电池能否满足电网级储能的需求激增？

Chris Palmer

工程（英文） ›› 2025, Vol. 51 ›› Issue (8) : 8 -11.

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工程（英文） ›› 2025, Vol. 51 ›› Issue (8) : 8 -11. DOI: 10.1016/j.eng.2025.06.011
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Can Batteries Meet the Looming Demand for Grid-Scale Storage?

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Chris Palmer. 电池能否满足电网级储能的需求激增？[J]. 工程（英文）, 2025, 51(8): 8-11 DOI:10.1016/j.eng.2025.06.011

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截至2024年年初，美国加利福尼亚州莫斯兰丁地区坐落着全球规模最大的电池储能系统（BESS）[1]。2025年1月16日，该地区发生火灾，浓烟升腾至300多米高空。由于火焰产生的有毒气体具有潜在危险[2]，当地政府关闭了学校以及标志性沿海1号公路，疏散了数百名住在附近的居民，并要求圣克鲁斯和萨利纳斯附近社区的居民留在家中，紧闭门窗。此次锂离子电池（LIB）起火还引发各种担忧——火灾可能对当地社区和农田造成污染，甚至影响邻近的埃尔克霍恩斯洛国家河口研究保护区（Elkhorn Slough State Marine Conservation Area）和蒙特雷湾国家海洋保护区（Monterey Bay National Marine Sanctuary）[3]。该BESS电站位于沿海地区，毗邻一座拥有75年历史、位置相对独立的天然气热电站。这样，莫斯兰丁电站所有者Vistra公司（美国得克萨斯州欧文市）能最大程度规避土地划分问题，同时便于利用现有电网基础设施[4]。
火灾发生前，莫斯兰丁BESS储能3 GW∙h，能提供750 MW电量，可满足60多万户家庭长达4 h的用电需求[5]。按此容量计算，莫斯兰丁BESS排名全球第二，仅次于美国加利福尼亚州莫哈韦Edwards & Sanborn项目（3.287 GW∙h/875 MW）[6]，同时领先于沙特阿拉伯比沙的Bisha项目（2 GW∙h/500 MW）[7]，这两个储能项目分别于2024年1月和2025年1月竣工。Vistra公司曾表示，莫斯兰丁BESS有望扩容至6 GW∙h/1.5 GW [4]。然而，扩容计划现已搁置。火灾摧毁了2020年竣工的一期工程（300 MW），约10万块LIB模组被烧毁[3‒5]。由于LIB火灾极难扑灭，消防人员只能任由火势在数周内逐步燃尽，而设施在2月18日复燃[8]。
LIB的火灾隐患是工程师在打造安全且高效的电网级储能系统时所面临的众多挑战之一。尤其是莫斯兰丁电站使用较陈旧、稳定性较差的镍锰钴酸锂（NMC）电池，而非当前已成为储能电池标准的新型磷酸铁锂（LFP）电池[4]。此次莫斯兰丁火灾并非此类事故首例，但或许是迄今为止最严重的一次。自2021年，莫斯兰丁储能电站已先后发生过3起小规模火灾[4]；此外，美国（加利福尼亚州）和韩国的其他锂离子BESS也发生过火灾[9‒10]。
“这堪称业内的‘三哩岛事件’。”当地政界人士如此评价道[4]。另有部分人士呼吁，应对2024年年底提出的一项价值2亿美元的200 MW BESS项目加强检查。该项目位于沃森维尔市附近，地处莫斯兰丁以北，离圣克鲁斯不远[4]。不过，这座拟建电站在设计上提升了安全性，所用LFP LIB将被存放于钢结构储能集装箱内，每个集装箱间距近1 m，且均配备了温度监测系统与灭火系统[4]。这种设计可在火灾发生时，将烟雾封锁于钢结构集装箱内，以免其扩散至空气中。
尽管莫斯兰丁事故可能给圣克鲁斯县电网级锂离子BESS的未来发展蒙上阴影，但似乎并未阻碍其近年来在其他地区的加速推广。经过数十年发展，如今全球已实现通过风力发电机和太阳能电池板大规模生产可再生能源[11‒12]。国际能源署称，随着可再生能源发电成本不断下降，其竞争力可与化石能源媲美[12]，约占全球总发电量的15% [13]。然而，不同于化石能源可通过成熟体系便捷地运输和储存，太阳能和风能供电会因昼夜和季节的变化而波动。
