清洁能源转型似乎正在顺利进行。凭借着取之不尽的太阳能和风能资源，到 2022 年底，全球可再生能源装机容量达到 3,372 吉瓦，其中可再生能源占比达到了创纪录的 83%。[1]然而，这些数字的背后隐藏着一个难以解决的长久难题：如何在清洁能源产生后进行容纳、分配和部署。
现代社会需要全天不间断供电，以支持家庭供暖、工厂运营和为技术设备充电。但就像在大气中旋转的气流一样，太阳光也并不按照人类的时间表运转。当没有阳光照耀，或是涡轮机的叶片在无风的天空下停止转动时，该怎么办？
最佳的答案（事实上也是唯一的答案）便是找到一种储存这些目前以电池形式存在的绿色能源的方法。
如果没有完备的电池技术，社会将永远无法彻底摆脱化石燃料，而是会继续依靠石油和煤炭发电机的“峰值电力”来填补供应中断或满足需求高峰。在绿色能源供应与参差不齐的多方面电力需求之间，电池正是补齐这一链条的“短缺环节”。它们是一座桥梁，可以帮助引导我们迈向净零排放的未来，并有可能避免气候变化带来的最坏影响。
此外，电池还有望给能源账单送来迟来之喜。仅在英国，到 2050 年，一个包含低碳电力、热力和运输系统的复杂电池储存网络就可以节省高达 400 亿英镑，这不仅对环保主义者来说是个好消息，也给经济拮据的家庭带来福音。[2]
锂引领更清洁的未来
用于储存大量绿色能源的电池技术通常以锂离子电池为基础。当下，锂离子电池通常被视为小型（手机）、中型（汽车）或超大型（电网）设备的默认储能介质。
不过，锂离子电池最有可能在电网规模上大幅减少能源行业的碳足迹，而该行业的二氧化碳排放量目前占全球总排放量的 40% 以上。[3]
锂离子电池经济且耐用，可数千次使用和充电，几乎可以制造成任何容量，并且是一种相对安全和低成本的解决方案，能够适用于几乎所有场景。锂离子电池绝对的主导地位——其采用率目前占到了市场上电网规模系统的 95%，使其优势不言而喻。[4]
锂离子电池的基础技术已经有半个世纪的历史，现代的新技术使用算法驱动型软件，来协调将能量储存和释放到电网中的最佳模式。
在技术层面上，它们通过在电极之间传输锂离子来充电和放电。锂化金属氧化物通常作为阴极用于储存，碳作为阳极用于提取。
不同型号的锂离子电池采用的精确设计和含有的化学成分也不尽相同，但人们普遍认为，锂离子电池比任何其他储能设备具有更高的能量密度和成本效益。锂离子电池的容量范围从几千瓦（几分钟存储）到适用于公用变电站的多兆瓦变体不等。
不过，锂离子并不完美。放电率甚至是气候条件，都会对效率水平产生影响。当然，电池退化最终无可避免，并且锂离子的大量成分使这种电池相较于锌混合电池而言需要更为严格的电池管理系统。
然而，人们对这项技术的信心依然很高，投资潜力也相当可观。随着这一势头的增长，据估计，在十年内，将需要大约 120 至 150 家新电池工厂来满足行业对绿色储能解决方案的需求。[5]去年的一项研究表明，从现在到 2030 年，锂离子电池链（涵盖从矿物开采到回收的整个过程）将膨胀 30%，达到 4.7 太瓦时的市场规模和 4 亿多美元的财务价值。
尽管锂离子电池仍然是迅猛发展的行业领头羊，但替代电池的研究正在进行中，这将进一步推动能源储存领域的发展。
且看一系列颠覆性技术
对替代电池技术（这些概念可以达到甚至超过锂离子的效率）的研究已经得出了一些喜人的结果。
- 钠离子电池：如果锂的供应减少或市场需求变得多元化，钠离子电池会是一个强有力的选择。钠离子电池的能量密度比锂电池低（120-160 瓦时/千克相比于 170-190 瓦时/千克），寿命周期更短（2,000-4,000 次充电相比于 4,000-8,000 次充电），但生产成本降低了五分之一。[6]由于不易发生“热失控”（可燃电解质无法控制的升温），人们认为钠离子电池可能更安全。仅 2023 年，就至少有六家新制造商开始生产钠离子电池。
- 液流电池：这些能量巨大的可充电燃料电池通过溶解在液体中且被膜分开的一对化学成分产生能量。运行时，电解质通过电极从储罐中泵出以提取电子，然后重新充电并返回储罐。早期的液流电池需要钒，这是一种稀有而昂贵的金属，但后来的一些迭代将钒换成了更可持续的有机化合物，这种化合物也能捕获和释放电子。有朝一日，这类电池可以为成千上万的家庭供电数小时。尽管液流电池的能量密度和放电率低于许多固体电活性材料，但它们正在迅速证明其在公用事业大规模采用上的可行性。去年，中国港口城市大连开始运行一个 100 兆瓦/400 兆瓦时的液流电池，以使居民能够广泛利用风能和太阳能。
- 压缩空气储能：在这个系统中，多余的能量用于压缩空气并将其储存在一个大型加压容器中，然后通过旋转涡轮机逐渐释放空气以产生电力。为了最大限度地降低成本，压缩空气有时可以储存在现有设施中，例如废弃的盐矿。虽然这不算是新技术，但目前正在研究将压缩过程中产生的热量储存起来的方法，以便在放电时作为膨胀催化剂重复使用。在英国，一个由大学主导的项目正在研究使用深海“能源袋”作为储存容器。通过这种方法，单位储能成本可降低至 1-10 英镑/千瓦时，比抽水蓄能（50 英镑/千瓦时）或电化学储能（500 英镑/千瓦时）便宜得多。[7]
