美國(guó) ARPA-E 能源儲(chǔ)存基金研究計(jì)畫 看全釩液流電池後續(xù)應(yīng)注意的研究方向

ARPA-E能源儲(chǔ)存基金研究計(jì)畫本篇綜覽美國(guó)ARPA-E歷年來(lái)在儲(chǔ)能研發(fā)方向所規(guī)範(fàn)的技術(shù)目標(biāo)進(jìn)程，對(duì)照ARPA-E最近所提DAYS方案的技術(shù)目標(biāo)規(guī)範(fàn)，認(rèn)為我國(guó)發(fā)展環(huán)境友善但不穩(wěn)但應(yīng)注意降低成本與減少待機(jī)耗能兩大方向，才是符合DAYS技術(shù)規(guī)範(fàn)所展現(xiàn)電網(wǎng)儲(chǔ)能的未來(lái)研發(fā)趨勢(shì)。關(guān)於降低成本方面，建議研發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的「釩電解循環(huán)泵的能耗(或進(jìn)而開(kāi)發(fā)待機(jī)時(shí)，免用循環(huán)泵的系統(tǒng)模式)。是建議未來(lái)可投自2009年美國(guó)首次撥款A(yù)RPA-E基金以來(lái)，已陸續(xù)撥款20億餘美金，贊助其國(guó)ARPA-E贊助在儲(chǔ)能範(fàn)疇裡的技術(shù)系分別由BEESTGRIDSHEATS(DurationAdditiontoelectricitYStorage技術(shù)類別；DAYS獎(jiǎng)助方案的公告規(guī)範(fàn)10DAYS為當(dāng)今最具展望的液流電池技DAYS或減少解液與隔離膜的接觸，阻斷或減少Pup的能耗。ARPA-EARPA-E(AdvancedResearchProjectsAgency–Energy)是美國(guó)政府瞻前國(guó)家未來(lái)能究發(fā)展。由於該等技術(shù)的後續(xù)發(fā)展與財(cái)務(wù)負(fù)荷方面的不確定性，企業(yè)本身若非有政府資助，多不太有意願(yuàn)率先燒錢投入該等前瞻技術(shù)的創(chuàng)新與研發(fā)。“從匯集圈中崛起：為美國(guó)帶來(lái)更美好的經(jīng)濟(jì)未來(lái)(RisingAbovetheStorm:EnergizingandEmployingAmericaforaBrighterEconomicFuture)”的報(bào)告構(gòu)思出來(lái)。2007年正式依照國(guó)會(huì)授權(quán)的AmericaCOMPETESAct,在美國(guó)能源2009年美國(guó)總統(tǒng)歐巴馬簽署撥款A(yù)RPA-E基金，成立以後，首輪匯集了620091.5337個(gè)計(jì)畫，主要範(fàn)疇可歸類為有(1)再生能源技術(shù)系列(Renewableenergytechnologies包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)?、生質(zhì)能等等技術(shù)的開(kāi)發(fā)，(2)能源效率技術(shù)系列(energyefficiencytechnologies)包括電動(dòng)車、廢熱回收、電致變色玻璃、燃料電池薄膜、智慧建築，以及(3)儲(chǔ)能技術(shù)系列(energystoragetechnologies)包括超級(jí)電容(ultracapacitor),lithium-ionbatteries)、金屬空氣電池(metal-airbatteries)、熔鹽鈉電池liquidsodiumbatteries)、液態(tài)金屬金屬電池(liquidmetalbatteries)；個(gè)案的獎(jiǎng)勵(lì)金額從50萬(wàn)美元到900萬(wàn)美元不等。第二輪以後，ARPA-E開(kāi)始提出各領(lǐng)域的需求規(guī)範(fàn)，徵集與所開(kāi)規(guī)範(fàn)相關(guān)的技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，共設(shè)立了三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的贊助方案(program)：分別為電力生物燃（或稱電子燃料，Electrofuels），電能儲(chǔ)存電池運(yùn)輸（BEEST），以及先進(jìn)碳捕集技術(shù)的創(chuàng)新材料和工藝（IMPACCT）。爾後各年陸續(xù)撥款，迄今已撥20力領(lǐng)域又可細(xì)分為(1)集中發(fā)電範(fàn)疇、(2)分散式電力範(fàn)疇、(3)電網(wǎng)範(fàn)疇與(4)儲(chǔ)能範(fàn)疇；其中，在儲(chǔ)能範(fàn)疇裡贊助的技術(shù)系列(含電力與運(yùn)輸領(lǐng)域內(nèi)的儲(chǔ)能)，按照歷年2009年技術(shù)尚未分類、2010年BEEST、2010GRIDS、2011年2014年REBELS等技術(shù)分衍伸至最近2018年獎(jiǎng)助的DAYS(DurationAdditiontoelectricitYStorage)技術(shù)，其中需求重點(diǎn)與規(guī)範(fàn)的演化，正顯示美國(guó)展望後續(xù)BREAKERS、CIRCUITS、DELTA、ENLITENED、FOCUS、GENI…，仍有很多，因未歸類為儲(chǔ)能範(fàn)疇的技術(shù)系列，非屬本篇所的探討儲(chǔ)能領(lǐng)域，將予SC查知。