除了電池之外的其他可能

儲能的原理早在幾十年前就不是什么新鮮事。“經(jīng)典”的抽水蓄能技術(shù)就是在電力富余的時(shí)候，利用水泵將電力轉(zhuǎn)化為勢能，在需要的時(shí)候，又把水放出來，將勢能轉(zhuǎn)化為電力。但在德國，適合建造抽水蓄能電站的空間非常小，因?yàn)槟抢锏纳絽^(qū)很少，而且公眾對這種會破壞環(huán)境的新項(xiàng)目有強(qiáng)烈的抵制。這就是為什么德國人還在努力尋找其他方式來儲存可再生能源。目前人們對電池的熱情有時(shí)掩蓋了這樣一個事實(shí)，即世界第四大經(jīng)濟(jì)體的脫碳需要許多其他技術(shù)，因?yàn)殡姵馗緹o法儲存更長時(shí)間的能量，也無法儲存足夠的能量。這就是為什么除了完成煤炭開采到電池生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變之外，以熱能的形式儲存，或者以氣體或液體燃料的形式儲存可再生能源(比如Power-to-Gas技術(shù))的技術(shù)，對于大量或者長時(shí)間儲能也很重要的原因。

熱儲能目前正在研究當(dāng)中，德國航空航天中心(DLR)提出了一種利用煤炭行業(yè)現(xiàn)有儲熱設(shè)備來緩解脫碳計(jì)劃的替代方法。研究人員建議將可再生能源產(chǎn)生的熱量儲存在廢棄燃煤電廠裝滿液態(tài)鹽的大水箱中，并利用現(xiàn)有的蒸汽發(fā)生器和渦輪機(jī)將熱量轉(zhuǎn)化為電能。德國政府已經(jīng)表示，將研究“使用不再需要大規(guī)模蓄熱的發(fā)電廠”的可能性。DLR稱，如果這些項(xiàng)目得以實(shí)現(xiàn)，目前約有一半的燃煤電廠員工可以保住工作。

至于Power-to-Gas技術(shù)儲能的案例，在德國目前有非常多，其中比較有名的是德國的MEKS項(xiàng)目。MEKS“是施普倫貝格多能互補(bǔ)集成發(fā)電系統(tǒng)(Multi-Energie-Kraftwerk Sperenberg)的縮寫，項(xiàng)目坐落于德國東部小市阿姆梅倫塞的小鎮(zhèn)施普倫貝格。這個多能互補(bǔ)集成發(fā)電系統(tǒng)利用先進(jìn)智能系統(tǒng)集成技術(shù)將風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電結(jié)合，所發(fā)電量可以實(shí)時(shí)饋入電網(wǎng);多余的電量又可以結(jié)合制氫裝置，制得的氫氣可以儲存或饋入當(dāng)?shù)靥烊粴夤艿?。MEKS項(xiàng)目將該地區(qū)的創(chuàng)新發(fā)電和存儲技術(shù)結(jié)合起來，充分利用該地區(qū)的新能源資源，同時(shí)為當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有發(fā)電廠提供了可持續(xù)利用潛力。

電池在電動汽車上的應(yīng)用

電池產(chǎn)業(yè)的繁榮發(fā)展的主要推動力就是政府決策。作為汽車大國，德國政府希望在汽車零排放時(shí)代到來之前確保德國最重要的汽車行業(yè)的未來。發(fā)展電動汽車對于電力行業(yè)來說無疑是個福音，電動汽車之于電力行業(yè)的意義就是“裝在車輪上移動電池”，而且其飛快的發(fā)展速度對于儲能行業(yè)的意義可能會是住宅儲能無法比擬的。

氣候、能源和運(yùn)輸國際顧問Diaz-Bone舉過這樣一個例子：“100,000個家用儲能系統(tǒng)的數(shù)量可能聽起來已經(jīng)可以令人印象深刻，但如果對比電動汽車的規(guī)模，這個數(shù)字也只能相形見絀了。我們正在研究數(shù)百萬輛電動汽車，每輛汽車的電池容量為40到100千瓦時(shí)，是一般家用電池儲能系統(tǒng)的五到十倍”。

