摘要：向可再生能源過渡需要新的儲能方式，確保為向可再生能源的完全轉型提供支持。

為了提供穩定的電力，太陽能發電和風能發電要求天氣持續晴好或有風。因此，在沒有陽光或沒有風的時候，穩定的能量流就會中斷。而另一方面，在晴朗有風的天氣里，太陽能電場和風電場可能會產生超出需要的電力。

儲能系統可以吸收風能和太陽能產生的多余能量，儲存起來供發電量少的時候使用。

對比風能和太陽能這些可再生能源，化石燃料有一個巨大的優勢：不受天氣情況限制。但是由于儲能技術的進步，這個優勢在減弱。儲能系統可以吸收風能和太陽能產生的多余能量，儲存起來供發電量少的時候使用。

在向風能和太陽能等可再生能源和可變能源轉型的歷程中，工程師們很長時間以來一直都在研究儲能技術。數十年來，水電站一直是全球主要的儲能方式。在美國，水電站承擔了 95% 的大型地面電站電力儲能容量。但是水電站設施要經過漫長的報批流程，然后花幾年才能建好，并且有特定的選址要求。

儲能系統會收集水能、風能和太陽能等可再生資源產生的能量，為汽車、家庭和工業生產供電。

鋰離子電池是另一種主要儲能解決方案。它們可以用在水電站這種電網級別，也可以用來滿足小一些的能源需求，例如公司、家庭和電動汽車這樣的級別。

想要將電網轉型為 100% 的可再生能源，光靠鋰離子電池和水電站是不夠的。能量還可以通過其他方式儲存，比如儲存在生態友好的電池中，儲存為飛輪的動能，或儲存為熔鹽中的熱能。

供電韌性

EVLO Energy Storage Inc. 正在魁北克省北部的因努伊特人社區 Quaqtaq 測試其儲能系統，確定其是否能夠將可再生能源輸送到電網并服務遠郊地區。在過去的三年，EVLO 儲能系統已經幫助 Quaqtaq 社區集成太陽能。

“當配電網遇到計劃內或者計劃外的事件時，我們這里的微電網將獨立維持運行，從而提供持續電力。”

Adile Ajaja，EVLO 軟件團隊負責人

EVLO 500 儲能解決方案。（圖片所有權：EVLO）

魁北克水電公司一直致力于可再生能源事業，其子公司 EVLO 現已開發出一種更加有效的鋰離子電池儲能方式：磷酸鹽系鋰離子電池。與傳統鋰離子電池不同，磷酸鹽系鋰離子電池使用無毒材料制成。對比傳統鋰離子電池，這種電池的成分更加安全和穩定。因為電池使用無毒材料制成，也直接避免了廢棄處理帶來的環境威脅。這些材料還可以重復利用和回收，推動了鋰離子電池循環生態的發展。

過去 40 年來，魁北克水電公司一直在開發 EVLO 系統背后的技術。較小型的系統可以為商業大樓供電，更大型和更堅固的系統則可為電網和工業區供電。磷酸鹽系鋰離子電池是當今市場上最高效的電池之一。與其他類型的電池不同的是，磷酸鹽系鋰離子電池放電深度可達 100%，這意味著使用者可以使用電池中儲存的全部能量。

EVLO 軟件團隊負責人 Adile Ajaja 及其團隊使用 MATLAB® 和 Simulink® 進行 EVLO 系統的開發和建模。他們之后將從該 Simulink 模型生成的代碼用在硬件上來實現系統控制。

自第一個項目以來，EVLO 已將其解決方案帶到其他社區。公司最近在 Lac-Mégantic 鎮安裝了一個儲能系統來服務這塊區域的微電網。魁北克省的第一個微電網是一次災后恢復工作的組成部分——幾年前，一列脫軌的火車使這塊區域遭到大面積破壞。

作為災后恢復項目的一部分，EVLO 參與其中負責改進電網的韌性。這些系統可以儲存來自 1,700 個太陽能板的能量，并用于服務市中心的 40 幢大樓、電動汽車充電站和自動化控制系統，從而實現更加高效的能量管理。當主電網停電時，微電網和儲能系統還可以作為電力來源。“當配電網遇到計劃內或者計劃外的事件時，我們這里的微電網將獨立維持運行，從而提供持續電力。”Ajaja 說。

消除摩擦

芬蘭初創公司 Teraloop 在一項傳統儲能技術之上另辟蹊徑。該技術是一個飛輪，可以將能量儲存在一個快速旋轉的轉子里。但是與大部分飛輪不同的是，Teraloop 的辦法是將中心留空。“想象一下沒有輪輞的輪胎，”Teraloop 首席技術顧問 James Hagerman 說，“大部分飛輪是實心的，有一個輪轂。”通過對傳統飛輪做進一步的改進，Teraloop 增強了磁力使得飛輪轉子懸浮，實現了幾乎無摩擦的旋轉。

“如果您需要在短時內獲得大功率，比如地鐵加速......飛輪可以完勝電池。”

