摘要：向可再生能源過渡需要新的儲能方式，確保為向可再生能源的完全轉型提供支持。

為了提供穩(wěn)定的電力，太陽能發(fā)電和風能發(fā)電要求天氣持續(xù)晴好或有風。因此，在沒有陽光或沒有風的時候，穩(wěn)定的能量流就會中斷。而另一方面，在晴朗有風的天氣里，太陽能電場和風電場可能會產(chǎn)生超出需要的電力。

儲能系統(tǒng)可以吸收風能和太陽能產(chǎn)生的多余能量，儲存起來供發(fā)電量少的時候使用。

對比風能和太陽能這些可再生能源，化石燃料有一個巨大的優(yōu)勢：不受天氣情況限制。但是由于儲能技術的進步，這個優(yōu)勢在減弱。儲能系統(tǒng)可以吸收風能和太陽能產(chǎn)生的多余能量，儲存起來供發(fā)電量少的時候使用。

在向風能和太陽能等可再生能源和可變能源轉型的歷程中，工程師們很長時間以來一直都在研究儲能技術。數(shù)十年來，水電站一直是全球主要的儲能方式。在美國，水電站承擔了 95% 的大型地面電站電力儲能容量。但是水電站設施要經(jīng)過漫長的報批流程，然后花幾年才能建好，并且有特定的選址要求。

儲能系統(tǒng)會收集水能、風能和太陽能等可再生資源產(chǎn)生的能量，為汽車、家庭和工業(yè)生產(chǎn)供電。

鋰離子電池是另一種主要儲能解決方案。它們可以用在水電站這種電網(wǎng)級別，也可以用來滿足小一些的能源需求，例如公司、家庭和電動汽車這樣的級別。

想要將電網(wǎng)轉型為 100% 的可再生能源，光靠鋰離子電池和水電站是不夠的。能量還可以通過其他方式儲存，比如儲存在生態(tài)友好的電池中，儲存為飛輪的動能，或儲存為熔鹽中的熱能。

供電韌性

EVLO Energy Storage Inc. 正在魁北克省北部的因努伊特人社區(qū) Quaqtaq 測試其儲能系統(tǒng)，確定其是否能夠將可再生能源輸送到電網(wǎng)并服務遠郊地區(qū)。在過去的三年，EVLO 儲能系統(tǒng)已經(jīng)幫助 Quaqtaq 社區(qū)集成太陽能。

“當配電網(wǎng)遇到計劃內或者計劃外的事件時，我們這里的微電網(wǎng)將獨立維持運行，從而提供持續(xù)電力?！?

Adile Ajaja，EVLO 軟件團隊負責人

EVLO 500 儲能解決方案。（圖片所有權：EVLO）

魁北克水電公司一直致力于可再生能源事業(yè)，其子公司 EVLO 現(xiàn)已開發(fā)出一種更加有效的鋰離子電池儲能方式：磷酸鹽系鋰離子電池。與傳統(tǒng)鋰離子電池不同，磷酸鹽系鋰離子電池使用無毒材料制成。對比傳統(tǒng)鋰離子電池，這種電池的成分更加安全和穩(wěn)定。因為電池使用無毒材料制成，也直接避免了廢棄處理帶來的環(huán)境威脅。這些材料還可以重復利用和回收，推動了鋰離子電池循環(huán)生態(tài)的發(fā)展。

過去 40 年來，魁北克水電公司一直在開發(fā) EVLO 系統(tǒng)背后的技術。較小型的系統(tǒng)可以為商業(yè)大樓供電，更大型和更堅固的系統(tǒng)則可為電網(wǎng)和工業(yè)區(qū)供電。磷酸鹽系鋰離子電池是當今市場上最高效的電池之一。與其他類型的電池不同的是，磷酸鹽系鋰離子電池放電深度可達 100%，這意味著使用者可以使用電池中儲存的全部能量。

EVLO 軟件團隊負責人 Adile Ajaja 及其團隊使用 MATLAB® 和 Simulink® 進行 EVLO 系統(tǒng)的開發(fā)和建模。他們之后將從該 Simulink 模型生成的代碼用在硬件上來實現(xiàn)系統(tǒng)控制。

