電網(wǎng)規(guī)模的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)正在悄悄地徹底改變能源體系

發(fā)電的棘手之處在于，在大多數(shù)情況下，您幾乎必須使用它或失去它。

這一基本事實(shí)支配并限制了世界上最大的機(jī)器的發(fā)展：價(jià)值 2 萬億美元的美國(guó)電網(wǎng)。大型發(fā)電機(jī)沿著整個(gè)大陸的導(dǎo)體、變壓器、電纜和電線網(wǎng)絡(luò)將電子發(fā)送到數(shù)百萬家庭和企業(yè)，巧妙地平衡供需，使每個(gè)電燈開關(guān)、計(jì)算機(jī)、電視、爐灶和充電電纜都能在 99.95% 的時(shí)間內(nèi)打開。

確保始終有足夠的發(fā)電機(jī)將電力輸送到該國(guó)的每個(gè)電源插座，這需要精確的協(xié)調(diào)。雖然實(shí)際使用的電量在一天和一年中可能會(huì)大幅波動(dòng)，但電網(wǎng)的建設(shè)是為了滿足短暫的高峰需求，例如炎熱的夏日，空調(diào)的使用量可能會(huì)使平均用電量翻倍。想象一下，建造一條 30 車道的高速公路，以確保沒有司機(jī)需要踩剎車。這實(shí)際上是那些設(shè)計(jì)和運(yùn)行電網(wǎng)的人不得不做的事情。

但是，如果您可以暫時(shí)保留電力并保存以備后用呢？您不必過度建設(shè)電網(wǎng)或花費(fèi)大量精力來保持發(fā)電與用戶的平衡。您可以消除不排放二氧化碳的間歇性電源（如風(fēng)能和太陽能）的缺點(diǎn)。在輸電線路損壞的緊急情況下，您可以輕松獲得本地備用電源。您甚至可能根本不需要一個(gè)巨大的集中式電網(wǎng)。

這就是電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能的承諾。雖然美國(guó)實(shí)際上幾十年來一直在使用一種稱為抽水蓄能的簡(jiǎn)陋形式的儲(chǔ)能，但該國(guó)現(xiàn)在正在經(jīng)歷儲(chǔ)能容量的巨大激增，這一次來自我們大多數(shù)人都隨身攜帶的一項(xiàng)技術(shù)：鋰離子電池。2021 年至 2024 年期間，電網(wǎng)電池容量增加了五倍。到 2024 年，美國(guó)安裝了 12.3 吉瓦的儲(chǔ)能。今年，新的電網(wǎng)電池安裝量有望比去年增加近一倍。電池存儲(chǔ)容量現(xiàn)在超過抽水蓄能容量，總計(jì)超過 26 吉瓦。

仍有很大的擴(kuò)展空間，而且迫切需要這樣做。電力部門仍然是美國(guó)第二大溫室氣體排放源，如果沒有廉價(jià)和充足的儲(chǔ)存，就無法添加足夠的間歇性清潔能源來充分實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)脫碳。

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

 照片：Bing Guan/Bloomberg via Getty Image

老化的美國(guó)電網(wǎng)也急需升級(jí)，電池可以緩沖增加數(shù)吉瓦風(fēng)能和太陽能的沖擊，同時(shí)為進(jìn)行更廣泛的翻新贏得一些時(shí)間。一些電力市場(chǎng)終于開始了解電池可以提供的所有服務(wù)（頻率調(diào)節(jié)、調(diào)峰、需求響應(yīng)），從而創(chuàng)造了新的業(yè)務(wù)線。電池也是構(gòu)建小型、本地化電網(wǎng)的關(guān)鍵工具。這些微電網(wǎng)可以為偏遠(yuǎn)社區(qū)提供可靠的電力，并有朝一日將整個(gè)電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦臃稚⒌南到y(tǒng)，以更好地抵御極端天氣等中斷。

如果我們能做對(duì)，真正的電網(wǎng)規(guī)模電池存儲(chǔ)將不僅僅是清潔能源的推動(dòng)者，而是為新時(shí)代升級(jí)電力系統(tǒng)的一種方式。

