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ARPA-E能源儲存基金研究計畫本篇綜覽美國ARPA-E歷年來在儲能研發(fā)方向所規(guī)範的技術(shù)目標進程,對照ARPA-E最近所提DAYS方案的技術(shù)目標規(guī)範,認為我國發(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耗能兩大方向,才是符合DAYS技術(shù)規(guī)範所展現(xiàn)電網(wǎng)儲能的未來研發(fā)趨勢。關(guān)於降低成本方面,建議研發(fā)經(jīng)濟有效的「釩電解循環(huán)泵的能耗(或進而開發(fā)待機時,免用循環(huán)泵的系統(tǒng)模式)。是建議未來可投自2009年美國首次撥款A(yù)RPA-E基金以來,已陸續(xù)撥款20億餘美金,贊助其國ARPA-E贊助在儲能範疇裡的技術(shù)系分別由BEESTGRIDSHEATS(DurationAdditiontoelectricitYStorage技術(shù)類別;DAYS獎助方案的公告規(guī)範10DAYS為當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)是美國政府瞻前國家未來能究發(fā)展。由於該等技術(shù)的後續(xù)發(fā)展與財務(wù)負荷方面的不確定性,企業(yè)本身若非有政府資助,多不太有意願率先燒錢投入該等前瞻技術(shù)的創(chuàng)新與研發(fā)?!皬膮R集圈中崛起:為美國帶來更美好的經(jīng)濟未來(RisingAbovetheStorm:EnergizingandEmployingAmericaforaBrighterEconomicFuture)”的報告構(gòu)思出來。2007年正式依照國會授權(quán)的AmericaCOMPETESAct,在美國能源2009年美國總統(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個計畫,主要範疇可歸類為有(1)再生能源技術(shù)系列(Renewableenergytechnologies包括太陽能、風能、地熱、生質(zhì)能等等技術(shù)的開發(fā),(2)能源效率技術(shù)系列(energyefficiencytechnologies)包括電動車、廢熱回收、電致變色玻璃、燃料電池薄膜、智慧建築,以及(3)儲能技術(shù)系列(energystoragetechnologies)包括超級電容(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);個案的獎勵金額從50萬美元到900萬美元不等。第二輪以後,ARPA-E開始提出各領(lǐng)域的需求規(guī)範,徵集與所開規(guī)範相關(guān)的技術(shù)研發(fā)項目,共設(shè)立了三個關(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),電能儲存電池運輸(BEEST),以及先進碳捕集技術(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)域又可細分為(1)集中發(fā)電範疇、(2)分散式電力範疇、(3)電網(wǎng)範疇與(4)儲能範疇;其中,在儲能範疇裡贊助的技術(shù)系列(含電力與運輸領(lǐng)域內(nèi)的儲能),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年獎助的DAYS(DurationAdditiontoelectricitYStorage)技術(shù),其中需求重點與規(guī)範的演化,正顯示美國展望後續(xù)BREAKERS、CIRCUITS、DELTA、ENLITENED、FOCUS、GENI…,仍有很多,因未歸類為儲能範疇的技術(shù)系列,非屬本篇所的探討儲能領(lǐng)域,將予SC查知。APAR-E先前贊助各儲能方案(program)之目標2010BEESTGRIDS方動力汽車(EV/PHEV)適用的可充電電池技術(shù),來實現(xiàn)替換汽油車的目標(包括價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,就是開發(fā)各種可存儲可再生能源的儲能技術(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『先進的能源管理與保護技術(shù)』,旨在開發(fā)先進的感測,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)上的保護機制,確保在發(fā)生碰撞或火災(zāi)時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拓型計畫。IDEAS獎助期程限制最長為期一年,資金為500,000美元,旨在靈活處理,可採取分析或探索性也就是說,僅憑創(chuàng)新概念是不夠的。IDEAS項目還必須代表能源技術(shù)的一種全新的範式,並有可能對ARPA-E的任務(wù)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響CHARGES全名為CyclingHardwaretoAnalyzeandReadyGrid-ScaleStorage,基於對現(xiàn)今正迅速發(fā)展的電網(wǎng)儲能電池技術(shù)方法,在商業(yè)化廣泛採之前,仍然需驗證其性能,經(jīng)濟效益和長期運轉(zhuǎn)的可靠性。CHARGES計劃著眼於兩個要點:1)ARPA-E境』條件下,也能上線為產(chǎn)業(yè)化實際應(yīng)用。CHARGES計劃的目標是加速在當前和過去ARPA-E資助的研究工作中開發(fā)的電化學能量存儲系統(tǒng)的商業(yè)化。該計劃旨在幫助ARPA-E資助的電池開發(fā)團隊改進其存儲技術(shù),以便在現(xiàn)實和未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贊助的儲能方案(program)與用2014年前的方案(program)規(guī)範,直至2018才又針對儲能領(lǐng)域,提出最新的DAYS方案規(guī)範。