與固定式家用電池一樣，通過充電樁連接到電網(wǎng)的電動汽車不僅可以存儲電力，還可以根據(jù)需要將其送入電網(wǎng)。例如，下午從工作中回到家的電動汽車車主可能會告訴他的充電系統(tǒng)，希望他的車在第二天早上之前可以充滿電。然后，系統(tǒng)可以分配充電所需的時(shí)間，并利用剩余部分幫助調(diào)節(jié)電網(wǎng)穩(wěn)定。電池的核心優(yōu)勢是，可以在短時(shí)間內(nèi)吸收和釋放大量電力，這使其成為為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)的理想工具。它們可以保證電力通暢以穩(wěn)定電網(wǎng)，充當(dāng)備用電源以提高可靠性，并且能夠在供電充足且因此便宜的時(shí)間再充電。德國著名的虛擬發(fā)電廠運(yùn)營商N(yùn)ext Kraftwerke與荷蘭智能充電供應(yīng)商Jedlix合作，已經(jīng)把這種雙向充電模式應(yīng)用到試點(diǎn)項(xiàng)目當(dāng)中。

但電動汽車能否如上面所說為電網(wǎng)提供這些服務(wù)還有待觀察，這取決于車主和汽車制造商是否配合。為了解決這一問題，德國能源智庫AgoraEnergiewende的儲能專家MatthiasDeutsch參考了一些關(guān)于向電動車車主支付輔助服務(wù)的費(fèi)用的商業(yè)模式，得出了結(jié)論稱：“能否說服電動汽車車主參與電網(wǎng)輔助服務(wù)，根本上只是一個補(bǔ)償金額高低的問題。相比之下，汽車制造商所帶來的阻礙可能更大 – 例如，汽車制造商會要求：如果車主把汽車電池用于電網(wǎng)輔助服務(wù)，他們就會撤回對電池的質(zhì)量保證。”

據(jù)麥肯錫稱，電動汽車不會在2030年之前大幅增加德國的電力需求，但人們通常會在下班后給電動汽車充電，這一用電行為可能會增加夜間高峰負(fù)荷，電力負(fù)荷曲線將有所不同。雖然電力系統(tǒng)受到影響不大，但在一些電動汽車普及的熱點(diǎn)地區(qū)(如郊區(qū)等)，由于峰值負(fù)荷會顯著增加，當(dāng)?shù)氐淖儔浩饕残枰墶?/p>

德國儲能行業(yè)也表示，儲能產(chǎn)品可以減少電網(wǎng)擴(kuò)建的投入。例如，大量電動汽車投入市場，大規(guī)模的充電會給電網(wǎng)帶來過重的負(fù)擔(dān)，此時(shí)，有儲能設(shè)備作為緩沖，擴(kuò)建的需求也就沒有那么迫在眉睫了。

展望未來，電網(wǎng)可用的電動汽車數(shù)量看起來并不是那么確定。如果私人汽車保有量下降，自動機(jī)器人出租車等新商業(yè)模式投入使用，人們現(xiàn)在所想象的電動汽車在電網(wǎng)中的美好應(yīng)用可能會大打折扣。

電池對人類和地球的危害

電池市場的規(guī)模已經(jīng)引起了人們關(guān)于電池原材料以及電池生產(chǎn)和處理對人和環(huán)境的副作用的關(guān)注。

根據(jù)德國交通轉(zhuǎn)型智庫AgoraVerkehrswende的一項(xiàng)研究表明，雖然鋰和鈷等關(guān)鍵電池成分的資源儲備足夠支撐當(dāng)前電池的發(fā)展，但它們的開采制作過程，本質(zhì)上還是會造成一定的社會問題和環(huán)境問題。這個領(lǐng)域所產(chǎn)生的問題是多方面的，包括采礦作業(yè)的高能耗，酸性礦山排水，采礦公司與當(dāng)?shù)鼐用裰g的用水沖突，以及礦山的惡劣工作條件等等。尤其是剛果小型鈷礦的不人道開采條件，工人們赤手空拳地挖掘原材料的情況，引起了媒體的廣泛關(guān)注。“可持續(xù)性不僅僅意味著'長期可用性'。它還意味著確保整個供應(yīng)鏈中工人的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和可行條件。”

另一方面，鎳和鋰的開采也帶來了高昂的環(huán)境成本。二手車電池的處理也可能造成嚴(yán)重的環(huán)境問題，但二手電池處理這個新行業(yè)正在逐漸興起，將會成為一個十分必要的售后市場。