大電池是如何變得如此之大的

早在 2011 年，我的第一批報(bào)道任務(wù)之一就是前往西弗吉尼亞州的一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，參加當(dāng)時(shí)世界上最大的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的落成典禮。它由 AES Energy Storage 建造，涉及存儲(chǔ)容器中的數(shù)千個(gè)鋰離子電池，這些電池共同提供 32 兆瓦的電力，并持續(xù)約 15 分鐘。

“總共有 8 兆瓦時(shí)，”時(shí)任 AES Energy Storage 副總裁的 John Zahurancik 說，他當(dāng)時(shí)帶我參觀了這個(gè)設(shè)施。這大約是 260 戶家庭一天的用電量。

從那以后的幾年里，電池存儲(chǔ)量增加了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，正如 Zahurancik 的新工作所證明的那樣。他現(xiàn)在是 Fluence 的總裁，這是 AES 和 Siemens 的合資企業(yè)，迄今為止已在全球部署了 38 吉瓦時(shí)的存儲(chǔ)。“我們今天正在建造的東西，我們的許多項(xiàng)目的規(guī)模都超過一吉瓦時(shí)，”Zahurancik 說。

去年，美國(guó)最大的存儲(chǔ)設(shè)施上線是加利福尼亞州的Edwards & Sanborn項(xiàng)目，該項(xiàng)目可以容納3.3千兆瓦時(shí)。這大約相當(dāng)于 110,000 戶家庭一天所需的電力。

然而，到這一點(diǎn)并不是一個(gè)穩(wěn)定的攀升。十多年來，美國(guó)的整體電網(wǎng)電池容量幾乎沒有變化。然后，在 2020 年左右，它開始飆升。發(fā)生了什么變化？

一個(gè)轉(zhuǎn)變是最常見的電池存儲(chǔ)技術(shù)鋰離子電池的價(jià)格大幅下降和能量密度增加。“我們做的第一個(gè)項(xiàng)目是在 2008 年，電池價(jià)格為每千瓦時(shí) 3,000 美元，”Zahurancik 說。“現(xiàn)在，我們正在尋找每千瓦時(shí) 150 美元到 200 美元的系統(tǒng)，用于整個(gè)系統(tǒng)安裝。”

部分原因是電網(wǎng)上的電池與移動(dòng)設(shè)備和電動(dòng)汽車中的電池沒有太大區(qū)別，因此電網(wǎng)電池受益于這些產(chǎn)品的制造改進(jìn)。

“這都是一條大管道，”佐治亞理工學(xué)院（Georgia Tech）研究清潔能源技術(shù)的教授米卡·齊格勒（Micah Ziegler）說。“手機(jī)、汽車和電網(wǎng)中的電池都有共同的特征。”看到這種不斷增長(zhǎng)的需求，中國(guó)大力發(fā)展電池制造，就像在太陽能電池板方面所做的那樣，創(chuàng)造了規(guī)模經(jīng)濟(jì)來壓低全球價(jià)格。中國(guó)現(xiàn)在生產(chǎn)了世界上 80% 的鋰離子電池。

風(fēng)能和太陽能的蓬勃發(fā)展創(chuàng)造了對(duì)電池的更多需求，并增加了改進(jìn)電池的壓力。風(fēng)能和太陽能通常是最便宜的新電力來源，而電池有助于補(bǔ)償它們的可變性，從而為擴(kuò)大存儲(chǔ)規(guī)模提供了更多理由。Ziegler 說：“這種關(guān)系的好處顯而易見，因?yàn)樵絹碓蕉嗟陌l(fā)電廠正在提議中，并且已經(jīng)部署了這些資源。太陽能加儲(chǔ)能的組合占 2024 年美國(guó)新增電力的 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/洛杉磯時(shí)報(bào)，來自 Getty Images

而且，由于電網(wǎng)電池不必足夠小才能移動(dòng)（與筆記本電腦或手機(jī)中的電池不同），因此它們可以利用更便宜、密度更低的電池，否則這些電池可能不適合裝在口袋里的東西。甚至有傳言說要讓舊的電動(dòng)汽車電池在電網(wǎng)上重獲新生。

