中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：美國能源部（DOE）提出一項(xiàng)名為能源存儲(chǔ)大挑戰(zhàn)（ESGC）的綜合計(jì)劃，旨在加快下一代能源存儲(chǔ)技術(shù)的開發(fā)利用和商業(yè)推廣，通過美國創(chuàng)新、美國創(chuàng)造、世界部署的戰(zhàn)略目標(biāo)，保持美國在能源存儲(chǔ)領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)地位。
認(rèn)識(shí)到存儲(chǔ)技術(shù)的廣度和重要性，DOE已經(jīng)初步確定重點(diǎn)目標(biāo)：
到2030年，長時(shí)固定式儲(chǔ)能應(yīng)用的平均成本將比2020年下降90%，達(dá)到$ 0.05 / kWh，這將促進(jìn)三大商業(yè)存儲(chǔ)可行性：在需求高峰期滿足用電負(fù)荷；為電動(dòng)汽車快速充電做好電網(wǎng)準(zhǔn)備；確保通訊、信息技術(shù)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性。
到2030年，300英里電動(dòng)汽車電池組制造成本降為$ 80/ kWh，比當(dāng)前$ 143/ kWh的成本降低44％。實(shí)現(xiàn)這一成本目標(biāo)將使得電動(dòng)汽車更具成本競爭力。
路線圖提出了“儲(chǔ)能大挑戰(zhàn)”計(jì)劃五個(gè)領(lǐng)域的重要行動(dòng)（技術(shù)開發(fā)、制造和供應(yīng)鏈、技術(shù)轉(zhuǎn)化、政策與評(píng)估、勞動(dòng)力開發(fā)），本文圍繞技術(shù)開發(fā)和制造與供應(yīng)鏈兩部分進(jìn)行簡要介紹。
一、技術(shù)開發(fā)
新一代儲(chǔ)能技術(shù)將繼續(xù)為電網(wǎng)，運(yùn)輸以及整個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域創(chuàng)造收益。ESGC將創(chuàng)建一個(gè)功能和程序框架，通過提高性能和降低成本來最大程度地提高存儲(chǔ)創(chuàng)新的步伐。建立以用戶為中心的用例和技術(shù)途徑，能夠?qū)崿F(xiàn)儲(chǔ)能技術(shù)近期加速和長期領(lǐng)導(dǎo)地位。
ESGC列出了3項(xiàng)活動(dòng)計(jì)劃，通過加強(qiáng)最終用戶利益與所有研究階段之間的聯(lián)系，加快整個(gè)創(chuàng)新過程。
活動(dòng)1：用例作為技術(shù)中立指南
ESGC用例描述了一組廣泛或相關(guān)的未來應(yīng)用，這些應(yīng)用通過性能更高、成本更低的能量存儲(chǔ)來啟用。圖1描繪了每個(gè)用例在電力系統(tǒng)中的位置以及預(yù)期收益易于量化或定義的程度。在此討論中，電力系統(tǒng)包括發(fā)電、輸電、配電、最終用途、運(yùn)輸、離網(wǎng)應(yīng)用6大部分，其中離網(wǎng)作為“服務(wù)遠(yuǎn)程社區(qū)”的一部分。
圖1 初步用例說明
活動(dòng)2：建立技術(shù)組合
定義用例的必需功能后，需要確定可實(shí)現(xiàn)積極性能目標(biāo)，徹底解決每個(gè)用例中的挑戰(zhàn)。圖2對(duì)從用例到特定能量存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行視化展示。
圖2 性能功能框架的示例說明
性能目標(biāo)是諸如系統(tǒng)的壽命，移動(dòng)性和效率之類的特征，這些特征將需要滿足每個(gè)用例要求和條件要求。研究滿足不同用例需求的技術(shù)路線時(shí)，ESGC將考慮商業(yè)市場力量對(duì)技術(shù)的采用性和可用性的影響。
活動(dòng)3：加速創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)
缺乏現(xiàn)場驗(yàn)證的操作經(jīng)驗(yàn)是新存儲(chǔ)技術(shù)商業(yè)化的主要障礙。確認(rèn)儲(chǔ)能技術(shù)的商業(yè)可行性，需要在與商業(yè)相關(guān)的規(guī)模和運(yùn)營環(huán)境下測試創(chuàng)新技術(shù)。
而已經(jīng)進(jìn)行測試的用例可能來自多種技術(shù)路線，包括雙向電存儲(chǔ)；熱量和化學(xué)存儲(chǔ)；靈活生成和加載。圖3顯示了新技術(shù)如何轉(zhuǎn)化為示范項(xiàng)目、應(yīng)用開發(fā)和早期研究的優(yōu)化投資組合。
圖3 2030年存儲(chǔ)行業(yè)場景說明
二、制造與供應(yīng)鏈路線
ESGC的制造和供應(yīng)鏈路線目標(biāo)：充分利用儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢，整合供應(yīng)鏈，建立強(qiáng)大的國內(nèi)制造基地，降低成本，迅速整合和擴(kuò)大創(chuàng)新產(chǎn)品的生產(chǎn)。
但是目前不同儲(chǔ)能技術(shù)面臨著不同的挑戰(zhàn)。
1、電化學(xué)
不同的電池化學(xué)成分通常需要不同的制造工藝，靈活的生產(chǎn)線能夠制造許多不同化學(xué)成分的電池組件和電池。
a) 鋰電池
鋰需求量大且處于持續(xù)增長狀態(tài)，目前開發(fā)鋰基電池存在三方面挑戰(zhàn)：
供應(yīng)鏈有限，美國目前沒有后備的鋰生產(chǎn)線，鋰、鈷儲(chǔ)備都存在供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)，電池回收是目前最可行的解決途徑。
電池制造工藝和市場競爭成本限制電池性能，制造技術(shù)影響電池的能量密度和電池壽命，在降低生命周期成本的情況下提高電池性能是一大發(fā)展方向。
解決安全問題，鋰電池在某些條件下會(huì)過熱，著火甚至爆炸，確保使用安全，需要更好的熱管理技術(shù)。
b) 液流電池
流動(dòng)電池（電池功率與存儲(chǔ)容量不相關(guān)）的預(yù)計(jì)市場正在迅速增長，但是它的發(fā)展同樣面臨一些阻礙。
圖4 液流電池原理圖
低效和昂貴的制造技術(shù)，膜、雙極板和多孔碳電極等組件需要特殊性能，生產(chǎn)昂貴。
缺乏健壯、標(biāo)準(zhǔn)化的供應(yīng)鏈（有限的供應(yīng)商）。與其他電池化學(xué)類似，液流電池系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿σ彩艿椒菢?biāo)準(zhǔn)化供應(yīng)鏈限制。其常用的化學(xué)物質(zhì)釩主要為進(jìn)口，供應(yīng)鏈?zhǔn)芟蕖?
