來源 ▏ 鉅大LARGE
想象一下，某個夜晚，城市用電高峰，拉閘限電，而你打開掛在墻上的 “大電池”，室內(nèi)一片光明，甚至可以開著電動汽車出去兜個風(fēng)。更酷的是這些電是免費(fèi)的，因為你家的太陽能發(fā)電組或者風(fēng)力發(fā)電組，白天用電冗余部分充進(jìn)了大電池，晚上使用，完全獨(dú)立于公共電網(wǎng)。
這是美國特斯拉公司（Tesla)設(shè)計Powerrwall要達(dá)成的愿景。
Powerwall不是發(fā)電裝置，更像是一塊大電池。由于可以掛在墻壁上，在我國，它被稱為 ：“能源墻”。
假如Powerwall這塊 “電池”能接入到電網(wǎng)，好處是計算階梯電價時，Powerwall可以在電費(fèi)較低時段，預(yù)先存儲一部分電能，而在電費(fèi)較高時段使用，從而節(jié)省電費(fèi)支出。假如你家屋頂上有太陽能，那就完全免費(fèi)了，Powerwall負(fù)責(zé)從發(fā)電到用電中間的存儲，甚至可以使普通家庭用戶離開公共電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。
按特斯拉的CEO埃隆?馬斯克的計劃，新一代Powerwall儲能電池將在七八間問世。這距離第一代Powerall “降生”不到一年，他急于讓Powerwall進(jìn)入全球大部分家庭，成為家庭的 “大電池”。
僅僅有不到30年產(chǎn)業(yè)化歷史的鋰離子電池技術(shù)，能否支撐起Powerall未來的使命？特斯拉的解決方法，可否用于儲能裝置與大型新能源發(fā)電沖的結(jié)合?這種由小電池組裝成的儲能系統(tǒng)，如何與公共電網(wǎng)跳好 “二人轉(zhuǎn)” ？
一切都還是未知，記者采訪發(fā)現(xiàn)，在能源界也有不同的聲音。
老技術(shù)換新裝
目前的電池技術(shù)，單個電池做到存儲量達(dá)到兆瓦級別，仍是不可實現(xiàn)的，特斯拉將大量小電池集成形成一塊大電池的解決方法，在大數(shù)量級電量存儲方面給出了一個新思路。
Powerwall的創(chuàng)新在于利用一套電池管理系統(tǒng)，把近7000塊18650鋰離子電池反復(fù)分組，每一層都有管理，靠軟件技術(shù)保證電池充放電的一致性，防止危險發(fā)生。
18650電池是鋰離子電池的鼻祖，是日本索尼公司為了節(jié)省成本而制定的一種鋰離子電池型號。
中科院物理所研 究員黃學(xué)杰接受記者采訪時表示，Powerwall使用的鋰離子電池技術(shù)本身成熟，它做的是把小電池組裝成儲存單元，“特斯拉重要是提出商業(yè)模式”。
以前就曾有類似Powerwall的家用儲能產(chǎn)品，不過，大多數(shù)出現(xiàn)在日本市場。比如，2011年四月，索尼公布的采用橄欖石磷酸鐵鋰充電電池的1.2KWH儲能模塊；2011年七月，東芝推出的由錳酸鋰離子電池+鈦酸鋰離子電池組成的1.6KWH產(chǎn)品；2012年三月，NEC公布的由錳酸鋰聚合物理電池組成的6KWH儲能產(chǎn)品等。
在我國科學(xué)院電工研究所儲能技術(shù)研究組組長陳永翀看來，從電池技術(shù)的本質(zhì)來看，Powerwall并沒有根本性突破。不過，它的電池管理、溫度控制，以及電池跟外部電網(wǎng)的互動，值得借鑒。比如，為了防止電池溫度過高和差異過大，Powerwall配備了一套冷卻系統(tǒng)，用冷卻液平衡電小孩子之間不同的溫度，防止溫差造成危險。
陳永翀也提醒，Powerwall將成千上萬個小電池堆積，未必是未來儲能的正確思路。
以小體積實現(xiàn)大電量的儲備，是目前整個儲能行業(yè)、電池技術(shù)共同的瓶頸。
未來儲能，電池要放大，但應(yīng)以什么思路放大？
“直接放大是不行的；拿現(xiàn)有做小電池的思路來做大電池，我認(rèn)為是不通的。”陳永接受記者采訪時直言，小電池本來有一定的安全隱患，從概率上來看，簡單地大數(shù)理堆積會新增隱患和成本。
什么在阻礙電池?zé)o限量擴(kuò)容
電池的續(xù)航能力一直是技術(shù)難點(diǎn)，特斯拉讓全球消費(fèi)者看到了新增電池存儲量的可能，但現(xiàn)有的電池技術(shù)還有多大的增量空間？
目前，電子用品市場上應(yīng)用最廣泛的是鋰離子電池，特斯拉產(chǎn)品也用這種電池。鋰離子電池屬于二次電池，可以重復(fù)使用。
