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致力于實現0.05美元/千瓦時的長時儲能目標 美國尋求氫儲能、液流電池等技術突破

2020-01-10 12:51:34   原文來源:中國財經觀察報

為了使長時儲能成本降低至0.05美元/千瓦時,由美國能源部高級研究計劃局(ARPA-E)資助的研究團隊正在尋求液流電池、氫氣儲能和其他儲能技術(甚至是熱儲能)的突破。

十個致力于降低長時儲能成本的研究團隊正在某種程度上展開競爭,他們利用美國聯邦政府的資助取得了足夠的進展,從而為試點規模的項目獲得后續資助。其研究項目包括一個具有一周儲能容量的鋰硫液流電池,以及一種更有效的將電能轉換為氫氣然后再轉換為氫氣的方法。

根據美國能源部高級研究計劃局(ARPA-E)的DAYS計劃,每個項目的目標是實現可以持續數天的0.05美元/千瓦時的儲能目標。

以下是涵蓋企業和大學等研究開發團隊研究的幾個儲能項目。

硫基水系液流電池

液流電池的電解質可以與電池分開存儲,通過流動電解液發電。因此,使用液流電池的長時儲能只需要更多容量的電解質。

FormEnergy公司聯合創始人MarcoFerrara表示,該公司的目標是使用硫液流電池實現一周的持續放電時間,并且比鋰離子電池便宜10倍甚至更多。FormEnergy公司最終可能會在與Enel公司的聯合儲能項目中試用其電池技術。

FormEnergy公司表示:“硫基水系液流電池有著更低的成本,但效率低下。為了提高效率,該公司正在研究陽極和陰極配方、離子膜和物理系統設計。

這兩家公司的一個項目專注于硫基水系液流電池和錳液流電池,并擁有三個項目合作伙伴:美國勞倫斯伯克利國家實驗室、麻省理工學院、賓夕法尼亞州立大學。該項目旨在克服儲能系統控制和活性物質穿過膜的不必要的挑戰。

氫氣儲能

田納西大學諾克斯維爾分校(UTK)的一個研究小組旨在提高將電能轉化為氫氣然后再轉化為氫氣這些過程的效率。目前的工藝為電解槽供電以將水轉化為氫氣和氧氣,然后使用燃料電池中的氫氣和氧氣來生產電力和水。

研究小組的首席研究員ThomasZawodzinski博士在大學的新聞稿指出:“生產可再生燃料電池是一個長期目標,該設備既可充當燃料電池又可充當電解槽。但是,這種設備以前的整體效率很低。我們開發的新項目采用了另一種方法,即改變電池中的化學反應并突破效率瓶頸。”

這個研究團隊將開發一種系統,在該系統中,可逆燃料電池將氫氣和氧氣轉化為液態過氧化氫而不是水。隨后,電力將用于為可逆燃料電池供電,而可逆燃料電池現在作為電解槽運行,將過氧化氫轉化為氫氣和氧氣,而這些氫氣和氧氣也被存儲起來,并準備再次開始循環。而使用過氧化物代替水的好處是系統充放電效率更高。

全球對“綠色”氫氣的投資正在加速,而“綠色”氫氣是利用太陽能或風能生產的。

鋅溴液流電池

Primus Power公司已生產溴化鋅液流電池,并已獲得加州能源委員會400萬美元的資助,以部署裝機容量為25kW、5小時的Energy Pod2的鋅溴液流電池儲能系統。

該項目獲得美國能源部高級研究計劃局(ARPA-E)的資助,PrimusPower公司將與哥倫比亞電化學能源中心合作,通過利用鋅和溴在電池中的行為方式,從而消除對隔板的需要,以使反應物在充電時保持分開。新的配置有望使所有電解液都存儲在一個電解槽中,而不是多個電解槽中,從而降低了設備平衡硬件和系統成本。

熱伏發電

AntoraEnergy公司將使用電力為電阻加熱器供電,將碳塊加熱到2,000°C以上。為了發電,碳塊將被暴露在熱伏板中。Antora公司將開發一種“熱電引擎”技術,以通過新材料和“智能系統設計”使面板效率提高一倍。

氧化鎂錳發電

密歇根州立大學的一個團隊正在開發一種模塊化系統,該系統將氧化鎂錳(Mg-Mn-O)顆粒加熱到足夠高的溫度,以使顆粒釋放氧氣。為了發電,該系統將使空氣流過顆粒(現在是Mg-Mn),從而引發化學反應,釋放熱量以驅動燃氣輪機發電機。

電儲能

研究的三個項目旨在提高將電力存儲為熱量的效率,然后利用這些熱量來驅動渦輪發電機組。

美國國家可再生能源實驗室將開發一種系統,該系統使用電力為高性能熱交換器供電,該熱交換器將廉價的固體顆粒加熱到1100℃以上。這些顆粒將在絕熱料倉中存儲長達幾天。當需要電力時,熱顆粒將通過流化床熱交換器供料,加熱工作流體以驅動連接到發電機的布雷頓能源聯合循環渦輪機??屏_拉多礦業學院是一個項目合作伙伴。

布雷頓能源公司將“開發關鍵組件”,以創新的渦輪機械實現具有成本競爭力的熱儲能系統。該創新將與BraytonEnergy公司的“可逆、反向旋轉的渦輪機設計有關,在該設計中,每個渦輪機級均設計為既充當壓縮機又是渦輪機,在充放電循環之間交替。”該方法有望提高效率并降低通過簡化電儲能系統的投資。

Echogen將使用電來加熱低成本的材料,例如沙子或混凝土。然而為了發電,其熱量將用于加熱液態二氧化碳(以前已達到超臨界壓力),而加熱的超臨界二氧化碳將通過渦輪膨脹以發電。

地下壓力進行儲能

QuidnetEnergy公司正在開發一種將水抽入地下密閉巖石來產生高壓的過程。Quidnet公司將展示出利用地下壓力儲存發電的能力,并找到合適的方法進行該過程在美國多個地區開展工作。

未來發展

其中有五個項目將在2021年完成,其他五個項目將在2022年完成。每個項目團隊必須估算一個儲能系統的成本,該成本將與美國能源部高級研究計劃局(ARPA-E)的0.05美元/千瓦時長時儲能目標進行比較。

美國能源部高級研究計劃局(ARPA-E)計劃的第二階段,以資助一個或多個在現場使用的原型系統的建設。美國能源部還通過一項補充計劃,支持低成本太陽能發電系統的研發。

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