APAR-E先前贊助各儲(chǔ)能方案（program）之目標(biāo)2010BEESTGRIDS方動(dòng)力汽車(EV/PHEV)適用的可充電電池技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)替換汽油車的目標(biāo)(包括價(jià)GRIDS全名為Grid-ScaleRampableIntermittentDispatchableStorage，可譯為電併網(wǎng)技術(shù)”，該技術(shù)系列，概言之，就是開(kāi)發(fā)各種可存儲(chǔ)可再生能源的儲(chǔ)能技術(shù)，該技術(shù)可以消弭再生能源不穩(wěn)定供電的特性，且儲(chǔ)能不受地理環(huán)境因生能源電力得以併網(wǎng)應(yīng)用。2011年HEATSHEATS全名為HighEnergyAdvancedThermalStorage，旨在開(kāi)發(fā)革命性的，且高峰需求，2）3）利用2012年AMPED方AMPED全名為:AdvancedManagementandProtectionofEnergyStorageDevices，譯為『先進(jìn)的能源管理與保護(hù)技術(shù)』，旨在開(kāi)發(fā)先進(jìn)的感測(cè)，控制和電源管理未解決的難題。2013年RANGE方RANGE全名為:RobustAffordableNextGenerationEnergyStorageSystems，可為『』RANGE專注於四個(gè)特定領(lǐng)域：1）使用水構(gòu)建的水性電池，以提高安全性並降低成本2）非水電池，其中包含本質(zhì)上的保護(hù)機(jī)制，確保在發(fā)生碰撞或火災(zāi)時(shí)3使用固態(tài)電池-在其結(jié)構(gòu)中不使用液體或漿料的2014年IDEAS、CHARGES與REBELS方IDEAS全名為:InnovativeDevelopmentinEnergy-RelatedAppliedScience可翻譯『能源相關(guān)應(yīng)用科學(xué)創(chuàng)新發(fā)展』，主要提供為初期應(yīng)用發(fā)展研究的基金，以探索具有潛在能源技術(shù)轉(zhuǎn)型和爆炸性變革潛力的開(kāi)拓型計(jì)畫。IDEAS獎(jiǎng)助期程限制最長(zhǎng)為期一年，資金為500,000美元，旨在靈活處理，可採(cǎi)取分析或探索性也就是說(shuō)，僅憑創(chuàng)新概念是不夠的。IDEAS項(xiàng)目還必須代表能源技術(shù)的一種全新的範(fàn)式，並有可能對(duì)ARPA-E的任務(wù)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響CHARGES全名為CyclingHardwaretoAnalyzeandReadyGrid-ScaleStorage，基於對(duì)現(xiàn)今正迅速發(fā)展的電網(wǎng)儲(chǔ)能電池技術(shù)方法，在商業(yè)化廣泛採(cǎi)之前，仍然需驗(yàn)證其性能，經(jīng)濟(jì)效益和長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。CHARGES計(jì)劃著眼於兩個(gè)要點(diǎn)：１）ARPA-E境』條件下，也能上線為產(chǎn)業(yè)化實(shí)際應(yīng)用。CHARGES計(jì)劃的目標(biāo)是加速在當(dāng)前和過(guò)去ARPA-E資助的研究工作中開(kāi)發(fā)的電化學(xué)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的商業(yè)化。該計(jì)劃旨在幫助ARPA-E資助的電池開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)改進(jìn)其存儲(chǔ)技術(shù)，以便在現(xiàn)實(shí)和未REBELS全名為:ReliableElectricityBasedonELectrochemical轉(zhuǎn)換燃料電池設(shè)備，試圖創(chuàng)建新途徑，以便為最終用戶提供低於$1,500/kW美Days-2018年APAR-E贊助的儲(chǔ)能方案（program）與用2014年前的方案（program）規(guī)範(fàn)，直至2018才又針對(duì)儲(chǔ)能領(lǐng)域，提出最新的DAYS方案規(guī)範(fàn)。DAYS英文全名正式展開(kāi)為DurationAdditionto需要，因應(yīng)供需不匹配或不穩(wěn)定時(shí)的彈性恢復(fù)能力（resilience）。由於現(xiàn)今大緩解輸電壅塞（alleviatetransmissioncongestion）、調(diào)壓調(diào)頻的電力平滑操作（stabilizevoltageandfrequencylevels）,或者提供不長(zhǎng)時(shí)間的削峰填谷電力調(diào)配（provideintra-dayshiftsofenergy）。DAYS這延長(zhǎng)電力儲(chǔ)能乘載時(shí)程方來(lái)應(yīng)付跨越隔日性的削峰填谷狀況。DAYS方案，增長(zhǎng)儲(chǔ)放電時(shí)間與容量的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)更持久的備用電源，可以更好地整合可再生能源。