洲废旧电池组回收再利用逐年成长
在面对成本压力，已经有一些业者和工程师提出，回收再使用废旧电池组。这些废旧电池通常是从各种类型车辆，或各储电站中有条件式的回收。根据广泛使用的标准，当电池的容量下降到其初始容量的80%时，就可以被宣布已经达到「第一阶段汰除」需更换新电池的程度。

然而，回收再使用废旧电池有几个不可忽视的问题。首先，锂离子电池的特点是体积能量密度高，但在大规模配置中，必须对充/放电/温度和故障安全等各种参数，进行复杂的多级监控。第二个问题是安装时，锂离子电池已经有20%寿命老化的程度。

最后，还有电池管理的问题。可充电电池具有不同的工作特性，必须非常小心处理，即使它们是同一类型，由于充电/放电周期、温度变化，以及在使用和储存过程中在恶劣环境中的处理不同，分开管理和更换周期是必需的。

管理这么大的电池并不容易，但是给这些电池「第二次生命」并重新使用它们的想法显然很有吸引力，至少在某些情况下（第三次生命阶段是回收）。



 
图二 : 欧洲可重复使用锂离子电池的应用。（source：Circular Energy Storage；作者整理）

以固体形式储存电力：熔盐电池满足低成本目标
以目前电池所使用的材料和技术来看，包括铅酸电池、钠硫电池和镍金属氢化物电池等，这些技术都存在一个共同的问题，就是在储存期间会发生自发性放电。例如，车辆长时间停放不使用时，电池就会缓慢被放电直至耗尽为止。因此全球的电池业者投入了相当大的资源，期望开发出更缓慢自发性放电技术，或甚至完全闭锁便利储存的技术。

美国太平洋西北国家实验室（PNNL）的一个研究小组开发了一种铝镍熔盐电池，利用熔盐电解质的「冻结和融化现象」来达到防止电池的自发放电。

这款铝镍熔盐电池可以保持90%以上的储存电量长达12周。在电力供需有余量的情况下储存电力能量，并在电力需求增加时，可以低成本的将电力提供给电网系统。

熔盐电池观念是在第二次世界大战期间，德国为V2火箭所开发的一项技术。其原理是，透过采用在室温下不导电的固体无机盐作为电解质，让正负电极在电力储存期间处于绝缘状态，从而防止自发放电。当电解液被加热形成熔盐时，会产生离子导电性，来作为启动机制，提供电池放电的能力。

具体上PNNL是将电解液中的熔盐加热到180℃左右，就具有离子导电性和可充放电性。反之，当熔盐冷却到室温时，就会开始凝固并失去导电性，进而抑制了自发放电，并能长期保持电力储存的状态。非常适合应用在发电间歇波动较大的再生能源发电，解决了季节性或时间性稳定输出需求的一个重要方式。

PNNL研究小组更进一步的透过采用铝阳极和镍阴极，并在电解质中添加了硫磺来提高能量密度。经过开发出的试作品试验，PNNL发现这款电池，可以在长达12周的时间内保持92%的初始储存功率容量，同时获得260Wh/kg的理论能量密度，这比铅酸电池和液态电池的能量密度更高。

此外，阳极和阴极之间的隔板由简单的玻璃纤维制成，而不是昂贵且易碎的陶瓷隔板，来确保低成本和坚固性。PNNL预计在使用更便宜的铁材料后，可将成本降低至6美元左右，这相当于目前锂离子电池材料成本的1/15。

锌材储能技术 加速实现碳中和
「流动型锌空气电池」技术是以锌作为储能材料，锌是一种丰富且廉价的资源，易于增加储存单元的尺寸来增加容量，并且其特点是负责充电和放电的部分，与电力储存部分是相互独立的达到实现低成本、高容量的储存电池，同时使用水基液体作为电解质还具有高度安全性的优点。

在充电过程中，氧化锌（ZnO）在化学转变为锌时，会储存电子。另一方面，在放电时，由于空气中的氧气的作用，当锌返回氧化锌时，它会释放所储存的电子，从而使电力得以释放。

 
图三 : 透过锌来做为充放电时电子的储存与释放媒介。（source：SHARP；作者整理）

通过利用氧化锌和锌的这种变化循环，可以做为反复充放电的蓄电池来使用。

其技术的优势如下：

由于使用低成本的锌作为储能材料，可以降低成本
目前，大多的电池都是以锂做为储能材料，由于生产和提炼国家有限，使得锂材料的价格一直居高不下，并且存在着供需压力的风险。但是，锌材料在许多国家都可以生产和精炼，因此价格便宜，且供应也相对的稳定。