大規(guī)模制造的制約。液流電池尚未達(dá)到可提供廣泛規(guī)模經(jīng)濟(jì)的部署。系統(tǒng)想要進(jìn)一步商業(yè)化開發(fā)，高性能部件（例如膜和儲(chǔ)罐）和材料（例如活性電解質(zhì)）的制造工藝將變得至關(guān)重要。
c) 其他電池化學(xué)
鋰離子電池巨大的市場需求，使其它替代電池具有廣大的市場，但是其它化學(xué)電池的創(chuàng)新仍然受限于制造規(guī)模和與基礎(chǔ)設(shè)施的集成程度。
2、機(jī)械儲(chǔ)能
盡管大多數(shù)機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)的材料和技術(shù)都比較成熟，但它們?nèi)孕枰訄?jiān)固耐用的方向進(jìn)行創(chuàng)新，才能夠應(yīng)對(duì)供需日益變化的電網(wǎng)挑戰(zhàn)。目前，機(jī)械儲(chǔ)能的問題主要在于制造成本高，且有一些獨(dú)特的安全約束。
3、化學(xué)能儲(chǔ)存
目前，化學(xué)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)是與其他能量存儲(chǔ)介質(zhì)間成本競爭。此外，對(duì)關(guān)鍵材料的依賴，組件在酸性環(huán)境中性能都是它將面臨著的挑戰(zhàn)。
4、跨領(lǐng)域挑戰(zhàn)
上述挑戰(zhàn)主要針對(duì)一、兩個(gè)儲(chǔ)能技術(shù)，然而下面這兩個(gè)問題是大多數(shù)技術(shù)都需要克服的障礙。
1、系統(tǒng)集成能力不足。所有能源存儲(chǔ)技術(shù)都需要整合到更大的系統(tǒng)中，比如建筑物、微電網(wǎng)、配電網(wǎng)絡(luò)或區(qū)域電網(wǎng)。特別是在雙向存儲(chǔ)技術(shù)情況下，為實(shí)現(xiàn)電力的無縫轉(zhuǎn)移，需要對(duì)電流進(jìn)行精細(xì)控制(如匹配電壓、相位和避免高階共振問題)。這需要開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化電力電子及其他支持技術(shù)（如超級(jí)電容器），來支持能源存儲(chǔ)的廣泛應(yīng)用。
2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測試能力。如果沒有設(shè)計(jì)和測試這些變化的能力，新材料和部件的快速發(fā)展就不能納入系統(tǒng)。改善所有儲(chǔ)能技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測試能力，可以大大加快可行創(chuàng)新的商業(yè)化。
創(chuàng)新的研發(fā)過程不是線性的，也不局限于實(shí)驗(yàn)室。無論規(guī)模大小，都需要證明創(chuàng)新的性能、可靠性和成本，以減少不確定性和市場失靈的風(fēng)險(xiǎn)。
圖5 技術(shù)成熟度和制造規(guī)模途徑
為了更好的應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，美國提出了以下制造和供應(yīng)鏈路線圖的目標(biāo)：
深入了解儲(chǔ)能行業(yè)生產(chǎn)制造的技術(shù)障礙，并確定關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。
支持創(chuàng)新以降低制造成本并克服技術(shù)障礙，結(jié)合技術(shù)分析，對(duì)材料和制造研發(fā)投資進(jìn)行優(yōu)先排序。
通過行業(yè)合作促進(jìn)新興制造工藝的規(guī)模擴(kuò)大，確保測試/驗(yàn)證制造創(chuàng)新的能力滿足利益相關(guān)者的需求。
使系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測試協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，以簡化新興存儲(chǔ)技術(shù)的制造創(chuàng)新集成。
尋求創(chuàng)新，提高關(guān)鍵材料供應(yīng)鏈的彈性，并推進(jìn)加工和分離，以使關(guān)鍵材料的采購多樣化并改善回收利用。
在當(dāng)今競爭激烈的全球經(jīng)濟(jì)中，在明天的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)中建立領(lǐng)導(dǎo)地位十分重要，這涉及率先將科學(xué)創(chuàng)新轉(zhuǎn)化為全球市場上可用的新制造產(chǎn)品。
翻譯：連林雯