 James Hagerman，Teraloop 首席技術系統顧問

Teraloop 通過去掉輪轂并采用磁懸浮，消除了限制標準飛輪的大部分應力。他們的產品轉動速度比標準飛輪快，可以儲存更多能量。

該公司計劃將其飛輪與電池儲能配合使用在電動汽車 (EV) 充電站，用于地鐵和有軌電車系統的再生制動以及穩定微電網電壓波動。

在電動汽車充電站，飛輪可以加快充電速度并延長電池壽命。電池可以儲存來自電網的能量，用來給電動汽車充電，但是他們不是最理想的解決方案。“目前的電池都是鋰離子電池，其設計初衷不是完成每天的大量充電循環。它們的壽命會顯著減少，”Hagerman 表示，“因此，您可以采用所謂的混合儲能，也就是飛輪加電池。”

混合儲能模式對于電池也有好處。他說：“它可以保護電池，并且可以使充電站盡可能少地連接電網。”這意味著這種混合模式充電站不需要進行電網升級，至少目前不需要，因為現在路面行駛的汽車中，電動汽車只占少數。

飛輪也可以作為獨立的系統，為公共交通系統提供電力。再生制動技術會在制動時使電機反轉，從而為電動汽車充電，現在已用于地鐵和有軌電車，但是儲存容量有限。“如果您需要在短時內獲得大功率，比如地鐵加速......飛輪可以完勝電池。”Hagerman 說道。

Teraloop 飛輪。（圖片所有權：Teraloop）

不在路上時，飛輪可以穩定由間歇性可再生資源供電的微電網。“電壓會波動，頻率會波動，因此都需要讓電網來支持，”Hagerman 表示，“此時電力供應商會將電池作為長期的解決方案。”他解釋，但是飛輪可以作為電池的補充，在短時內快速提供爆發的能量。

Hagerman 使用 MATLAB 和 Simulink 對飛輪與現有電網系統的集成進行建模。他借助 Simulink 向潛在客戶展示飛輪如何運作以及它如何與電池和電網系統配合使用。

“我們不是與電池競爭，只是有時候單獨飛輪就是一個更好的選項，特別是空間有限時。”Hagerman 說。但他同時也介紹了飛輪可以如何改進電池驅動的系統。“它們互為補充。”

熱與冷

Alphabet Inc. 子公司 X 給自己的定位是一群發明家和企業家，他們研發出的技術解決了世界上最棘手的一些難題。秉持著這種精神，他們扶持了一個名為 Malta 的初創儲能項目，該項目的目標是將能量儲存在鹽和冷液中。Malta 項目團隊設計了熱泵儲能系統，打算最終將其連接到電網，從而穩定電力供應。

“我們不希望這一（儲能）系統只用在美國或其他發達國家。我們希望能夠將它建在世界任何地方。”

 Pravallika Vinnakota，Malta 建模與仿真主工程師

Malta Inc 位于馬薩諸塞州劍橋市，2018 成為獨立公司，并為一家電廠改進其設計。“這將提高電網可靠性和靈活性。”Malta Inc. 建模與仿真主工程師 Pravallika Vinnakota 表示。

連接到某個電力來源（電網、風能、太陽能或化石燃料）后，系統的熱泵將電能轉化成熱能，形成溫差。“它將電能作為熱能儲存在高溫熔鹽中，作為冷能儲存在低溫冷卻液中。”Vinnakota 說。熱的鹽和冷的冷卻液分別儲存在單獨的罐體中，儲存 10 小時可以提供相當于幾天的能量使用量。

然后，當需要用電時，熱引擎會將熱能轉化回電能供配送。根據用電需求，會通過算法來管理何時系統從電網收集能量以及何時配送該能量。這一循環可以自行重復成千上萬次：Malta 預計該系統可以使用超過 25 年，并且不會出現重大性能衰退。

該系統仍處在工程設計中，處于設計階段。目前，Malta 團隊在仿真環境下工作。Malta 團隊將其系統模型導入 Simulink，設計系統控制算法并確定該系統如何運行。“我們的目標是在未來幾年內建設一家電廠。由于目前我們沒有電廠，我們最大程度能做到的就是搭建仿真模型，并在其上運行一系列測試，”Vinnakota 說，“我們也在使用基于模型的設計，根據從仿真中收集的信息來確定電廠設計規范。”

Malta 系統作為一個熱泵運行，將電能作為熱能儲存在熔鹽中。（圖片所有權：Malta, Inc.）

一旦 Malta 準備好建立一個實際的電廠，他們不會局限于地理位置。Vinnakota 指出，“它不必靠近山峰一類的儲存勢能的能量系統”，例如抽水蓄能水電站。該系統還會使用現成的材料，比如鹽和鋼。“我們不希望該系統只用在美國或其他發達國家。我們希望能夠將它建在世界任何地方。”

通向可再生電網的橋梁

隨著可再生能源成本的下降和取代化石燃料的需求變得日益迫切，儲能將成為一種重要的手段。不過，不同的存儲需求適用的儲能手段也不盡相同，可能是電池，是飛輪，或者是熔鹽儲罐。許多公司都在探索上述每種技術，以加強電網韌性并推動向清潔能源的平穩過渡。

*文章出自MathWorks。