- 机械重力电池：这类系统使用加重块，由绞车将其吊至塔顶，随后即可在能源短缺期间，通过自然重力下降发电。这是有道理的，毕竟，上升必随之而来下降。重力电池的质量加上它的逐渐下降产生了巨大的扭矩，可瞬间产生最大电力。这种机械重力电池还可以帮助维持电网平衡，消除可能导致停电和基础设施损坏的波动。总部位于瑞士的 Energy Vault 今年将对两个重力电池项目进行最后的完善收尾，它们都旨在展示该技术的多功能性。其中一个项目在中国上海附近，储能容量为 100 兆瓦时，可为 3,400 户家庭供电。另一个系统位于美国得克萨斯州，拥有 460 英尺（约 140 米）高的结构，总能量容量为 36 兆瓦时。[8]
- 沙子电池：沙子电池设备目前处于开发阶段，它们使用沙子（或类似的替代品）作为高温储热介质，通常用于风能或太阳能发电。一旦投入使用，这些能源可直接用于为建筑物供暖，或为通常依赖化石燃料的工业过程提供蒸汽。尽管这项技术尚待大规模采用，但早期在芬兰已有工程实例。坎康佩镇的沙子电池由公用事业公司 Vatajankoski 运营，为一系列商业和民用建筑供暖。这套电池装置包括一个装满沙子和传热管的绝缘钢筒仓，温度可达 600 摄氏度左右，装满时可容纳高达 8 兆瓦时的热能。由于其耐高温性，沙子可以容纳相当于水箱数倍的能量，但目前将热量转化为电能的效率仅为 30%。沙子电池可能是一种持久的解决方案，零化学反应意味着它们不会像普通电池那样老化磨损。芬兰项目的幕后团队对这项技术寄予厚望，他们认为未来沙子电池可以在世界上任何一个有区域供暖系统的地方使用。[9]
为了最大限度地发挥电池储能技术的潜力，利益相关者必须将资金投入到正确的研究领域，并确保大规模工业化。为了使环境和利润都受益，行业必须关注整个价值链的可持续性、透明度和弹性。
解决电池采用问题
在通往电池供电的未来道路上，我们预计会遇到一些挑战，尽管它们令人烦恼，但并非不可克服。
开采和提炼稀土矿物会消耗自然资源、使土地退化、产生废物、污染土壤和水，并导致生物多样性丧失。我们的许多关键电池组件都来自新兴市场，但在这些市场中，可能会出现原住民权利和强迫劳动等问题。
根据目前的采矿交易，到 2030 年，碳酸锂需求预计将超过 3,000 千吨，远远超过 2021 年约 600 千吨的产量和 2030 年约 1,500 千吨的预测。[10]
加强监管、提高透明度和更有远见的规划，可以帮助公共和私营部门的利益相关者避开潜在的 ESG（环境、社会和治理）陷阱。
从历史上看，电池价值链也受到价格波动的牵制。在全球生活成本危机中，高昂的电池成本可能会不可避免地推迟脱碳进展。在这一背景下，目前尚不清楚行业如何才能充分扩大规模以满足未来的需求。
此外，还需要考虑不断变化的国家政策。同时需要更大的凝聚力来抵御供应链中断、熟练劳动力短缺以及国际知识产权保护不统一等挑战。
及时实施缓解战略可能会有所帮助。长期合同和垂直供应链整合有助于提供确定性并增强投资者信心。为了赢得最重要的民心，必须将破坏性的稀土开采与更广泛的社会运动和增长议程联系在一起。
随着电池在从生产到处置的整个过程中不断展示出其环境价值，电池行业并不打算就此止步。但何谓成功？ 专家认为，到 2030 年，一个健康、可持续的电池生态系统将具有三个不可或缺的特征：[11]
- 弹性供应网络：在理想情况下，各地区将在很大程度上自行采购原材料，以满足国内需求。
- 可持续性：为了使社会脱碳，储能行业必须积极实现自身脱碳，确保在下个十年末材料和制造业排放量下降 90%。
- 循环价值链：接近其寿命终点的材料必须经过严格的再加工并重新投入到系统中。这种文化将最大限度地减少浪费，同时获得最大的经济价值；并且预计到 2040 年，它将带来 60 亿美元的额外利润。
协调储能生态系统将需要立法者的大力支持，加之私营企业的大胆设想。像安利捷公司这样的颠覆者和创新者可以帮助开创更光明的未来。
私营企业为人们提供电力
作为安利捷公司的旗舰可再生能源业务，Fotowatio Renewable Ventures (FRV) 不仅关注风能和太阳能的绿色发电，还专注于开创性的储能项目。
2022 年，该公司为其最新的电池储能系统 (BESS) 赢得了资金，这是一个位于澳大利亚维多利亚州 Gnarwarre 的 250 兆瓦锂离子工厂。在这笔交易之前，该公司刚刚达成了同样位于维多利亚州的 100 兆瓦 Terang BESS 建造协议。
FRV 的创新部门 FRV-X 正在全球范围内推广公用事业规模的 BESS 计划，以确保为家庭和工业全天候供电。
FRV 已经参与了英国的多个 BESS 项目，它们分别位于埃塞克斯郡 Clay Tye（99 兆瓦/198 兆瓦时）、多塞特郡 Holes Bay（7.5 兆瓦/15 兆瓦时），以及西萨塞克斯郡 Contego（34 兆瓦/68 兆瓦时）。
该公司还在澳大利亚昆士兰州达尔比经营着一家太阳能和 BESS 混合工厂。
2022 年，FRV 在英国收购了另外两个 BESS 项目，并在希腊收购了一个 BESS 项目的多数股权。FRV-X 在多个主要市场拥有超过 500 兆瓦的电池储能项目。
安利捷副总裁兼副主席
“我们很自豪能够成为可持续储能创新的领导者，帮助我们所有人实现更可行的未来，”安利捷副总裁兼副主席 Fady Jameel 评论道，