在這里舉一個典型的例子就是汽車制造商通過二次利用電池來賦予電池新生命。各種德國汽車制造商已經(jīng)將數(shù)百個二手電動汽車電池組合在一起，形成電力系統(tǒng)的大型儲能裝置，以幫助保持電力供需平衡。梅賽德斯汽車制造商戴姆勒在2018年7月開設(shè)了第三個由二手電動車電池組成的大型電池儲能設(shè)備，總?cè)萘考s為10兆瓦時(shí)。同為德國著名汽車制造商的寶馬公司也參與了類似的項(xiàng)目。

大型電池提供電網(wǎng)服務(wù)

無論是二手還是全新電池，它們的價(jià)格正在不斷下降。目前，大型電池已經(jīng)成為電網(wǎng)穩(wěn)定的重要工具。德國儲能協(xié)會BVES的數(shù)據(jù)顯示，德國大型商用電池的總?cè)萘繉⒃?018年幾乎翻倍至約320兆瓦，而所有家用電池的總?cè)萘繉⒃黾拥?80兆瓦左右。

在一些地理位置比較孤立的國家，例如英國和澳大利亞，大型電池提供電網(wǎng)服務(wù)的使用需求更加顯著。氣候、能源和運(yùn)輸國際顧問Diaz-Bone認(rèn)為：“作為一個島國，英國幾乎沒有與國際互聯(lián)的電網(wǎng)，卻擁有巨大的風(fēng)力發(fā)電潛力。因此，它應(yīng)該受益于其電網(wǎng)中的電力存儲部分，而德國對大型電網(wǎng)儲能的需求不那么明顯，因?yàn)榈聡幸幌盗锌赡芨阋说撵`活性替代方案 - 例如跨境電力貿(mào)易。因此，德國不會像英國那么依賴電化學(xué)儲能。”與英國相比，德國的電網(wǎng)可以利用阿爾卑斯山的水電站來儲存電力，并且很快可以使用目前正在建設(shè)中的水下電纜NordLink，將風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的電力輸送到挪威水電站。在德國風(fēng)力發(fā)電量較低的時(shí)候，挪威水壩可以將電力輸送回德國電網(wǎng)。

大型電池儲能項(xiàng)目也成為綠化遠(yuǎn)程住宅能源供應(yīng)的關(guān)鍵工具，讓住宅供能不依賴于集中式電網(wǎng)。德國在北海的島嶼為這些涉及儲能的智能小型電網(wǎng)提供了完美的試驗(yàn)場。例如，歐盟支持博爾庫姆島的一個試點(diǎn)項(xiàng)目，旨在用太陽能電池板發(fā)電和配備有一系列儲能技術(shù)的連接到智能電網(wǎng)的風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電取代化石燃料發(fā)電。

儲熱和季節(jié)性儲能

電池并不是解決能量轉(zhuǎn)換后所需的大規(guī)模儲能的唯一靈丹妙藥。這是因?yàn)殡姵夭贿m合長時(shí)間儲存電力，并且電池的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足風(fēng)力和日照較少的長時(shí)間需要。從尺寸上看，世界上最大的電池?fù)碛?29兆瓦時(shí)容量，由特斯拉在2017年在澳大利亞建造，可能僅能為上海提供大約幾分鐘的電力。因此季節(jié)性的大規(guī)模儲能往往需要人們考慮到如何將整個夏季的太陽能發(fā)電量儲存幾個月，供冬季使用。

許多德國專家認(rèn)為，在沒有風(fēng)或太陽的較長時(shí)期內(nèi)穩(wěn)定的能源供應(yīng)是德國能源轉(zhuǎn)型的核心挑戰(zhàn)。在能源轉(zhuǎn)型的背景下，一個新的德語詞語應(yīng)運(yùn)而生：Dunkelflaute，一種黑暗、平靜期，正是描述這種無風(fēng)或者無陽光的天氣情況。

大規(guī)模儲能的問題仍然存在爭議。經(jīng)濟(jì)學(xué)家Hans-Werner Sinn認(rèn)為：由于儲能需求巨大，無法全面過渡到間歇性可再生能源。但德國經(jīng)濟(jì)研究所(DIW)的經(jīng)濟(jì)學(xué)家反駁說，Sinn的假設(shè)是不現(xiàn)實(shí)的 - 例如，他們認(rèn)為不是每一瓦的可再生能源都必須投入使用。 也仍有許多能源專家認(rèn)為，幾十年內(nèi)都不需要大規(guī)模儲能技術(shù)，因?yàn)檫€有其他更便宜的靈活性選擇，例如需求響應(yīng)和電力交易。

