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通过更好的存储为能量转换提供动力王富华

时间:2022年06月25日

通过更好的存储为能量转换提供动力

作为麻省理工学院的博士后和麻省理工学院能源倡议的研究员,他与一个团队一起工作了几年,以研究哪种混合能源最能实现这一目标。

MITEI的研究科学家Dharik Mallapragada说,该小组的初步研究表明“需要开发能比锂离子电池具有成本效益的,能长期有效使用的储能技术”。

在发表于新文自然能源,塞普尔韦达,Mallapragada,和他的同事从麻省理工学院和普林斯顿大学提供长持续时间的作用的综合成本和绩效评估能源存储中的能量转化系统技术

LDES这个术语涵盖了一类多样化的新兴技术,可以响应可再生能源的可变输出,可持续数天甚至数周释放电子,为准备大规模部署太阳能和风能的电网提供弹性。

机械和航空航天工程助理教授兼安德灵格中心说:“如果我们要极其依赖风能和太阳能来发电,这是减少碳排放的最经济的方式,我们必须应对它们的间歇性。”普林斯顿大学能源与环境专业博士,麻省理工学院前研究员。

研究人员在他们的论文中分析了LDES是否与可再生能源以及锂离子电池等短期能源存储选项搭配使用,是否确实可以为大规模,低成本的过渡到脱碳电网提供动力。他们还研究了LDES是否甚至可以消除对按需或牢固的低碳能源的需求,例如具有碳捕获和封存功能的核电和天然气。

主要作者塞普尔维达说:“这里的信息是,创新的低成本LDES技术可能会产生巨大影响,使深度脱碳的电力系统更便宜,更可靠。”他现在是麦肯锡公司的顾问。但是,他指出:“在我们的选择中,保留可靠的低碳能源仍然会更好。”

除詹金斯和马拉普拉格达之外,该论文的合著者还包括Aurora Edington SM '19,他是麻省理工学院研究时的助理研究员,现为The Cadmus Group的顾问。理查德·莱斯特,日本钢铁工业教授,麻省理工学院副教务长,前核科学与工程系系主任。

莱斯特说:“随着世界开始更加认真地关注未来几十年如何实现深层脱碳目标,这些系统级研究的见解必不可少。” “研究人员,创新者,投资者和决策者都将从这项工作建议的成本和技术性能目标的知识中受益。”

性能和成本

该团队着手评估LDES解决方案在反映真实环境的假设电气系统中的影响,在该系统中,不仅要根据技术的独立属性,而且要考虑与其他能源匹配时的相对价值,对技术进行审查。

Sepulveda说:“我们需要以对社会可承受的成本进行脱碳,我们想知道LDES是否可以增加我们成功的可能性,同时还可以降低整个系统的成本,因为其他技术在太空中竞争。”

为了实现这一目标,该团队部署了电力系统容量扩展模型GenX,该模型由Jenkins和Sepulveda在麻省理工学院早期开发。该仿真工具可以评估LDES技术对潜在的未来系统的影响,这些技术包括当前正在开发的技术以及可能开发的其他技术,这些技术对于以可再生能源的成本和性能为特征的不同未来低碳电网情景,公司发电的类型以及替代电力需求预测。詹金斯说,这项研究是“

在他们的研究中,研究人员调查了一系列长期技术,其中一些技术得到了美国能源部高级研究计划署能源计划的支持,以根据以下内容来定义未来LDES系统的合理成本和性能属性。五个关键参数,涵盖一系列机械,化学,电化学和热学方法。其中包括抽水蓄能,钒氧化还原液流电池,含水硫液流电池以及耐火砖加热的蓄热器等。

詹金斯解释说:“想想浴缸,其能量存储参数类似于浴缸的容积。” 继续类推,另一个重要参数,即充电功率容量,是填充浴缸的水龙头的尺寸,以及放电功率容量,排水口的尺寸。在LDES技术的最通用版本中,可以独立调整系统的每个属性的大小。詹金斯说,在优化能源系统时,LDES技术可作为“低成本无碳电网的经济诱人贡献者”,研究人员发现最重要的参数是储能容量成本。

“为了对LDES技术设计及其对脱碳电网的经济价值进行全面评估,我们评估了近18,000个不同案例,” Edington解释说,“涵盖了负载和可再生资源可用性的变化,南北纬度气候,LDES技术的不同组合以及LDES的设计参数,以及竞争性公司低碳发电资源的选择。”

研究人员的严格分析得出的一些关键结论:

如果存储能量容量成本保持在20美元/千瓦时的阈值以下,则LDES技术可以使深度脱碳的电力系统的成本降低10%以上。

如果未来技术的能源成本降低到1美元/千瓦时,则该值可以提高到40%,对于空间中建模的最佳参数组合,该值可以提高到50%。为了进行比较,电池的当前存储能量容量成本约为200美元/ kWh。

鉴于当今流行的电力需求模式,LDES的能源容量成本必须降至每千瓦时10美元以下才能替代核电。为了使LDES完全替代所有固定电源选项,成本必须低于$ 1 / kWh。

在交通运输和其他最终用途实现广泛电气化以实现整个经济领域的深度脱碳目标的情况下,在北方纬度地区,在已知的LDES技术的成本和效率绩效范围的任何可能的未来组合下,取代公司发电将更具挑战性。这主要是由于在较冷的气候中取暖需求导致峰值用电需求增加。

可行的见解

尽管聚变能,下一代核能或碳捕获方面的突破可能会彻底改变他们的模型,但研究人员认为,他们研究的见识现在可以产生影响。

“与LDES合作的人们可以看到他们的技术适合未来的电力结构,并问:“从系统角度看,这是否具有经济意义?” Mallapragada说,“这是在政策和创新投资方面采取行动的号召,因为我们展示了技术差距所在,在LDES技术开发中,我们看到了突破性研究的最大价值。”

并非所有的LDES技术都可以消除这个设计领域的障碍,也不可能依赖LDES作为在短期内迅速扩大风能和太阳能或在2050年之前完全过渡到零碳经济的独家手段。

Sepulveda说:“我们展示了LDES技术的前景如何。” “但是我们还表明,这些技术不是唯一的解决方案,并且通过补充企业资源,我们仍然会更好。”

詹金斯立即发现了LDES的利基市场机会,例如部署了许多风能和太阳能的地方,以及限制输出该电力的传输的场所。在这样的位置,当传输达到极限时,存储可能会填满,稍后输出功率,同时最大程度地利用电力线的容量。

他认为,但是LDES技术必须准备好在2030年代末和2040年代末产生重大影响,到那时,如果要成功实现脱碳,可能需要完全摆脱对天然气的依赖。

他说:“这十年我们必须开发和部署LDES并改进其他低碳技术,以便我们向决策者和电力系统运营商提供真正的替代方案。”

鉴于这一紧迫的需求,普林斯顿大学的詹金斯和麻省理工学院的Mallapragada现在正在评估和发展在存储和能源领域具有最大潜力的技术,以加快实现零碳目标。在ARPA-E和MITEI的帮助下,他们还将最先进的GenX电力系统规划模型也变成了供公众使用的开源工具。

Sepulveda说,如果他们的研究和建模方法可以向开发人员和决策者展示哪种设计最有影响力,那么如果我们做正确的话,我们可以拥有一种脱碳系统,其价格要比当今的系统便宜。

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