自第一個項目以來，EVLO 已將其解決方案帶到其他社區(qū)。公司最近在 Lac-Mégantic 鎮(zhèn)安裝了一個儲能系統(tǒng)來服務這塊區(qū)域的微電網(wǎng)。魁北克省的第一個微電網(wǎng)是一次災后恢復工作的組成部分——幾年前，一列脫軌的火車使這塊區(qū)域遭到大面積破壞。

作為災后恢復項目的一部分，EVLO 參與其中負責改進電網(wǎng)的韌性。這些系統(tǒng)可以儲存來自 1,700 個太陽能板的能量，并用于服務市中心的 40 幢大樓、電動汽車充電站和自動化控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)更加高效的能量管理。當主電網(wǎng)停電時，微電網(wǎng)和儲能系統(tǒng)還可以作為電力來源?！爱斉潆娋W(wǎng)遇到計劃內或者計劃外的事件時，我們這里的微電網(wǎng)將獨立維持運行，從而提供持續(xù)電力?！盇jaja 說。

消除摩擦

芬蘭初創(chuàng)公司 Teraloop 在一項傳統(tǒng)儲能技術之上另辟蹊徑。該技術是一個飛輪，可以將能量儲存在一個快速旋轉的轉子里。但是與大部分飛輪不同的是，Teraloop 的辦法是將中心留空?！跋胂笠幌聸]有輪輞的輪胎，”Teraloop 首席技術顧問 James Hagerman 說，“大部分飛輪是實心的，有一個輪轂。”通過對傳統(tǒng)飛輪做進一步的改進，Teraloop 增強了磁力使得飛輪轉子懸浮，實現(xiàn)了幾乎無摩擦的旋轉。

“如果您需要在短時內獲得大功率，比如地鐵加速......飛輪可以完勝電池?！?

 James Hagerman，Teraloop 首席技術系統(tǒng)顧問

Teraloop 通過去掉輪轂并采用磁懸浮，消除了限制標準飛輪的大部分應力。他們的產(chǎn)品轉動速度比標準飛輪快，可以儲存更多能量。

該公司計劃將其飛輪與電池儲能配合使用在電動汽車 (EV) 充電站，用于地鐵和有軌電車系統(tǒng)的再生制動以及穩(wěn)定微電網(wǎng)電壓波動。

在電動汽車充電站，飛輪可以加快充電速度并延長電池壽命。電池可以儲存來自電網(wǎng)的能量，用來給電動汽車充電，但是他們不是最理想的解決方案?！澳壳暗碾姵囟际卿囯x子電池，其設計初衷不是完成每天的大量充電循環(huán)。它們的壽命會顯著減少，”Hagerman 表示，“因此，您可以采用所謂的混合儲能，也就是飛輪加電池?！?

混合儲能模式對于電池也有好處。他說：“它可以保護電池，并且可以使充電站盡可能少地連接電網(wǎng)?！边@意味著這種混合模式充電站不需要進行電網(wǎng)升級，至少目前不需要，因為現(xiàn)在路面行駛的汽車中，電動汽車只占少數(shù)。

飛輪也可以作為獨立的系統(tǒng)，為公共交通系統(tǒng)提供電力。再生制動技術會在制動時使電機反轉，從而為電動汽車充電，現(xiàn)在已用于地鐵和有軌電車，但是儲存容量有限?！叭绻枰诙虝r內獲得大功率，比如地鐵加速......飛輪可以完勝電池?！盚agerman 說道。

Teraloop 飛輪。（圖片所有權：Teraloop）

不在路上時，飛輪可以穩(wěn)定由間歇性可再生資源供電的微電網(wǎng)?！半妷簳▌?，頻率會波動，因此都需要讓電網(wǎng)來支持，”Hagerman 表示，“此時電力供應商會將電池作為長期的解決方案?！彼忉?，但是飛輪可以作為電池的補充，在短時內快速提供爆發(fā)的能量。

