Joule综述电池在应对太瓦级光伏挑战中应该扮演什么角色？

　　第一作者：I.M. Peters
　　通讯作者：I.M. Peters
　　通讯单位：德国纽伦堡赫尔姆霍兹可再生能源研究所
　　【成果简介】
　　电池在应对向太瓦级光伏的过渡中应该扮演什么角色？近日，德国纽伦堡赫尔姆霍兹可再生能源研究所的I.M. Peters教授在Joule上以＂The role of batteries in meeting the PV terawatt challenge＂为题对此问题进行了系统解答。文章讨论了固定式电池作为支持技术在扩大光伏发电的部署方面的潜在作用。文章从性能指标、经济和生态因素等方面探讨电池如何能够最好地支持光伏发电。通过研究发现，电池容量适度的增加在灵活性、成本和环境影响之间提供了一个很好的折衷方案。作者认为，要使电池在能源转换中成为光伏发电的有力伙伴，需要延长电池的寿命，降低系统的成本，以及高效的回收利用机制和强有力的支持性监管体系。
　　【背景介绍】
　　＂太瓦级挑战＂一词是2003年由理查德·E·史密利提出的，他将其描述为＂可以适应我们的能源基础设施，同时解决石油资源减少和大气中CO2含量上升的问题＂的计划。为了应对这一挑战，需要布局太瓦级的太阳能光伏和风能，并涉及到能源基础设施的重大转型。尽管预计风能和太阳能发电能力将扩大并成为全球发电的最大贡献者，但必须有辅助的技术来简化可再生能源的转化利用。
　　目前已经有多项研究讨论了如何达到可再生能源贡献水平很高的方案，并提出了不同的策略。从技术上讲，任何在空间或时间上转移能源的机制，都可以用于实现本地或全球100%的可再生能源贡献。但是，使用单一机制将会导致既不利于生态，也不利于经济或可持续发展。因此，具有高可再生能源贡献的方案可以与其他方案一起实施。相反，这意味着不存在必要的或不可替代的特定技术。特定技术（如能量存储器）的贡献不是固定的，而是存在一个范围，其内在由技术、经济和生态表现定义，外在由监管体系等因素限制。作者从技术、经济和生态的角度，对支持光伏发电能力发展的电网规模级电池储存的机遇和挑战提出了自己的看法。电池的建设性使用意味着它们能够以低成本和低碳排放量的方式，从可再生能源中获得更多的电力。
　　【全文解析】
　　1、电池作为太瓦级光伏发电的推动者
　　为了理解光伏-电池系统的基本特性，作者开发了一种简化的方案。在这个方案中，仅关注电池对改善太阳能资源和恒定负载之间的匹配性的能力。能够在匹配的情况下提供最大改善的电池容量，将被称为参考容量。
　　同时安装光伏面板和电池，可以将高产量时期产生的电力进行储存并转移到低产量或无产量时期。这种转移通过平滑振荡来改变光伏-电池系统功率输出的变化幅度。为了说明这种变化，作者定义了均匀性因子U，由下式给出：
　　图1A展示了如何计算U的说明，通过引入电池和缩减电量，可以改变发电情况（以红色显示）。随着引入更大的电池容量，改进后的曲线与Pmax之间的重叠会得到改善。但是，U本身只是确定参考电池容量的手段。图1B的上部显示了三个示例城市（纽伦堡，丹佛和新加坡）的均匀性因子与增加的电池容量的关系。参考容量是从该函数的一阶导数获得的，如图下部所示。参考容量是导数的最大值，即均匀性增加最高的电池容量。
　　图1光伏均匀系数：（A）均匀系数计算示意图。均匀系数U是指生成曲线下的面积与最大生成值所定义的矩形间的比率。（B）均匀系数U作为三个位置的电池容量的函数：新加坡（蓝色）、丹佛（红色）和纽伦堡（绿色），下方还显示了该曲线的一阶导数。
　　2、经济方面的考虑
　　对于使用电池储能的最大担忧之一是它增加了电力生产的成本。成本影响主要取决于所使用的电池的容量。作者认为，从系统架构的角度来看，低于4kWh/kWP的电池容量是合理的。其中，安装成本是最重要的经济因素。这些成本限制了经济上可行的存储容量。第二个重要经济因素是电池寿命。电池寿命决定了系统中更换电池的速率，同时这也具有生态意义。