DAYS方案並規(guī)範(fàn)所開(kāi)發(fā)的電力儲(chǔ)能系統(tǒng)deployableinalmostanylocation），並按所設(shè)定的成本目標(biāo)下，完成所需要的充電和放電單位成本需求。DAYS方案，在儲(chǔ)放電需用上共分轉(zhuǎn)（providedailycyclinginadditiontolongerduration,lessfrequentcycling）供電不足或電力溢出時(shí)，得以及時(shí)備援釋出電力或接收溢出電力進(jìn)行儲(chǔ)電（notprovidedailycycling,butcantakeoverwhendailycyclingresourcesareeitherfilledordepleted）。DAYS方案，將折衷在可行的低成本條件下，探索新performancemetricsfortheDAYSprogram.)，目標(biāo)為提供電網(wǎng)至少10至100小時(shí)的儲(chǔ)用電力(ID1)，儲(chǔ)電的均價(jià)成本(LCOS)設(shè)定為每度電5美分(5centskWh-cycle)ID2)2.5美分(2.5cents/kWh)，因此預(yù)ID4)，僅能以電力形式的儲(chǔ)放電功能(ID5)100kW為比較基準(zhǔn)，最終須電時(shí)間(durationatratedpower)1)每日型2)非每日型充放電儲(chǔ)能分類(如ID7)。表一.DAYS方案的原版技術(shù)功能規(guī)範(fàn)，截自APAR-E官方公MetricDescriptionand1Duration10toThesedurationsofinterestarerated100betweendailycyclingandseasonal2Levelizedcostofstorage5cents/kWh-Targetper-cyclestoragecostaccountingforcapital,operating(includingsysteminefficiency),maintenance,andallothercosts.Adiscountrateof10%andasystemlifetimeof20yearsareassumed.Seeequation[1]andtheassociateddiscussionbelowformoreinformationon3purchaseprice2.5Anelectricitypurchasepriceallowsapplicantstobalanceoperatingcostswithothercosts(includingcapitalexpenses),withafixed2.5cents/kWhisanexpectedunsubsidizedcostofelectricityforfutureutility-scalewindandsolarinstallationsavailablethroughpowerpurchaseagreementsorsimilarcontracts,andisalsoafavorablewholesaleelectricitypricein4NogeographicThetechnologiesinthisprogramneedtobesuitableforsitingthroughouttheentireUnitedStates.Technologiesmaymakeuseofbelowgroundstorage(e.g.,asub-surfacetank),maynotrelyonsite-specificgeologic5EnergyformforchargeandOnlyelectricityin/onlyelectricityThisprogramwillonlyconsiderstoragesystemsthatarechargedsolelybyelectricityandproduceelectricityondischarge.Inotherwords,theprogramisnotinterestedinsystemssuchasconcentratingsolarpowerthathavephotonsasan6Minimumfinal,system100kWbasedonpeakelectricalTheminimumsizeischosentoreflecttheprogramfocusonsystemsforcommercialandutility7DutyApplicantsmustusethedutycyclesshowninFigure2B,whichresultinthecurvesshowninFigureThedutycycleisrequiredtoestablishsystemcosttargetsasafunctionofduration.ARPA-Ehasproposedtwodutycyclesthatdefinethetwoprogramcategories.