監(jiān)管也有幫助。部署電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)主要障礙是它們不能自己發(fā)電，因此過去關(guān)于它們應(yīng)該如何連接到電網(wǎng)以及電池開發(fā)人員應(yīng)該從他們的服務(wù)中獲得多少報(bào)酬的規(guī)則是混亂和限制性的。聯(lián)邦能源管理委員會(huì)的 841 號(hào)令消除了儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入批發(fā)市場(chǎng)并與其他形式的電力競(jìng)爭(zhēng)的一些障礙。盡管該法規(guī)于 2018 年頒布，但它在 2020 年清除了一項(xiàng)重大法律挑戰(zhàn)，為更多電池并網(wǎng)鋪平了道路。

迄今為止，包括加利福尼亞州、伊利諾伊州和馬里蘭州在內(nèi)的 11 個(gè)州也為儲(chǔ)能設(shè)定了具體的采購(gòu)目標(biāo)，這要求公用事業(yè)公司安裝一定量的儲(chǔ)能容量，從而推動(dòng)更多的電網(wǎng)電池。這些因素共同為電力公司創(chuàng)造了全新的業(yè)務(wù)，催生了新的電網(wǎng)電池公司，并為儲(chǔ)能的豐收提供了肥沃的土壤。

儲(chǔ)能能為您做什么？

儲(chǔ)能是可再生能源巧克力的花生醬，使清潔能源的所有最佳特性變得更好，并平衡了它的一些缺點(diǎn)。但它也是電網(wǎng)穩(wěn)定性、可靠性和彈性的重要因素，有助于確保在停電和極端天氣期間穩(wěn)定的兆瓦級(jí)流量。

最常見的用途是頻率響應(yīng)。在美國(guó)，通過電源線的交流電以 60 赫茲的頻率循環(huán)。如果電網(wǎng)在耗電用戶開啟時(shí)降至此頻率以下，則可能會(huì)使斷路器跳閘并導(dǎo)致電源不穩(wěn)定。由于電池的啟動(dòng)時(shí)間幾乎為零，因此與熱發(fā)電機(jī)不同，它們可以根據(jù)需要快速吸收或傳輸電力，以保持電網(wǎng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)發(fā)電機(jī)離線或大型電力用戶意外啟動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)電池也可以作為備用電源介入。他們可以在一天中撫平電力負(fù)荷的山丘和山谷。他們還允許電力供應(yīng)商在生產(chǎn)成本低廉時(shí)節(jié)省電力，并在需求高且電力昂貴時(shí)將其賣回電網(wǎng)。建造電池設(shè)施通常比同等發(fā)電廠更快，而且由于沒有煙囪，因此更容易獲得許可和批準(zhǔn)。

電池已被證明可用于過載的電力網(wǎng)絡(luò)。去年，隨著德克薩斯州的氣溫達(dá)到三位數(shù)，電池為孤星州的電網(wǎng)提供了創(chuàng)紀(jì)錄的電力。德克薩斯州電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商 ERCOT 不必像 2023 年那樣要求德克薩斯州人減少用電。2020 年至 2024 年間，德克薩斯州的公用事業(yè)規(guī)模電池增加了 4,100%，達(dá)到 5.7 吉瓦。

Jupiter Power battery storage complex in Houston in 2024.

 照片：Jason Fochtman/Houston Chronicle via Getty Images

電網(wǎng)電池對(duì)其他發(fā)電機(jī)也有光環(huán)效應(yīng)。大多數(shù)火力發(fā)電廠（燃煤、天然氣、核能）都喜歡以穩(wěn)定的速度運(yùn)行。根據(jù)需求進(jìn)行增速和降速需要時(shí)間和金錢，但隨著電池吸收一些可變性，火力發(fā)電廠可以更接近其最高效的速度，減少溫室氣體排放并控制成本。

“這有點(diǎn)像你的汽車混合動(dòng)力，”Zahurancik 說。“如果你考慮一下普銳斯，你有一個(gè)電動(dòng)機(jī)，你有一個(gè)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，你可以使汽油消耗更好，因?yàn)殡姵匚樟怂凶兓！?/p>