　　作者使用模型计算了平均能源成本（LCOE），结果如图2所示，使用图1中每个城市的实际电池容量，安装成本分别为200美元/千瓦时和350美元/千瓦时，使用寿命分别为15年和30年。图中还显示了每个城市的公用事业规模纯光伏装置的LCOE值（蓝色）和当前家庭用电成本（棕色）。
　　图2 三个城市的光伏电池装置的LCOE：棕色柱表示当前当地家庭用电价格，绿色柱是光伏-电池系统的建模结果，蓝色柱表示2018年无电池光伏装置的LCOE。
　　3、生态方面的考虑
　　除了增加成本外，电池还将增加光伏系统对生态的影响。电池生产需要能源和资源，而废旧电池会产生污染物。在增加电池容量时也应考虑这些方面。作者研究了电池的加入对全球变暖可能性（GWP）和光伏电池系统的能量回收（EP）时间所产生的影响。研究得到的GWP如图3的上半部分所示。图中显示两种不同的电池-光伏系统的GWP值，一种是不更换电池（电池寿命为30年），另一种是更换电池（电池寿命为15年）。同时还显示了2019年德国和科罗拉多州以及2018年新加坡的碳排放强度数据。尽管与纯光伏系统对比，电池的加入增加了光伏系统的GWP值，但是光伏-电池系统的碳排放强度仍远低于当前能源结构中的排放强度。EP时间指的是能源系统所产生的能量与构建其所需要用的能量相抵消时所需要的时间。光伏系统的典型EP时间在半年到两年之间，具体取决于技术和所在位置。图3的下半部分显示了纯光伏系统和光伏-电池系统（电池寿命分别为15年和30年）的EP时间。与仅使用PV的系统相比，在此示例中引入电池使EP时间增加了25％至60％。
　　图3 全球变暖的可能性（上部）和能源回收时间（下部）图：图中显示的是在30年的使用寿命中，蓝色柱表示仅使用光伏系统，浅绿色和深绿色分别表示具有一个电池可更换和无需电池更换的光伏-电池系统。褐色柱显示了2019年德国和科罗拉多以及2018年新加坡能源混合的碳强度。
　　4、电池老化的影响
　　电池老化是一个复杂的过程，会导致容量的衰减和内部电阻的增加。 如图4展示了老化将会如何影响电池的自给自足。作者设计了一个简单的容量衰减模型，在30年的使用寿命中，年衰减率恒定在0％至10％之间。在使用时，电池只能在低倍率和/或中等电流密度下运行。因此，在随后的考虑中，作者假定内阻增加带来的影响很小。
　　图4 老化对光伏-电池系统自给自足的影响
　　衰减模型的结果如图5所示。随着容量衰减率的增加，均匀系数减小（图5A，上半部分），均匀系数随额外电池容量的变化率（图5A，下半部分）。均匀性的降低表明了容量快速衰减带来的严重后果。尽管参考容量没有受到太大影响，但电池在其使用寿命期间转移能量的能力受到很大影响，同时也会对可再生能源在电网中的利用产生影响。为了使这一特性更加具体，作者在图5B中绘制了不同衰减率下的电池容量和均匀系数关系图。参考容量同样由均匀系数随电池容量的最大变化给出，并在图5A中用点标记。对于较小的衰减率，容量的减少可以通过使用较大的电池来补偿，并且在很大程度上可以保持均匀性。一旦衰减率超过2%至3%，这种补偿将失效，均匀性开始下降。而当衰减率非常大时，参考容量会保持不变，甚至下降。这种特征转化为电池衰减对LCOE、GWP和EP时间的影响。虽然可以保持均匀性，但这三个数值都会随着容量的降低而增加，因为较大的电池可以补偿容量的损失。
　　图5 容量衰减的影响，图A：以纽伦堡为例，不同容量衰减率下电池容量与30年使用寿命内有效均匀性因子之间的函数关系（上图），并通过求导以获得参考电池容量数值（下图）。图B：三个城市的参考电池容量与均匀性因子随电池容量下降率的关系。
　　5、电池-光伏系统所面临的阻碍（技术阻碍、经济阻碍、政策法规的阻碍）
　　技术阻碍