Hagerman 使用 MATLAB 和 Simulink 對飛輪與現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)的集成進行建模。他借助 Simulink 向潛在客戶展示飛輪如何運作以及它如何與電池和電網(wǎng)系統(tǒng)配合使用。

“我們不是與電池競爭，只是有時候單獨飛輪就是一個更好的選項，特別是空間有限時。”Hagerman 說。但他同時也介紹了飛輪可以如何改進電池驅動的系統(tǒng)?！八鼈兓檠a充。”

熱與冷

Alphabet Inc. 子公司 X 給自己的定位是一群發(fā)明家和企業(yè)家，他們研發(fā)出的技術解決了世界上最棘手的一些難題。秉持著這種精神，他們扶持了一個名為 Malta 的初創(chuàng)儲能項目，該項目的目標是將能量儲存在鹽和冷液中。Malta 項目團隊設計了熱泵儲能系統(tǒng)，打算最終將其連接到電網(wǎng)，從而穩(wěn)定電力供應。

“我們不希望這一（儲能）系統(tǒng)只用在美國或其他發(fā)達國家。我們希望能夠將它建在世界任何地方。”

 Pravallika Vinnakota，Malta 建模與仿真主工程師

Malta Inc 位于馬薩諸塞州劍橋市，2018 成為獨立公司，并為一家電廠改進其設計?！斑@將提高電網(wǎng)可靠性和靈活性?！盡alta Inc. 建模與仿真主工程師 Pravallika Vinnakota 表示。

連接到某個電力來源（電網(wǎng)、風能、太陽能或化石燃料）后，系統(tǒng)的熱泵將電能轉化成熱能，形成溫差?！八鼘㈦娔茏鳛闊崮軆Υ嬖诟邷厝埯}中，作為冷能儲存在低溫冷卻液中?！盫innakota 說。熱的鹽和冷的冷卻液分別儲存在單獨的罐體中，儲存 10 小時可以提供相當于幾天的能量使用量。

然后，當需要用電時，熱引擎會將熱能轉化回電能供配送。根據(jù)用電需求，會通過算法來管理何時系統(tǒng)從電網(wǎng)收集能量以及何時配送該能量。這一循環(huán)可以自行重復成千上萬次：Malta 預計該系統(tǒng)可以使用超過 25 年，并且不會出現(xiàn)重大性能衰退。

該系統(tǒng)仍處在工程設計中，處于設計階段。目前，Malta 團隊在仿真環(huán)境下工作。Malta 團隊將其系統(tǒng)模型導入 Simulink，設計系統(tǒng)控制算法并確定該系統(tǒng)如何運行?！拔覀兊哪繕耸窃谖磥韼啄陜冉ㄔO一家電廠。由于目前我們沒有電廠，我們最大程度能做到的就是搭建仿真模型，并在其上運行一系列測試，”Vinnakota 說，“我們也在使用基于模型的設計，根據(jù)從仿真中收集的信息來確定電廠設計規(guī)范?！?

Malta 系統(tǒng)作為一個熱泵運行，將電能作為熱能儲存在熔鹽中。（圖片所有權：Malta, Inc.）

一旦 Malta 準備好建立一個實際的電廠，他們不會局限于地理位置。Vinnakota 指出，“它不必靠近山峰一類的儲存勢能的能量系統(tǒng)”，例如抽水蓄能水電站。該系統(tǒng)還會使用現(xiàn)成的材料，比如鹽和鋼?！拔覀儾幌Ｍ撓到y(tǒng)只用在美國或其他發(fā)達國家。我們希望能夠將它建在世界任何地方?！?

通向可再生電網(wǎng)的橋梁

隨著可再生能源成本的下降和取代化石燃料的需求變得日益迫切，儲能將成為一種重要的手段。不過，不同的存儲需求適用的儲能手段也不盡相同，可能是電池，是飛輪，或者是熔鹽儲罐。許多公司都在探索上述每種技術，以加強電網(wǎng)韌性并推動向清潔能源的平穩(wěn)過渡。

*文章出自MathWorks。