“从技术角度来看，我们正在掌握清洁、经济地生产绿色能源的技术。在我们通往真正可持续发展社会的道路上，高效的电力储存系统是缺失的一环。目前电池技术的发展速度让业界非常兴奋，我们很自豪能成为这一共同努力的一部分。”
这些数据激发了极大的信心。到 2030 年，全球电池市场可以通过创造新职位和维持现有职位，保障多达 1,800 万个就业岗位。[12]仅在公路运输领域，到 2050 年，即将到来的电池革命就可以减少多达 700 亿吨二氧化碳当量 (GtCO2e) 的温室气体排放。
并非某一独特的气候或文化才需要推动可靠、通用的绿色能源的发展。相反，世界各地都在积极地为其提供资金支持。在美国，由于 2022 年《通胀削减法案》，利益相关者都在争夺 3,700 亿美元清洁能源投资的份额。在大西洋彼岸的欧洲，由俄乌局势引发的能源危机正在显现，促使人们重新对供应和储存进行创新优先评估。欧盟《绿色协议》计划在未来十年动员至少 1 万亿欧元的环境投资，以用于清洁能源和可持续发展。[13]
因此，从现在到 2030 年，BESS 行业预计将以平均每年 29% 的速度增长也就不足为奇了。
到那时，每年 450 至 620 吉瓦时的公用事业规模装置将占据 90% 的市场份额。[14]野心太大？ 并非如此。拥有一个有意义的公用事业规模的电池储存设施网络意味着，在势在必行的绿色转型之路上，我们能够一劳永逸地扫除各种障碍。
[1] https://www.irena.org/News/pressreleases/2023/Mar/Record-9-point-6-Percentage-Growth-in-Renewables-Achieved-Despite-Energy-Crisis
[2] https://www.nationalgrid.com/stories/energy-explained/what-is-battery-storage
[3] https://documents.worldbank.org/en/publication/documents-reports/documentdetail/873091468155720710/Understanding-CO2-emissions-from-the-global-energy-sector
[4] https://www.windpowerengineering.com/how-three-battery-types-work-in-grid-scale-energy-storage-systems/
[5] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/battery-2030-resilient-sustainable-and-circular
[6] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/enabling-renewable-energy-with-battery-energy-storage-systems
[7] https://www.thegreenage.co.uk/tech/compressed-air-energy-storage/
[8] https://interestingengineering.com/innovation/two-massive-gravity-batteries-are-nearing-completion-in-the-us-and-china
[9] https://www.bbc.com/future/article/20221102-how-a-sand-battery-could-transform-clean-energy
[10] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/battery-2030-resilient-sustainable-and-circular
[11] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/battery-2030-resilient-sustainable-and-circular
[12] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/battery-2030-resilient-sustainable-and-circular
[13] https://eucalls.net/blog/the-basics-of-the-european-green-deal
[14] https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/enabling-renewable-energy-with-battery-energy-storage-systems
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