　　尽管采用固定式电池并没有根本的技术障碍，但在组件和系统层面上，其性能仍有待提高。电池发展的趋势将是交通工具的持续电气化。这一趋势将保证并加速电池技术的进一步发展和锂离子电池产能的扩大（图6A）。这一趋势给固定式电池存储带来了机遇和挑战。大容量电池的使用是一个机会，特别是在考虑二次回收使用的情况下，可以探索电动汽车和电池存储之间的协同作用，进一步支持可再生能源的开发。固定式电池面临的挑战是，其市场份额低于总电池市场的10％，并且在未来几年中可能会保持这种状态（图6B）。如果不建立专门为太阳能和风能提供可变功率服务的电池市场，就有可能面临未针对该应用进行优化的问题，这可能会损害目标成本和可靠性。
　　图6 锂离子电池市场预测：（A）2014年至2028年锂离子电池产能和地点；（B）历史和预计的汽车行业电池、消费电子和固定式能量储存器的市场份额。
　　经济阻碍
　　电池系统的成本将决定其对扩展光伏发电容量的贡献。按今天的成本计算，在商业上电池与光伏装置一起安装是可行的。降低电池系统成本将进一步提高光伏电池系统的竞争力，并促进更多的电池存储项目或光伏-电池组合项目。图7显示了不同存储技术的发展曲线。黄色带标记的范围在500GWh和20TWh之间的电池容量，足以在几个小时内支持多个太瓦级的光伏系统。蓝色带显示了行业专家和学者的预测范围。如前所述，一些研究指出了降低成本的实际限制。这些研究期望发展曲线趋向于特定技术的最小值。
　　图7 锂离子电池的发展曲线
　　政策法规的阻碍
　　在德国进行的一项调查中，有86％的公司表示，他们将监管框架视为新电池存储概念和技术进入的最大障碍。政策和法规有时会缺失，有时会阻碍流程，从单一用途到多用途的过渡会变得更加复杂。尽管法规是针对特定地区的，但在许多地区都可以观察到类似的趋势。在其他地区，缺乏法规或不连贯的政策是主要障碍。对于以越来越高的速度部署的能源技术而言，具有挑战性的监管环境并不罕见，并且电池的状况反映了光伏技术的状况。
　　【总结与讨论】
　　光伏发电的太瓦级挑战已成为一项基础设施挑战。当过渡到以可再生能源为主要能源时，如何设计未来的能源系统将摆在人们的面前。达到碳中和的途径有许多种，涉及到各种技术：通过传输，存储和负载管理来补充发电。电池引入了一种机制，可以随时间分配能量，甚至可以在当地满足供需需求。此外，电池本质上是模块化的，可以无处不在地部署，并且容量可以自由扩展。此功能使电池不同于抽水蓄能。电池具有其他有利特性，它们能够支撑电网稳定性并能对供电波动和停电做出迅速反应。
　　由于电网具有高度耦合的性质，因此对所需的电池没有确定的数量要求，所以电池最适合用于支持已安装的光伏发电容量的扩展。通过简单模型分析，作者认为3至4 kWh/kWP的电池容量在使光伏发电曲线向均匀性过渡方面最有效。相同的容量所产生的电力成本目前约为今天的两倍，并且到2030年预计将约为当今纯光伏系统的电力成本的1.3倍。相应的光伏-电池系统的碳排放量是纯光伏系统的2至3倍，但仍比当前能源结构的碳排放量低5到10倍，随着生产中使用更清洁的能源，碳排放量将进一步减少。与仅使用光伏发电的系统相比，能量回收时间增加了大约50％。
　　大规模固定式电池的采用也面临挑战。尽管不断增长的电动汽车市场能够降低电池组的成本，但这些电池在固定式储能方面并没有进行优化。此外，固定式电池的BOS成本仍然很高。特别的是，使用寿命长（30年）的电池对于固定式电池的性能很有帮助。电池还面临着进一步的环境挑战，主要包括可持续的回收利用和原材料的开采以及替代材料和技术领域的研究。包括锂和钴在内的金属开采带来了环境和社会挑战。最后，目前的监管壁垒阻止了固定式电池的广泛使用。在规章制度有力支持下的廉价耐用的固定式电池会是光伏技术在应对太瓦级挑战方面的强大同伴。
　　I.M. Peters, C. Breyer, S.A. Jaffer, S. Kurtz, T. Reindl, R. Sinton, and M. Vetter, The role of batteries in meeting the PV terawatt challenge,  Joule  2021, https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.023