DAYS英文全名正式展開為DurationAdditionto需要,因應(yīng)供需不匹配或不穩(wěn)定時的彈性恢復(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),或者提供不長時間的削峰填谷電力調(diào)配(provideintra-dayshiftsofenergy)。DAYS這延長電力儲能乘載時程方來應(yīng)付跨越隔日性的削峰填谷狀況。DAYS方案,增長儲放電時間與容量的目標,實現(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)範所開發(fā)的電力儲能系統(tǒng)deployableinalmostanylocation),並按所設(shè)定的成本目標下,完成所需要的充電和放電單位成本需求。DAYS方案,在儲放電需用上共分轉(zhuǎn)(providedailycyclinginadditiontolongerduration,lessfrequentcycling)供電不足或電力溢出時,得以及時備援釋出電力或接收溢出電力進行儲電(notprovidedailycycling,butcantakeoverwhendailycyclingresourcesareeitherfilledordepleted)。DAYS方案,將折衷在可行的低成本條件下,探索新performancemetricsfortheDAYSprogram.),目標為提供電網(wǎng)至少10至100小時的儲用電力(ID1),儲電的均價成本(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放電功能(ID5)100kW為比較基準,最終須電時間(durationatratedpower)1)每日型2)非每日型充放電儲能分類(如ID7)。表一.DAYS方案的原版技術(shù)功能規(guī)範,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方案的價格目標圖,截圖自APAR-E官方公圖二:DAYS方案對於年度充放電次數(shù)(annualcycles)(durationatratedpower)的規(guī)範需求,截圖自APAR-E官方公圖三:DAYS方案對於價格成本與額定功率下放電時間(durationatratedpower)的規(guī)範需求,截圖自APAR-E官方公告圖三,同時也標示著未來鋰電池儲能技術(shù)(FutureLi-ion)、抽蓄水力儲能技術(shù)(Pumped-storagehydroelectricity,PSH)與現(xiàn)今其他商用儲能技術(shù)(currentcommercialinstallations)的價格成本,其中抽蓄水力技術(shù)在價格成本上已符合DAYS的規(guī)範需求,但受地理條件的限制,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)儲能(ImprovedLaughlin-BraytonCycleEnergyStorage)EchogenPowerSystems-使用基於CO2的泵送式熱能存儲(PTES)系統(tǒng)的低成本,長時間電能存儲(LOW-COST,LONGDURATIONELECTRICALENERGYSTORAGEUSINGACO2-BASEDPUMPEDTHERMALENERGYSTORAGEPTESSYSTEM)FormEnergy-用於長期電網(wǎng)存儲的含硫系統(tǒng)(AQUEOUSSULFURSYSTEMSFORLONG-DURATIONGRIDSTORAGE)密歇根州立大學(MichiganStateUniversity)-可再生能源儲存的可擴展熱學選項(ScalableThermochemicalOptionforRenewableEnergyStorageNREL-利用低成本熱能儲存和高效電力循環(huán)實現(xiàn)經(jīng)濟長期電力儲存(EconomicLong-durationElectricityStoragebyUsingLow-costThermalEnergyStorageandHigh-efficiencyPowerCycle)PrimusPower-最小的架空存儲技術(shù),適用於電力存儲的持續(xù)時間OverheadStorageTechnologyforDurationAdditiontoElectricityQuidnetEnergy地質(zhì)機械抽水蓄能(GeomechanicalPumped田納西大學(UniversityofTennessee用於長期儲存的可逆燃料電池(-ReversibleFuelCellsforLongDurationStorage)UTRC-具有廉價無機反應(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-這十項獲獎助計畫中,包含了三項不同的液流電池研發(fā)計畫,進一步說明如下:PrimusPower,總部位於加利福尼亞州海沃德的PrimusPower獲得了350萬美元的資助,計畫目標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)物在充電時為分別隔開,以及允許所有電解質(zhì)儲存在單個罐中,而不是在多個電池罐中?!筓TRC,聯(lián)合技術(shù)研究中心(UnitedTechnologiesResearchCente)獲300萬美元的資,用於開發(fā)基於新型液流電池化學的儲能係統(tǒng),使用廉價且易於獲得的硫錳基活性材料,它的目標是“克服系統(tǒng)控制的挑戰(zhàn),使兩極的反應(yīng)活性材料通過流動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存儲系統(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報導(dǎo),其儲能系統(tǒng)可能是一種水相硫化物的液流電池,摘文如下「FormEnergytackledthatprobleminthelabwithanAqueousSulfurFlowBatterychemistryandanund
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