电网规模的电池储能系统正在悄悄地彻底改变能源体系

发电的棘手之处在于，在大多数情况下，您几乎必须使用它或失去它。

这一基本事实支配并限制了世界上最大的机器的发展：价值 2 万亿美元的美国电网。大型发电机沿着整个大陆的导体、变压器、电缆和电线网络将电子发送到数百万家庭和企业，巧妙地平衡供需，使每个电灯开关、计算机、电视、炉灶和充电电缆都能在 99.95% 的时间内打开。

确保始终有足够的发电机将电力输送到该国的每个电源插座，这需要精确的协调。虽然实际使用的电量在一天和一年中可能会大幅波动，但电网的建设是为了满足短暂的高峰需求，例如炎热的夏日，空调的使用量可能会使平均用电量翻倍。想象一下，建造一条 30 车道的高速公路，以确保没有司机需要踩刹车。这实际上是那些设计和运行电网的人不得不做的事情。

但是，如果您可以暂时保留电力并保存以备后用呢？您不必过度建设电网或花费大量精力来保持发电与用户的平衡。您可以消除不排放二氧化碳的间歇性电源（如风能和太阳能）的缺点。在输电线路损坏的紧急情况下，您可以轻松获得本地备用电源。您甚至可能根本不需要一个巨大的集中式电网。

这就是电网规模储能的承诺。虽然美国实际上几十年来一直在使用一种称为抽水蓄能的简陋形式的储能，但该国现在正在经历储能容量的巨大激增，这一次来自我们大多数人都随身携带的一项技术：锂离子电池。2021 年至 2024 年期间，电网电池容量增加了五倍。到 2024 年，美国安装了 12.3 吉瓦的储能。今年，新的电网电池安装量有望比去年增加近一倍。电池存储容量现在超过抽水蓄能容量，总计超过 26 吉瓦。

仍有很大的扩展空间，而且迫切需要这样做。电力部门仍然是美国第二大温室气体排放源，如果没有廉价和充足的储存，就无法添加足够的间歇性清洁能源来充分实现电网脱碳。

Power transmission towers outside the Crimson Battery Energy Storage Project in Blythe, California.

 照片：Bing Guan/Bloomberg via Getty Image

老化的美国电网也急需升级，电池可以缓冲增加数吉瓦风能和太阳能的冲击，同时为进行更广泛的翻新赢得一些时间。一些电力市场终于开始了解电池可以提供的所有服务（频率调节、调峰、需求响应），从而创造了新的业务线。电池也是构建小型、本地化电网的关键工具。这些微电网可以为偏远社区提供可靠的电力，并有朝一日将整个电网转变为更加分散的系统，以更好地抵御极端天气等中断。

如果我们能做对，真正的电网规模电池存储将不仅仅是清洁能源的推动者，而是为新时代升级电力系统的一种方式。

大电池是如何变得如此之大的

早在 2011 年，我的第一批报道任务之一就是前往西弗吉尼亚州的一个风电场，参加当时世界上最大的电池储能系统的落成典礼。它由 AES Energy Storage 建造，涉及存储容器中的数千个锂离子电池，这些电池共同提供 32 兆瓦的电力，并持续约 15 分钟。

“总共有 8 兆瓦时，”时任 AES Energy Storage 副总裁的 John Zahurancik 说，他当时带我参观了这个设施。这大约是 260 户家庭一天的用电量。

从那以后的几年里，电池存储量增加了几个数量级，正如 Zahurancik 的新工作所证明的那样。他现在是 Fluence 的总裁，这是 AES 和 Siemens 的合资企业，迄今为止已在全球部署了 38 吉瓦时的存储。“我们今天正在建造的东西，我们的许多项目的规模都超过一吉瓦时，”Zahurancik 说。

去年，美国最大的存储设施上线是加利福尼亚州的Edwards & Sanborn项目，该项目可以容纳3.3千兆瓦时。这大约相当于 110,000 户家庭一天所需的电力。

