本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
大衛在此。這是 Plugged In 的常客 Robert Fares 的帖子。它也交叉釋出在 Cockrell 工程學院的網頁。羅伯特和我就他在週五進行的關於電網級電池研究的 Twitter 採訪進行了互動，您可以在此處閱讀。
現有的電網已經為我們服務了一個多世紀。它仍然是人類最令人印象深刻的工程壯舉之一。然而，近年來，電網的一些關鍵侷限性變得越來越明顯。一個侷限性是缺乏儲能。確切瞭解新型儲能技術如何改善電力系統是一個複雜的操作研究問題。我在 Michael E. Webber 博士的指導下在機械工程系進行的研究旨在揭示在電網上利用新型儲能技術的最佳方法。電網儲能的一個有吸引力的應用是即時平衡電力供應與需求。我們最近在《應用能源》(Applied Energy) 雜誌上發表的工作表明，一種名為釩氧化還原液流電池的新興電池技術可能成為平衡德克薩斯州電網的一種具有成本效益的解決方案。
如今，發電機必須快速升降功率，以在每時每刻將電力供應與需求相匹配，因為電力生產和消費之間幾乎沒有儲存緩衝。即使電力供應和需求的暫時失衡也可能導致全系統停電。當發電廠快速改變其功率輸出以保持電網平衡時，它們會偏離其最有效的執行點，從而增加燃料消耗和排放。
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現代電池技術可以解鎖一種更好地即時匹配電力供應和需求的方式。由於電池可以交替充電和放電，而不會釋放排放物或遭受重大效率損失，因此將它們用於電網平衡可以節省能源，改善空氣質量並減少溫室氣體排放。與此同時，使用更多電池來平衡電網可以釋放發電廠的壓力，使其能夠在最佳效率下執行。由於電池使用快速電化學反應來儲存能量，因此它們可以比發電廠更嚴格地保持電力供需平衡，並減少我們需要用來平衡電網並保持照明的發電廠數量。由於這些原因，已經有許多試點專案正在評估在電網上使用電池等快速響應技術的潛在優勢，包括在德克薩斯州。
我們試圖確定用於電網平衡的電池何時將在成本上與發電廠競爭。為了回答這個問題，我們對參與德克薩斯州批發電力市場的電池進行了基於模型的經濟分析，該市場由德克薩斯州電力可靠性委員會 (ERCOT) 管理。
我們模擬了一個兆瓦級釩氧化還原液流電池 (VRFB)，換句話說，一個大到足以為近 1000 個典型住宅供電的液流電池。與傳統電池不同，液流電池將電力儲存在大型化學溶液罐中——這使得液流電池具有模組化和高度可擴充套件性。靈活的設計降低了電池系統的成本，而全液態活性材料使電池具有較長的執行壽命。 VRFB 可持續使用十年或更長時間，並且可以在磨損之前充電和放電超過 10,000 次。這些特性使 VRFB 成為最有前景的新興電網儲能技術之一。
我們將我們的 VRFB 模型與公開可用的電力市場價格資料一起使用，以展示電池執行“頻率調節服務”（平衡電網供需的技術術語）的潛在價值。我們使用該模型實施了一個決策程式，以最佳化電池何時向電力市場提供頻率調節服務。該程式顯示何時使用電池最有價值，並計算出透過使用 VRFB 為德克薩斯州電網提供頻率調節服務可能獲得的最大收入。
根據 ERCOT 釋出的歷史電價，我們的模型顯示，如果 VRFB 的成本降至每千瓦額定電池功率 1,500 美元以下，則具有十年壽命的 VRFB 可能成為具有成本競爭力的電網平衡解決方案。電池的成本通常以每千瓦額定功率的美元表示，因為構建電池所需的材料量與電池可以提供的功率量成正比。由於 VRFB 仍然是一種新興技術，因此其精確成本目前尚不確定。 最權威的研究估計，專為頻率調節而設計的 VRFB 系統的成本約為每千瓦額定功率 1460-1613 美元。因此，我們的結果表明，大型液流電池幾乎是一種在成本上具有競爭力的電力供需平衡技術
儘管我們取得了這些發現，但電網儲能的更廣泛應用仍然存在許多技術和非技術挑戰。傳統的電力市場和政策並非圍繞可以同時生產和吸收電能的裝置而設計。此外，許多儲能技術相對未經測試，仍處於示範階段。然而，如果電網儲能的成本大幅下降，它幾乎肯定會在電網上發揮更大的作用。
世界各地的科學家和工程師都在探索如何以適合電網應用的成本構建大型電池。除了與構建電池相關的工程挑戰外，瞭解未來在電網上利用電池的最佳方式也很重要。作為 Cockrell 工程學院的研究生，我獲得了與教授和其他能源專家合作的機會，以找到這些困難且具有先見之明的研究問題的答案。
未來，我將繼續我的研究，探索電網儲能的運營管理。隨著新型儲能技術的成本競爭力越來越強，瞭解利用儲能來降低電力成本、提高電網可靠性和整合可再生能源的最佳方法將變得越來越重要。
Robert Fares 是德克薩斯大學奧斯汀分校機械工程系的博士生。作為 Pecan Street Inc. 正在進行的智慧電網示範專案的一部分，Robert 的研究著眼於如何將儲能模型與大規模資料和最佳化相結合，以實現電池儲能的經濟運營管理。Robert 希望開發新穎的運營方法和商業模式，以幫助將分散式發電和儲能技術與重組的電力市場和零售電價相結合。透過他的研究，他希望證明這些新技術的市場性和技術相容性。