美国能源存储规划路线图

jc_ipec 2021-01-13

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美国能源部（DOE）提出一项名为能源存储大挑战（ESGC）的综合计划，旨在加快下一代能源存储技术的开发利用和商业推广，通过美国创新、美国创造、世界部署的战略目标，保持美国在能源存储领域的全球领导地位。

认识到存储技术的广度和重要性，DOE已经初步确定重点目标：

到2030年，长时固定式储能应用的平均成本将比2020年下降90%，达到$ 0.05 / kWh，这将促进三大商业存储可行性：在需求高峰期满足用电负荷；为电动汽车快速充电做好电网准备；确保通讯、信息技术等关键基础设施的可靠性。
到2030年，300英里电动汽车电池组制造成本降为$ 80/ kWh，比当前$ 143/ kWh的成本降低44％。实现这一成本目标将使得电动汽车更具成本竞争力。

路线图提出了“储能大挑战”计划五个领域的重要行动（技术开发、制造和供应链、技术转化、政策与评估、劳动力开发），本文围绕技术开发和制造与供应链两部分进行简要介绍。

一、技术开发

新一代储能技术将继续为电网，运输以及整个经济领域创造收益。ESGC将创建一个功能和程序框架，通过提高性能和降低成本来最大程度地提高存储创新的步伐。建立以用户为中心的用例和技术途径，能够实现储能技术近期加速和长期领导地位。

ESGC列出了3项活动计划，通过加强最终用户利益与所有研究阶段之间的联系，加快整个创新过程。

活动1：用例作为技术中立指南

ESGC用例描述了一组广泛或相关的未来应用，这些应用通过性能更高、成本更低的能量存储来启用。图1描绘了每个用例在电力系统中的位置以及预期收益易于量化或定义的程度。在此讨论中，电力系统包括发电、输电、配电、最终用途、运输、离网应用6大部分，其中离网作为“服务远程社区”的一部分。

图1 初步用例说明

活动2：建立技术组合

定义用例的必需功能后，需要确定可实现积极性能目标，彻底解决每个用例中的挑战。图2对从用例到特定能量存储技术进行视化展示。

图2 性能功能框架的示例说明

性能目标是诸如系统的寿命，移动性和效率之类的特征，这些特征将需要满足每个用例要求和条件要求。研究满足不同用例需求的技术路线时，ESGC将考虑商业市场力量对技术的采用性和可用性的影响。

活动3：加速创新生态系统

缺乏现场验证的操作经验是新存储技术商业化的主要障碍。确认储能技术的商业可行性，需要在与商业相关的规模和运营环境下测试创新技术。

而已经进行测试的用例可能来自多种技术路线，包括双向电存储；热量和化学存储；灵活生成和加载。图3显示了新技术如何转化为示范项目、应用开发和早期研究的优化投资组合。

图3 2030年存储行业场景说明

二、制造与供应链路线

ESGC的制造和供应链路线目标：充分利用储能技术的优势，整合供应链，建立强大的国内制造基地，降低成本，迅速整合和扩大创新产品的生产。

但是目前不同储能技术面临着不同的挑战。

1、电化学

不同的电池化学成分通常需要不同的制造工艺，灵活的生产线能够制造许多不同化学成分的电池组件和电池。

a) 锂电池

锂需求量大且处于持续增长状态，目前开发锂基电池存在三方面挑战：

供应链有限，美国目前没有后备的锂生产线，锂、钴储备都存在供应链风险，电池回收是目前最可行的解决途径。

电池制造工艺和市场竞争成本限制电池性能，制造技术影响电池的能量密度和电池寿命，在降低生命周期成本的情况下提高电池性能是一大发展方向。

解决安全问题，锂电池在某些条件下会过热，着火甚至爆炸，确保使用安全，需要更好的热管理技术。

b) 液流电池

流动电池（电池功率与存储容量不相关）的预计市场正在迅速增长，但是它的发展同样面临一些阻碍。

图4 液流电池原理图

低效和昂贵的制造技术，膜、双极板和多孔碳电极等组件需要特殊性能，生产昂贵。

缺乏健壮、标准化的供应链（有限的供应商）。与其他电池化学类似，液流电池系统的发展潜力也受到非标准化供应链限制。其常用的化学物质钒主要为进口，供应链受限。

大规模制造的制约。液流电池尚未达到可提供广泛规模经济的部署。系统想要进一步商业化开发，高性能部件（例如膜和储罐）和材料（例如活性电解质）的制造工艺将变得至关重要。

c) 其他电池化学

锂离子电池巨大的市场需求，使其它替代电池具有广大的市场，但是其它化学电池的创新仍然受限于制造规模和与基础设施的集成程度。

2、机械储能

尽管大多数机械储能系统的材料和技术都比较成熟，但它们仍需要朝着更加坚固耐用的方向进行创新，才能够应对供需日益变化的电网挑战。目前，机械储能的问题主要在于制造成本高，且有一些独特的安全约束。

3、化学能储存

目前，化学能量存储系统的主要挑战是与其他能量存储介质间成本竞争。此外，对关键材料的依赖，组件在酸性环境中性能都是它将面临着的挑战。

4、跨领域挑战

上述挑战主要针对一、两个储能技术，然而下面这两个问题是大多数技术都需要克服的障碍。

1、系统集成能力不足。所有能源存储技术都需要整合到更大的系统中，比如建筑物、微电网、配电网络或区域电网。特别是在双向存储技术情况下，为实现电力的无缝转移，需要对电流进行精细控制(如匹配电压、相位和避免高阶共振问题)。这需要开发和标准化电力电子及其他支持技术（如超级电容器），来支持能源存储的广泛应用。

2、系统设计和测试能力。如果没有设计和测试这些变化的能力，新材料和部件的快速发展就不能纳入系统。改善所有储能技术的系统设计和测试能力，可以大大加快可行创新的商业化。

创新的研发过程不是线性的，也不局限于实验室。无论规模大小，都需要证明创新的性能、可靠性和成本，以减少不确定性和市场失灵的风险。