然而，到这一点并不是一个稳定的攀升。十多年来，美国的整体电网电池容量几乎没有变化。然后，在 2020 年左右，它开始飙升。发生了什么变化？

一个转变是最常见的电池存储技术锂离子电池的价格大幅下降和能量密度增加。“我们做的第一个项目是在 2008 年，电池价格为每千瓦时 3,000 美元，”Zahurancik 说。“现在，我们正在寻找每千瓦时 150 美元到 200 美元的系统，用于整个系统安装。”

部分原因是电网上的电池与移动设备和电动汽车中的电池没有太大区别，因此电网电池受益于这些产品的制造改进。

“这都是一条大管道，”佐治亚理工学院（Georgia Tech）研究清洁能源技术的教授米卡·齐格勒（Micah Ziegler）说。“手机、汽车和电网中的电池都有共同的特征。”看到这种不断增长的需求，中国大力发展电池制造，就像在太阳能电池板方面所做的那样，创造了规模经济来压低全球价格。中国现在生产了世界上 80% 的锂离子电池。

风能和太阳能的蓬勃发展创造了对电池的更多需求，并增加了改进电池的压力。风能和太阳能通常是最便宜的新电力来源，而电池有助于补偿它们的可变性，从而为扩大存储规模提供了更多理由。Ziegler 说：“这种关系的好处显而易见，因为越来越多的发电厂正在提议中，并且已经部署了这些资源。太阳能加储能的组合占 2024 年美国新增电力的 84%。

The Los Angeles Department of Water and Power’s biggest solar and battery storage plant, the Eland Solar and Storage Center in the Mojave Desert.

 照片：Brian van der Brug/Los Angeles Times via Getty Images

Battery solar energy storage units, right, at the Eland Solar and Storage Center in 2024.

 Phtogoraph：Brian van der Brug/洛杉矶时报，来自 Getty Images

而且，由于电网电池不必足够小才能移动（与笔记本电脑或手机中的电池不同），因此它们可以利用更便宜、密度更低的电池，否则这些电池可能不适合装在口袋里的东西。甚至有传言说要让旧的电动汽车电池在电网上重获新生。

监管也有帮助。部署电网储能系统的一个主要障碍是它们不能自己发电，因此过去关于它们应该如何连接到电网以及电池开发人员应该从他们的服务中获得多少报酬的规则是混乱和限制性的。联邦能源管理委员会的 841 号令消除了储能系统进入批发市场并与其他形式的电力竞争的一些障碍。尽管该法规于 2018 年颁布，但它在 2020 年清除了一项重大法律挑战，为更多电池并网铺平了道路。

迄今为止，包括加利福尼亚州、伊利诺伊州和马里兰州在内的 11 个州也为储能设定了具体的采购目标，这要求公用事业公司安装一定量的储能容量，从而推动更多的电网电池。这些因素共同为电力公司创造了全新的业务，催生了新的电网电池公司，并为储能的丰收提供了肥沃的土壤。

储能能为您做什么？

储能是可再生能源巧克力的花生酱，使清洁能源的所有最佳特性变得更好，并平衡了它的一些缺点。但它也是电网稳定性、可靠性和弹性的重要因素，有助于确保在停电和极端天气期间稳定的兆瓦级流量。

最常见的用途是频率响应。在美国，通过电源线的交流电以 60 赫兹的频率循环。如果电网在耗电用户开启时降至此频率以下，则可能会使断路器跳闸并导致电源不稳定。由于电池的启动时间几乎为零，因此与热发电机不同，它们可以根据需要快速吸收或传输电力，以保持电网正常运转。

当发电机离线或大型电力用户意外启动时，电网电池也可以作为备用电源介入。他们可以在一天中抚平电力负荷的山丘和山谷。他们还允许电力供应商在生产成本低廉时节省电力，并在需求高且电力昂贵时将其卖回电网。建造电池设施通常比同等发电厂更快，而且由于没有烟囱，因此更容易获得许可和批准。

电池已被证明可用于过载的电力网络。去年，随着德克萨斯州的气温达到三位数，电池为孤星州的电网提供了创纪录的电力。德克萨斯州电网运营商 ERCOT 不必像 2023 年那样要求德克萨斯州人减少用电。2020 年至 2024 年间，德克萨斯州的公用事业规模电池增加了 4,100%，达到 5.7 吉瓦。

Jupiter Power battery storage complex in Houston in 2024.