圖一.DAYS方案的價(jià)格目標(biāo)圖，截圖自APAR-E官方公圖二:DAYS方案對(duì)於年度充放電次數(shù)(annualcycles)(durationatratedpower)的規(guī)範(fàn)需求，截圖自APAR-E官方公圖三:DAYS方案對(duì)於價(jià)格成本與額定功率下放電時(shí)間(durationatratedpower)的規(guī)範(fàn)需求，截圖自APAR-E官方公告圖三，同時(shí)也標(biāo)示著未來(lái)鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)(FutureLi-ion)、抽蓄水力儲(chǔ)能技術(shù)(Pumped-storagehydroelectricity，PSH)與現(xiàn)今其他商用儲(chǔ)能技術(shù)(currentcommercialinstallations)的價(jià)格成本，其中抽蓄水力技術(shù)在價(jià)格成本上已符合DAYS的規(guī)範(fàn)需求，但受地理?xiàng)l件的限制，因此DAYS方案可視為在尋求一種Antora-固態(tài)熱電池(SolidStateThermalBraytonEnergy-改良式勞林-布雷頓循環(huán)儲(chǔ)能(ImprovedLaughlin-BraytonCycleEnergyStorage)EchogenPowerSystems-使用基於CO2的泵送式熱能存儲(chǔ)（PTES）系統(tǒng)的低成本，長(zhǎng)時(shí)間電能存儲(chǔ)(LOW-COST,LONGDURATIONELECTRICALENERGYSTORAGEUSINGACO2-BASEDPUMPEDTHERMALENERGYSTORAGEPTESSYSTEM)FormEnergy-用於長(zhǎng)期電網(wǎng)存儲(chǔ)的含硫系統(tǒng)(AQUEOUSSULFURSYSTEMSFORLONG-DURATIONGRIDSTORAGE)密歇根州立大學(xué)(MichiganStateUniversity)-可再生能源儲(chǔ)存的可擴(kuò)展熱學(xué)選項(xiàng)(ScalableThermochemicalOptionforRenewableEnergyStorageNREL-利用低成本熱能儲(chǔ)存和高效電力循環(huán)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期電力儲(chǔ)存(EconomicLong-durationElectricityStoragebyUsingLow-costThermalEnergyStorageandHigh-efficiencyPowerCycle)PrimusPower-最小的架空存儲(chǔ)技術(shù)，適用於電力存儲(chǔ)的持續(xù)時(shí)間OverheadStorageTechnologyforDurationAdditiontoElectricityQuidnetEnergy地質(zhì)機(jī)械抽水蓄能(GeomechanicalPumped田納西大學(xué)(UniversityofTennessee用於長(zhǎng)期儲(chǔ)存的可逆燃料電池(-ReversibleFuelCellsforLongDurationStorage)UTRC-具有廉價(jià)無(wú)機(jī)反應(yīng)物的高性能液流電池（High-performanceBatterywithInexpensiveInorganic圖四:APAR-E官網(wǎng)公告(copyfromttps:///?q=arpa-e-這十項(xiàng)獲獎(jiǎng)助計(jì)畫中，包含了三項(xiàng)不同的液流電池研發(fā)計(jì)畫，進(jìn)一步說(shuō)明如下:PrimusPower，總部位於加利福尼亞州海沃德的PrimusPower獲得了350萬(wàn)美元的資助，計(jì)畫目標(biāo)在於降低其鋅溴液流電池的複雜性和系統(tǒng)平衡成本?！咐娩\和溴在電池中的表現(xiàn)方式，電池將取消隔離膜(separator，並確保兩極的反應(yīng)物在充電時(shí)為分別隔開(kāi)，以及允許所有電解質(zhì)儲(chǔ)存在單個(gè)罐中，而不是在多個(gè)電池罐中?！筓TRC，聯(lián)合技術(shù)研究中心(UnitedTechnologiesResearchCente)獲300萬(wàn)美元的資，用於開(kāi)發(fā)基於新型液流電池化學(xué)的儲(chǔ)能係統(tǒng)，使用廉價(jià)且易於獲得的硫錳基活性材料，它的目標(biāo)是“克服系統(tǒng)控制的挑戰(zhàn)，使兩極的反應(yīng)活性材料通過(guò)流動(dòng)膜減少不要的交叉穿越(unwantedcrossover)”，而致造成電池劣化情形。FormEnergy是一家正在探索各種電化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)的初創(chuàng)公司，著名成員包括特斯拉公司的MateoJaramillo，MIT教授Yet-MingChiang，AquionEnergy公司的Wiley，集資約五千萬(wàn)美金($9millionSeriesA+$40millionSeriesB),投資者不乏產(chǎn)業(yè)大咖(包括義大利石油公司Eni，CapricornInvestmentGroup，BreakthroughEnergyVentures,PreludeVentures,MacquarieCapital,SaudiAramco,與MassachusettsInstituteofTechnology).，由AUGUST26,2019ENERGYSTORAGE報(bào)導(dǎo)，其儲(chǔ)能系統(tǒng)可能是一種水相硫化物的液流電池，摘文如下「FormEnergytackledthatprobleminthelabwithanAqueousSulfurFlowBatterychemistryandanund