流动型系统有利于高容量的生产
在流动型系统中，充放电单元和储存部分是相互独立的，因此很容易通过增加储存尺寸来提高容量。原则上，储存部分的成本是低于充放电单元，再加上使用廉价的锌，这可将达到低成本、高容量储存电池的目标。

水性电解质带来的高安全性
由于浸锌的电解液是水性液体，因此燃烧的可能性极低，这与使用有机溶剂（非水）的蓄电池相比，具有更高的安全水平。

未来大型电力储能系统的关键技术
如今，全球总发电量中约30%源自太阳能、风能、水能及其他可持续能源；本世纪初，这一比例占20%左右。国际能源署（International Energy Agency）预测，到2050年，几乎90%的电力将由绿色能源提供。

因此对于再生能源所需的储能系统来说，全球相关业者不仅积极的开发二次电池的技术和材料，同时为了解决目前太阳能和风力发电的难以控制的不连续性发电，也有业者开始透过更先进充电观念，尝试将储电电池作为发电架构中的一部分，开发出和太阳能和风力相同绿色能源发电的新一代发电技术。

透过压缩空气来储存电力
压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage；CAES）与其他储能系统一样，在1978年首次商业化，经过40多年后，现在正处于革新的边缘。CAES是一种「可充电」系统，当系统驱动压缩机将电能转化为压缩空气，而在发电时，再将压缩空气膨胀的力量使涡轮机旋转发电。

然而，传统的CAES存在以下问题：（1）只能在有岩盐层的地区使用；（2）压缩后的气体，大多是用来提高火力发电中，燃气轮机的燃烧效率，但燃气轮机再运转的过程中，会排放大量的废气；（3）压缩的过程中会损失相当多的热量，导致发电效率降低到40%左右。因此，一些公司正在研究改进这些问题，开发出下一代的CAES，来增加其应用的潜力。

根据许多数据显示，下一代CAES将改善上述问题。方案一：透过使用水箱、利用水的静压储存设施，和现有的人工密闭空间来解决建设地点的限制；方案二：利用特殊的涡轮机，来利用压缩空气的膨胀力发电，而不是火力发电，解决废气排放和其他问题。透过压缩过程中产生的热量，将其储存在传热介质中，在发电过程中产生膨胀的力量；方案三：目前的发电效率已经可提高到70%左右。

目前的技术可以利用废弃的矿坑直接储存已压缩的空气，而不需要铺设混凝土。

但必须至少符合两个条件：（1）矿坑的内壁需要由结晶度高的火成岩构成；（2）内壁的上部必须有地下水层覆盖。

这也被称为是一个 「水封式CAES」。虽然火成岩比其他岩石的结晶性更强，但它不像岩盐构造那样密不透风。因此，可以利用地下水的压力封闭储存空间，达到防止泄漏的作用。日本的电力中央工业研究所已经透过这样的方式，在岐阜县的神冈矿区进行测试，目前已经证实了可以储存1.87MPa的压缩空气。


 
图四 : 中央电力工业研究所证明可以透过矿坑来压缩空气发电。（source：日本中央电力工业研究所、NIKKEI；作者整理）

抽水蓄能电力转换发电
抽水蓄能是最古老的可再生能源发电和储能技术，目前仍在世界各地广泛部署。

通常情况下，电力需求在白天增加，晚上和节假日白天减少，而大多的水库发电机都是在白天时运转，这导致一些发电厂的电力过剩。

抽水蓄能就是利用这些多余的电力，在晚上将水从下部水库抽到上部水库，而在白天电力需求高的时候，将水量释放到下部水库，带动涡轮机发电。夜间使用的剩余电力有一些模式，例如由附近的电力公司供电，或利用水库内建的蓄电池的电力，来启动马达抽水。

此外，虽然全球的水库都备有水力发电系统，但几乎大部分电厂都还没有引进抽水蓄能设施。根据国际能源署（IEA）年报告，到2025年，欧洲大部分新的水库发电站将设置抽水蓄能系统。

热能储存发电也备受关注
大多人都同意，热能储存是「最清洁、最高效的储存技术」，因此近年来也备受关注。热能储存是一种将可再生能源发电系统的剩余电力和热能储存起来，在特定时段再利用废热方式来发电的技术。例如，将白天收集的太阳能热量储存起来，在晚上应用在空调等耗电设备上等。

目前可以储存热能的材料包括水、冰、沙子和岩石，而典型的蓄热介质是安装在建筑物或公寓屋顶上的水箱。根据国际可再生能源机构（IRENA）2020年发布的一份报告，2019年全球热能储存容量在200GWh左右，但预计2030年将超过800GWh。事实上，2021年全球热能储存市场已经达到37亿美元，并且正在稳步增长。