由于电网必须维持精细的平衡才能输送所需电力，因此风能与太阳能的间歇性特点给电网带来了难题。若电网供需失衡，可能导致停电，继而造成伤亡风险[14]；或导致电力公司耗费资金生产了多余电，造成能源浪费[15]。
“随着间歇式可再生能源（如太阳能、风能）在总发电量中的占比不断增加，必须确保储能，因为当前电网体系缓冲空间不足，无法承受电力不稳。”美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院材料化学John F. Elliott荣誉教授Donald Sadoway表示，“正因如此，储能成为关键一环。”
为确保电力始终按需供给，能源企业过去一直依赖以天然气为动力的“调峰电厂”来保证电力供应。顾名思义，这类电厂仅在电力需求达到峰值时运行，如天气炎热，大家集中开空调时。尽管如此，调峰电厂的效率通常低于其他电厂，且产生更多污染[16‒17]。尽管调峰电厂能为电网（以化石能源发电）提供稳定支持，但它对于弥补太阳能和风能发电产生的清洁能源缺口而言，最多只是一种效果欠佳且自相矛盾的解决方案。目前，全球多数国家已承诺推进清洁能源成功转型[18]。业内一致认为，能够实现额外可再生能源电网级储能的基础设施，将成为转型的关键部分[19]。
为达成第28届联合国气候变化大会（COP28）设定的气候与能源安全目标，截至2030年，全球可再生能源装机容量将需要增至现有的3倍[18]。要实现这一增长，全球能源存储量须在现有基础上增加6倍至1500 GW，其中约1200 GW有望来自电池储能（图1）[20]。长时储能理事会（比利时布鲁塞尔）估算，2021年对储能技术投资超9亿美元，较上一年的3.6亿美元大幅增长[21]。长时储能理事会由24家全球能源企业组成，成立于第26届联合国气候变化大会（COP26）期间。该机构预测，截至2040年，大规模可再生能源存储投资总额可达3万亿美元。这笔巨大投资很大程度上将依赖未来可投入使用的创新型储能系统（包括新型电池），而这类技术目前尚未大规模落地。
抽水蓄能电站是目前应用最广的储能技术[22‒23]。其2021年储能约为160 GW，占当前全球电力总储能的90%以上[21]。中国抽水蓄能电站装机容量居世界首位，约为51 GW。此外，有报道称中国目前正在新建66座抽水蓄能电站[24‒25]。然而，尽管抽水蓄能电站运行成本较低，但其对选址要求较高，通常只可能在山区建造[22]。
相反，电池则提供了一种低成本储能方案，几乎可在任何地点部署。如今随处可见的LIB [26]可提供高性能储能，其价格自三十多年前首次上市以来已降低近97%，这主要得益于电动汽车的发展推动了LIB的研发[27]。事实上，有人建议电动汽车更换下的LIB不应立即回收，而应先用于电网级储能，因为这些退役电池通常仍有约80%的容量[19]。尽管这一想法看似合理，但实际操作中会面临诸多挑战，因为要对不同电动汽车厂商所使用的型号各异的LIB进行翻新和改造比较困难。不过，在中国推行这一做法可能更容易，因为中国已实施更完善的标准化体系和规定，要求电动汽车厂商对产品全生命周期负责，其中就包括旗下电动汽车电池报废后的回收处理[28]。
为满足日益增长的电网级储能需求，近年来全球范围内已涌现出大量BESS电站（图2）[19]。“2020年左右，锂离子电池的全生命周期成本已与新型‘调峰’燃气轮机持平。”美国科罗拉多州戈尔登市国家可再生能源实验室高级能源分析师Paul Denholm表示，“这催生了当前的发展热潮。如今，美国电网正部署数十吉瓦的新型储能容量，其中约99%都使用某种类型的锂离子电池。”
中国和美国率先展开行动，于2022年分别部署了5 GW和4 GW的锂离子BESS [19]。尽管LIB价格持续走低[29]，使锂离子BESS成为当前可再生能源电网级储能的主流技术（图3），但由于环境和供应链方面的担忧以及装机容量和储能时长的局限性，研发人员仍在寻求替代方案。除火灾风险、各类伦理问题[30]和环境问题[31]外，全球锂供给同样有限[32]。“幸运的是，相当一部分锂矿分布在政治局势相对稳定的地区。但我们能否迅速扩大锂的开采和生产规模以满足全球需求，仍是个悬而未决的问题。” Denholm说，“这也是人们开始关注其他材料的原因之一。”