1991年，索尼公司推出第一塊商品化鋰離子電池，并帶來電池工業(yè)的一次革命。鋰離子電池首先進(jìn)入手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場，沒用幾年時間就一統(tǒng)天下，將鎳鎘電池、鎳氫電池等逐出市場。
其實，二次電池領(lǐng)域也是一個大家族，有鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鈉硫電池、液流電池等。全球電池市場中，鉛酸電池的市場份額，在所有二次電池中仍占絕對主導(dǎo)地位，不過鋰離子電池增勢迅猛。
2018年，鋰離子電池全球市場規(guī)模將比2013年新增31.7%，占整體電池市場的比重，達(dá)到三成左右。
能量密度、價格、安全、壽命、體積等是衡量電池的常用指標(biāo)。黃學(xué)杰分析，電池在不同的使用環(huán)境中，側(cè)重的指標(biāo)不想同，“不同的設(shè)備中，對電池指標(biāo)的重視可以協(xié)調(diào)，尤其是相互制約與矛質(zhì)的指標(biāo)”。
手機(jī)電池要在最小的尺寸里裝盡量多的能量，安全系數(shù)會低一些，消費(fèi)者可以忍受高一些的價格，壽命也可以短一些，一般3年就夠；汽車用電池要10年以上的壽命，安全系數(shù)要求更高，同時價格不能太高；在大的儲能領(lǐng)域，要電池壽命達(dá)到20年以上，體積指標(biāo)可以放松一些。
在上述指標(biāo)中，顯示設(shè)備續(xù)航能力的電池能量密度，常常與安全性是相互矛盾的，即能量密度越高，危險性也就越大。
鋰離子電池的關(guān)鍵技術(shù)重要集中在正負(fù)極材料、電解質(zhì)和隔膜上，材料的性能和制備工藝很大程度上決定了電池的性能。
電池技術(shù)的突破依賴基礎(chǔ)材料性能的提升，遺憾的是，材料鮮有重大突破。石墨烯材料被廣為看好，不過，至今沒有真正的產(chǎn)品可用。
在隔膜方面，美國與日本擁有先進(jìn)隔膜生產(chǎn)的技術(shù)專利，但這些研發(fā)成果都針對小電池，尤其是在數(shù)碼產(chǎn)品、智能手機(jī)領(lǐng)域，有關(guān)未來的大型電動汽車電池、電網(wǎng)儲能電池，目前隔膜的研究思路是否適合，陳永認(rèn)為仍是一個大問號。
除電池的材料之外，電池的結(jié)構(gòu)常常被忽視。
陳永翀將電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計比作是炒菜，不同的廚師用同樣的原材料炒出來的菜，味道可能是不相同的。 “同樣的材料，采用不相同的電池結(jié)構(gòu)技術(shù)，性能就會有相當(dāng)大差別?！标愑缹τ浾哒f。
安全性考慮，材料技術(shù)，電池結(jié)構(gòu)技術(shù)，并不是阻礙電池?zé)o限擴(kuò)容、設(shè)備無限增大續(xù)航的全部因素，終端產(chǎn)品的設(shè)計也在掣肘電池擴(kuò)容。要了解，智能手機(jī)中的很多功能沒有那么緊要，但在后臺運(yùn)行時卻很耗電。
即便是特斯拉，也無法回避當(dāng)前電池技術(shù)面對的上述局限。此外當(dāng)然也受成本拖累。
Poowerwall目前有容量為10千瓦時與7千瓦時兩個版本，售價分別為3500美元和3000美元，相當(dāng)于2.17萬元和1.86萬元左右人民幣，高昂的價格，會成為阻攔其進(jìn)入尋常百姓家的門檻。
7千瓦時，基本能滿足一個我國家庭一天的常規(guī)用電量，但Powerall想在我國遍地開發(fā)，還要研究我國的國情。陳永表示，美國和我國的國情是不想的，美國別墅數(shù)量眾多，都是獨(dú)家獨(dú)戶的，分布式光伏發(fā)電設(shè)備應(yīng)用廣泛， Powerwall會受到青睞，我國則情況不同。
特斯拉時軍家庭儲能設(shè)備，并在我國官網(wǎng)上線powerwall，對此，常州天合光能有限公司新聞發(fā)言人葉超分析認(rèn)為， “更多是看準(zhǔn)了未來我國市場需求的潛國，意欲提前布局”。
就像光伏發(fā)電相同，隨著技術(shù)與市場的成熟，從開始興起時每瓦幾十元，現(xiàn)在降到幾元，未來還會降到幾角，行業(yè)內(nèi)預(yù)計，家庭儲電設(shè)備也會走相同的路。