 照片：Jason Fochtman/Houston Chronicle via Getty Images

电网电池对其他发电机也有光环效应。大多数火力发电厂（燃煤、天然气、核能）都喜欢以稳定的速度运行。根据需求进行增速和降速需要时间和金钱，但随着电池吸收一些可变性，火力发电厂可以更接近其最高效的速度，减少温室气体排放并控制成本。

“这有点像你的汽车混合动力，”Zahurancik 说。“如果你考虑一下普锐斯，你有一个电动机，你有一个汽油发动机，你可以使汽油消耗更好，因为电池吸收了所有变化。”

Eolian的首席运营官斯蒂芬妮·史密斯（Stephanie Smith）说，电网电池的另一个特点是，它们可以减少对昂贵的电网升级的需求，该公司为电网储能系统提供资金和开发。如果您有电池（在发电机侧或需求侧）可以在需要时释放更多电子，则不必建造电力线来满足绝对最大的电力需求。

“我们对独立电池所做的，你得到的电池越多，你就会开始缓解需求，或者至少减少诸如新变速器建设之类的事情，”史密斯说。这些电池还使电网能够更快地适应不断变化的能源需求，例如当工厂关闭或新数据中心通电时。

总的来说，这会带来更稳定、更高效、更便宜和更清洁的电网。

充电

尽管锂离子电池很好，但也有其局限性。大多数电网电池旨在在 2 到 8 小时内储存和调度电力，但由于电力需求全年都在变化，电网还需要将电力储存数天、数周甚至数月。

电网规模存储也存在一些迫在眉睫的根本性挑战。与大多数电网级技术一样，储能需要大量的前期投资，需要几十年才能收回，但目前存在很多不确定性，即特朗普政府的关税将如何影响电池进口，是否会出现经济衰退，以及这种中断是否会减缓未来几年的电力需求增长。对电池的非凡需求加剧了对所需原材料的竞争，这可能会提高其价格。

尽管中国目前在全球电池供应链中占据主导地位，但美国正在努力进入。在上届政府的领导下，美国能源部在储能工厂、供应链和研究方面投资了数十亿美元。美国现在有数十家电池工厂，但大多数都针对电动汽车。今年有 10 家美国工厂计划投产，这将使电动汽车电池的总产能提高到每年 421.5 吉瓦时。预计到 2025 年，全球电池总产量将达到 7,900 吉瓦时左右。

Lithium battery modules inside the battery building at the Vistra Corp. Moss Landing Energy Storage Facility in Moss Landing, California, in 2021.

 照片：David Paul Morris/彭博社通过 Getty Images

还有一长串且不断增长的项目等待并入电网。所有能源系统（尤其是太阳能、风能和电池）的互连队列通常持续三年或更长时间，因为项目开发人员需要进行可靠性研究并应对越来越多的监管文书工作延误。

特朗普政府还在努力取消围绕清洁能源的激励措施，特别是 2022 年《通胀削减法案》。该法律为清洁能源建立了强有力的激励措施，包括对独立电网能源项目的税收抵免。史密斯说：“我确实担心《通胀削减法案》，因为它会改变曲线，老实说，我们现在无法承受任何形式的清洁能源改变曲线的代价。另一方面，特朗普的关税最终可能会刺激美国国内更多的电池制造。

尽管如此，公用事业规模的储能只是美国庞大电网的一小部分，还有巨大的扩展空间。“尽管我们一直在加速和快速发展，但总的来说，我们并没有那么多，”Zahurancik 说。“你可以很容易地看到储能占装机容量的 20% 或 30%。”