本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
大卫在此。这是 Plugged In 的常客 Robert Fares 的帖子。它也交叉发布在 Cockrell 工程学院的网页。罗伯特和我就他在周五进行的关于电网级电池研究的 Twitter 采访进行了互动，您可以在此处阅读。
现有的电网已经为我们服务了一个多世纪。它仍然是人类最令人印象深刻的工程壮举之一。然而，近年来，电网的一些关键局限性变得越来越明显。一个局限性是缺乏储能。确切了解新型储能技术如何改善电力系统是一个复杂的操作研究问题。我在 Michael E. Webber 博士的指导下在机械工程系进行的研究旨在揭示在电网上利用新型储能技术的最佳方法。电网储能的一个有吸引力的应用是实时平衡电力供应与需求。我们最近在《应用能源》(Applied Energy) 杂志上发表的工作表明，一种名为钒氧化还原液流电池的新兴电池技术可能成为平衡德克萨斯州电网的一种具有成本效益的解决方案。
如今，发电机必须快速升降功率，以在每时每刻将电力供应与需求相匹配，因为电力生产和消费之间几乎没有存储缓冲。即使电力供应和需求的暂时失衡也可能导致全系统停电。当发电厂快速改变其功率输出以保持电网平衡时，它们会偏离其最有效的运行点，从而增加燃料消耗和排放。
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现代电池技术可以解锁一种更好地实时匹配电力供应和需求的方式。由于电池可以交替充电和放电，而不会释放排放物或遭受重大效率损失，因此将它们用于电网平衡可以节省能源，改善空气质量并减少温室气体排放。与此同时，使用更多电池来平衡电网可以释放发电厂的压力，使其能够在最佳效率下运行。由于电池使用快速电化学反应来存储能量，因此它们可以比发电厂更严格地保持电力供需平衡，并减少我们需要用来平衡电网并保持照明的发电厂数量。由于这些原因，已经有许多试点项目正在评估在电网上使用电池等快速响应技术的潜在优势，包括在德克萨斯州。
我们试图确定用于电网平衡的电池何时将在成本上与发电厂竞争。为了回答这个问题，我们对参与德克萨斯州批发电力市场的电池进行了基于模型的经济分析，该市场由德克萨斯州电力可靠性委员会 (ERCOT) 管理。
我们模拟了一个兆瓦级钒氧化还原液流电池 (VRFB)，换句话说，一个大到足以为近 1000 个典型住宅供电的液流电池。与传统电池不同，液流电池将电力存储在大型化学溶液罐中——这使得液流电池具有模块化和高度可扩展性。灵活的设计降低了电池系统的成本，而全液态活性材料使电池具有较长的运行寿命。 VRFB 可持续使用十年或更长时间，并且可以在磨损之前充电和放电超过 10,000 次。这些特性使 VRFB 成为最有前景的新兴电网储能技术之一。
我们将我们的 VRFB 模型与公开可用的电力市场价格数据一起使用，以展示电池执行“频率调节服务”（平衡电网供需的技术术语）的潜在价值。我们使用该模型实施了一个决策程序，以优化电池何时向电力市场提供频率调节服务。该程序显示何时使用电池最有价值，并计算出通过使用 VRFB 为德克萨斯州电网提供频率调节服务可能获得的最大收入。
根据 ERCOT 发布的历史电价，我们的模型显示，如果 VRFB 的成本降至每千瓦额定电池功率 1,500 美元以下，则具有十年寿命的 VRFB 可能成为具有成本竞争力的电网平衡解决方案。电池的成本通常以每千瓦额定功率的美元表示，因为构建电池所需的材料量与电池可以提供的功率量成正比。由于 VRFB 仍然是一种新兴技术，因此其精确成本目前尚不确定。 最权威的研究估计，专为频率调节而设计的 VRFB 系统的成本约为每千瓦额定功率 1460-1613 美元。因此，我们的结果表明，大型液流电池几乎是一种在成本上具有竞争力的电力供需平衡技术
尽管我们取得了这些发现，但电网储能的更广泛应用仍然存在许多技术和非技术挑战。传统的电力市场和政策并非围绕可以同时生产和吸收电能的设备而设计。此外，许多储能技术相对未经测试，仍处于示范阶段。然而，如果电网储能的成本大幅下降，它几乎肯定会在电网上发挥更大的作用。
世界各地的科学家和工程师都在探索如何以适合电网应用的成本构建大型电池。除了与构建电池相关的工程挑战外，了解未来在电网上利用电池的最佳方式也很重要。作为 Cockrell 工程学院的研究生，我获得了与教授和其他能源专家合作的机会，以找到这些困难且具有先见之明的研究问题的答案。
未来，我将继续我的研究，探索电网储能的运营管理。随着新型储能技术的成本竞争力越来越强，了解利用储能来降低电力成本、提高电网可靠性和整合可再生能源的最佳方法将变得越来越重要。
Robert Fares 是德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系的博士生。作为 Pecan Street Inc. 正在进行的智能电网示范项目的一部分，Robert 的研究着眼于如何将储能模型与大规模数据和优化相结合，以实现电池储能的经济运营管理。Robert 希望开发新颖的运营方法和商业模式，以帮助将分布式发电和储能技术与重组的电力市场和零售电价相结合。通过他的研究，他希望证明这些新技术的市场性和技术兼容性。