在电网级BESS的LIB主流替代方案中，钠离子电池、铁-空气电池和液流电池位居前列。鉴于钠较锂资源更丰富且提取与提纯成本更低[33]，亚洲、欧洲及北美洲多家企业正努力将电池中的锂替换为钠。尽管材料成本较低，但钠离子电池的单体储能价格仍高于LIB，因为钠离子电池的每千克储能通常低于LIB。现有评估认为，成本增加将限制钠离子电池的大规模商用，除非能取得研究上的突破，如淘汰含相对昂贵金属镍的设计[34]。
另一种价格相对较低的电池材料是铁。电池能够利用铁和空气、水反应生成氢氧化铁（即铁锈）时释放的能量，而电池充电就是向系统中输入能量以去除铁锈[35]。该技术有一个缺点，相较于LIB和抽水蓄能的能量往返效率（分别为80%~90%和70%~80%），铁-空气电池仅返回50%~60%的输入能量，部分原因在于它在无电流输出时仍会缓慢放电。然而，铁-空气电池的低效率问题可通过扩大电池尺寸来弥补。此外，公用事业企业或许能承担此类损耗，尤其是铁-空气电池成本仅为LIB的1/10，使用寿命长17倍时[35]。已有至少一家公司——Form Energy（美国西弗吉尼亚州威尔顿）——对该技术斥资7.6亿美元，建造铁-空气电池制造工厂[35]。该公司称，其首批客户将包括美国科罗拉多州、佐治亚州和明尼苏达州的公用事业企业。
另一种关于电网规模固定电池的想法是“氧化还原液流”电池，其化学反应并非发生在电极表面，而是发生在两个装满液体的液罐中，液罐起到了电极的作用[36]。该技术已在多个大型实际项目中得到了使用。2022年4月，Sumitomo Electric公司在日本北海道投用全球最大液流电池电站，储能51 MW∙h/17 MW [37]。然而仅一个月后，中国在大连建成更大电站，储能400 MW∙h/100 MW [38]，规模为前者8倍。
大多数液流电池采用金属钒，虽然钒能使液流电池更耐用、更易于维护，但其制造成本至少是LIB的两倍[36]。不过，由于使用寿命约为LIB的两倍，最终液流电池有望比LIB更便宜。然而，采购足够的钒仍是大规模制造液流电池的主要挑战。全球四分之三的钒来自中国和俄罗斯10家钢铁厂的副产品。目前，部分液流电池初创企业正寻求更易采购的原料，如铁、铬、锌和醌类有机化合物，以替代钒[36]。
然而，和铁-空气电池类似，液流电池的储能效率也仅为60%左右[36]。但对于这两种替代方案而言，若其资本成本低且使用寿命长，那么效率偏低或许并不重要。“关键在于每千瓦时储能成本。”罗切斯特理工学院（美国纽约罗切斯特）研究能源存储的公共政策副教授Eric Hittinger表示，“储能效率高看似重要，但如果某个时段能量过剩，不用掉也会被浪费，且在其他情况下完全没有实际价值，那么储能效率也不重要了。”
除重力储能系统[22]外，业界还在探索其他不属于传统定义范畴的储能解决方案。部分企业正在研发热泵储能，即将压缩空气储存在大型洞穴中，当空气被释放时，利用其膨胀过程驱动涡轮发电机发电[39]。热泵储能通常需要天然洞穴，但Hydrostor公司（加拿大多伦多）在坚硬的岩石中开凿出用于储存气体的洞穴。2019年，该公司在安大略省戈德里奇市投用了首款商用压缩空气储能电站，装机容量约为10 MW∙h，足以满足2100户家庭超过5 h的用电需求[39]。公司表示，计划在美国加利福尼亚州建设多座规模更大的电站，并在澳大利亚布罗肯希尔建造一座200 MW的储能电站[40]。
与压缩空气类似，储存于巨型钢罐中的沙子也可用于长时间存储可再生能源。首先，通过电阻加热器将沙子加热至约500 ℃，与此同时，流经沙粒的空气温度也会升高。随后,使用风扇让热气流持续循环，直至达到可用状态，单次可储存数周甚至数月的能量。位于芬兰坦佩雷的Polar Night Energy公司已建成总容量为8 MW∙h/200 kW的沙电池储能系统。公司还计划建造第二座装机容量为500 MW∙h /2 MW的沙电池储能系统[41]。
尽管很多这类新型储能技术可用于细分市场，但业内仍期待一项突破，以推动可再生能源转型。“能源电力行业很少发生根本性转变。” Denholm表示，“我们经历过页岩气革命、天然气低成本供应、太阳能成本下降，如今又迎来电池储能成本下降。除此之外，其他类型的储能基本上几乎没有增长。”Sadoway致力于研发用于长期存储可再生能源的电池（其中包括液态金属电池[42]），他同意并表示：“我们必须通过创新找到出路。目前的成本都太高，难以带来实质改变。”

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