但對于大規(guī)模儲能技術(shù)的現(xiàn)階段發(fā)展來說，德國德國工程師協(xié)會(VDI)表示，已有能夠較好解決這一問題的技術(shù)。“已經(jīng)存在完成能量轉(zhuǎn)換所需的儲能技術(shù)。它們處于不同的發(fā)展階段，但從技術(shù)角度來看，儲能問題可以得到解決。”具體有以下兩種比較成熟的解決方法：

1. Power to Gas

：電可用于制造可無限期儲存的氫氣或其他氣體，然后在常規(guī)燃?xì)獍l(fā)電廠中燃燒氣體發(fā)電，或用于給家庭供熱。但該技術(shù)目前價(jià)格昂貴，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換過程中會損失大量能源。具體內(nèi)容請關(guān)注交能網(wǎng)稍后推出的Power to Gas專題文章。

2. 儲熱

：以熱量的形式大規(guī)模儲存能量。儲熱的方法有很多種，例如以大型地下含水層儲能的形式儲能-這實(shí)際上是一個巨大的保溫瓶。德國漢堡市已經(jīng)完成了一個大型地下含水層蓄熱系統(tǒng)的試驗(yàn)階段，該系統(tǒng)應(yīng)該取代一個燃煤電廠，可以為冬季的8000戶家庭提供熱能。將水加熱至80攝氏度并泵入地下以保持溫度，以便在城市的區(qū)域供暖中使用。

德國政策制定者對“Made in Germany”的儲能技術(shù)的態(tài)度

政策對于許多能源細(xì)分行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，技術(shù)的未來在很大程度上取決于政策，儲能行業(yè)也不例外。

歐洲經(jīng)濟(jì)研究中心調(diào)查的能源行業(yè)專家一致認(rèn)為，目前德國的政治框架對促進(jìn)儲能行業(yè)的發(fā)展幾乎沒有好處。盡管德國的可再生能源在全國范圍內(nèi)迅速推廣，但電池大力推進(jìn)的同時(shí)其實(shí)是沒有政策激勵的，政策仍需要迎頭趕上。首先，能源稅制就需要進(jìn)行根本性的改革，目前高電價(jià)是德國電氣化進(jìn)程的嚴(yán)重阻礙，許多儲能專家認(rèn)為：降低能源稅才能更好地利用Power to Gas等關(guān)鍵技術(shù)。“儲能行業(yè)被擠進(jìn)一個過時(shí)且狹窄的監(jiān)管框架，現(xiàn)狀是許多技術(shù)無法盈利 ，因?yàn)樗麄儽仨毝啻沃Ц抖惪睿?rdquo;儲能行業(yè)協(xié)會專家Gottke 解釋道。“這一切都是因?yàn)楸O(jiān)管框架落后于技術(shù)發(fā)展。”

在這樣的行業(yè)情況下，主要由中小型企業(yè)組成的德國儲能行業(yè)表示，他們現(xiàn)在已經(jīng)高度以出口為導(dǎo)向，并堅(jiān)信這有利于全球市場增長，例如應(yīng)對美國和澳大利亞大型電網(wǎng)電池、以及非洲小型電網(wǎng)和離網(wǎng)電池等需求。

當(dāng)然，德國政府也意識到需要進(jìn)行改革以促進(jìn)國內(nèi)儲能的發(fā)展，這也是德國儲能行業(yè)目前依然是世界市場的一塊基石的原因，但德國政府依然想盡量避免進(jìn)行復(fù)雜的稅制改革。“我們需要新的商業(yè)模式和價(jià)格，以提供電力儲存的動力，”德國國務(wù)秘書Bareiß說。他表示，政府將在未來幾年變得“非?；钴S”，以幫助儲能行業(yè)保持競爭力。

德國聯(lián)合政府已經(jīng)在其最新預(yù)算中大幅增加了電池研究的資金，Bareiß表示還會有更多的預(yù)算。“能源轉(zhuǎn)型也是一個技術(shù)項(xiàng)目。我們希望知道，在未來幾年，我們可以在德國使用哪些技術(shù)來促進(jìn)新的增長和繁榮。”

結(jié)語：德國的政策發(fā)展及先進(jìn)的技術(shù)使其目前保持著'可再生能源2.0技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者的地位，但德國是否能長期保持這種領(lǐng)導(dǎo)地位還是一個未知數(shù)，讓我們一起在這場變革中看個究竟。