Eolian的首席運(yùn)營(yíng)官斯蒂芬妮·史密斯（Stephanie Smith）說，電網(wǎng)電池的另一個(gè)特點(diǎn)是，它們可以減少對(duì)昂貴的電網(wǎng)升級(jí)的需求，該公司為電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)提供資金和開發(fā)。如果您有電池（在發(fā)電機(jī)側(cè)或需求側(cè)）可以在需要時(shí)釋放更多電子，則不必建造電力線來滿足絕對(duì)最大的電力需求。

“我們對(duì)獨(dú)立電池所做的，你得到的電池越多，你就會(huì)開始緩解需求，或者至少減少諸如新變速器建設(shè)之類的事情，”史密斯說。這些電池還使電網(wǎng)能夠更快地適應(yīng)不斷變化的能源需求，例如當(dāng)工廠關(guān)閉或新數(shù)據(jù)中心通電時(shí)。

總的來說，這會(huì)帶來更穩(wěn)定、更高效、更便宜和更清潔的電網(wǎng)。

充電

盡管鋰離子電池很好，但也有其局限性。大多數(shù)電網(wǎng)電池旨在在 2 到 8 小時(shí)內(nèi)儲(chǔ)存和調(diào)度電力，但由于電力需求全年都在變化，電網(wǎng)還需要將電力儲(chǔ)存數(shù)天、數(shù)周甚至數(shù)月。

電網(wǎng)規(guī)模存儲(chǔ)也存在一些迫在眉睫的根本性挑戰(zhàn)。與大多數(shù)電網(wǎng)級(jí)技術(shù)一樣，儲(chǔ)能需要大量的前期投資，需要幾十年才能收回，但目前存在很多不確定性，即特朗普政府的關(guān)稅將如何影響電池進(jìn)口，是否會(huì)出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)衰退，以及這種中斷是否會(huì)減緩未來幾年的電力需求增長(zhǎng)。對(duì)電池的非凡需求加劇了對(duì)所需原材料的競(jìng)爭(zhēng)，這可能會(huì)提高其價(jià)格。

盡管中國(guó)目前在全球電池供應(yīng)鏈中占據(jù)主導(dǎo)地位，但美國(guó)正在努力進(jìn)入。在上屆政府的領(lǐng)導(dǎo)下，美國(guó)能源部在儲(chǔ)能工廠、供應(yīng)鏈和研究方面投資了數(shù)十億美元。美國(guó)現(xiàn)在有數(shù)十家電池工廠，但大多數(shù)都針對(duì)電動(dòng)汽車。今年有 10 家美國(guó)工廠計(jì)劃投產(chǎn)，這將使電動(dòng)汽車電池的總產(chǎn)能提高到每年 421.5 吉瓦時(shí)。預(yù)計(jì)到 2025 年，全球電池總產(chǎn)量將達(dá)到 7,900 吉瓦時(shí)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/彭博社通過 Getty Images

還有一長(zhǎng)串且不斷增長(zhǎng)的項(xiàng)目等待并入電網(wǎng)。所有能源系統(tǒng)（尤其是太陽能、風(fēng)能和電池）的互連隊(duì)列通常持續(xù)三年或更長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)轫?xiàng)目開發(fā)人員需要進(jìn)行可靠性研究并應(yīng)對(duì)越來越多的監(jiān)管文書工作延誤。

特朗普政府還在努力取消圍繞清潔能源的激勵(lì)措施，特別是 2022 年《通脹削減法案》。該法律為清潔能源建立了強(qiáng)有力的激勵(lì)措施，包括對(duì)獨(dú)立電網(wǎng)能源項(xiàng)目的稅收抵免。史密斯說：“我確實(shí)擔(dān)心《通脹削減法案》，因?yàn)樗鼤?huì)改變曲線，老實(shí)說，我們現(xiàn)在無法承受任何形式的清潔能源改變曲線的代價(jià)。另一方面，特朗普的關(guān)稅最終可能會(huì)刺激美國(guó)國(guó)內(nèi)更多的電池制造。

盡管如此，公用事業(yè)規(guī)模的儲(chǔ)能只是美國(guó)龐大電網(wǎng)的一小部分，還有巨大的擴(kuò)展空間。“盡管我們一直在加速和快速發(fā)展，但總的來說，我們并沒有那么多，”Zahurancik 說。“你可以很容易地看到儲(chǔ)能占裝機(jī)容量的 20% 或 30%。”