黃學(xué)杰分析，在儲能技術(shù)中當(dāng)電池的成本達(dá)到1元每瓦時，就具有商業(yè)價值，而現(xiàn)在的成本是理想成本的兩倍以上。
消費(fèi)者與政府決策者，還應(yīng)該換一個思路看待電池的成本問題。
二次電池本身可以循環(huán)使用，比如電動汽車報廢以后，其電池仍有60%以上的儲電能力，還可以繼續(xù)用于家庭儲電。此外，電池與新能源結(jié)合后，帶來的經(jīng)濟(jì)成本與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，有更大的經(jīng)濟(jì)價值。 “不能總是給外界傳達(dá)這個期望：電池成本、儲能成本可以不停地降下來，也要考慮傳統(tǒng)能源的環(huán)境成本。”陳永說。
更宏大的能源管理目標(biāo)
以小體積儲備大電量，不僅是電池行業(yè)本身難以實現(xiàn)的突破，也是儲能行業(yè)的瓶頸。
就在世界重要國家紛紛將發(fā)展太陽能、風(fēng)能等可再生能源上升為國家戰(zhàn)略時，解決太陽能發(fā)電、風(fēng)電的間歇性——高峰和低谷之間的變化，成為近切的需求。
這要儲以來“削峰填谷”，使能源輸出不間斷。黃學(xué)杰分析，“電池儲能是未來趨勢，不僅是在大型風(fēng)電站與太陽能光伏發(fā)電中，還能用于對整個電網(wǎng)的調(diào)頻?！?/p>
為用戶節(jié)省成本，也不是Powerwall最重要的目的，埃隆?馬斯克為Powerwall所設(shè)定的，是更宏大的能源管理目標(biāo)。
比如，由于消費(fèi)者的生活形態(tài)有著固定的節(jié)奏，也會形成用電的峰谷。而電力公司必須以高峰用電量來規(guī)劃發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃，造成在非高峰時間往往出現(xiàn)了多余的電能無人使用，這些電能就被浪費(fèi)掉了。
“十二五”期間，我國建立風(fēng)光儲輸示范工程，初衷就是想把風(fēng)、光、儲這幾種方式聯(lián)合起來，以電池儲能作為載體，實現(xiàn)風(fēng)、光、儲多時間尺度的出力互補(bǔ)，使這些新能源的發(fā)電達(dá)到或者接近常規(guī)電源，并探索出電為優(yōu)化的聯(lián)合配比比例。
國家電網(wǎng)我國電力科學(xué)研究學(xué)研究院電工與新材料研究所所長來小康在評價這一示范項目時曾表示，“磷酸鐵鋰離子電池的運(yùn)行效果非常好，效率能達(dá)到80%以上，此前大家擔(dān)心它的安全性，但事實證明，自儲能電站運(yùn)行以來，磷酸鐵鋰離子電池沒有出現(xiàn)過任何安全事故?！?/p>
不過，受制于電池使用成本，對電網(wǎng)調(diào)頻有很大經(jīng)濟(jì)價值的儲能技術(shù)，還不能全面推廣，仍依靠政府補(bǔ)貼進(jìn)和項目示范。
況且，國內(nèi)多數(shù)示范項目還停留在對儲能技術(shù)做驗證的階段，雖然目前安全性得以實現(xiàn)，但防止安全事故發(fā)生并不是示范的唯一目標(biāo)，最終還是要市場化應(yīng)用。陳永翀表示，儲能示范項目也是為了讓一些不太成熟的技術(shù)，通過示范達(dá)到商業(yè)化，市場化的過渡，起到橋梁用途。
“十三五”規(guī)劃提出針對長期制約新能源發(fā)展的儲能瓶頸，將 “加強(qiáng)儲能和智能電網(wǎng)建設(shè)，發(fā)展分布式能源，推行節(jié)能低碳電力調(diào)試”。
陳永翀建議，在執(zhí)行這些規(guī)劃時， “要防止上馬重復(fù)項目，不能為了示范而示范”，將儲能示范項目數(shù)據(jù)的公開與共享，便 于研究，也便于監(jiān)督。
同時，應(yīng)該開展大型儲能電站的仿真與模擬研究，像測試電網(wǎng)擾動那樣，建立大型模擬系統(tǒng)，并給出一個擾動信號，掉進(jìn)如何反應(yīng)，會不會崩潰。而有關(guān)公司愿意積極執(zhí)行的商業(yè)示范項目，政府應(yīng)盡可能給予政策支持，推動儲能商業(yè)模式的創(chuàng)新發(fā)展。
“要推動新的電池技術(shù)、儲能技術(shù)的推廣，不能讓儲能行業(yè)重蹈光伏產(chǎn)業(yè)的覆轍。”黃學(xué)杰表示。
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