特斯拉能源墙背后的美梦与荆棘
特斯拉将大量小电池集成形成一块大电池的解决方案让全球消费者看到了增加电池存储量的可能
想象一下某个夜晚城市用电高峰拉闸限电而你打开挂在墙上的大电池室内一片光明甚至可以开着电动汽车出去兜个风更酷的是这些电是免费的因为你家的太阳能发电组或者风力发电组白天用电冗余部分充进了大电池晚上使用完全独立于公共电网
这是美国特斯拉公司（Tesla）设计Powerwall要达成的愿景
Powerwall不是发电装置更像是一块大电池由于可以挂在墙壁上在中国它被称为能源墙
从电池技术的本质来看Powerwall并没有根本性突破不过它的电池管理温度控制以及电池跟外部电网的互动值得借鉴
如果Powerwall这块电池能接入到电网好处是计算阶梯电价时Powerwall可以在电费较低时段预先存储一部分电能而在电费较高时段使用从而节省电费支出如果你家屋顶上有太阳能那就完全免费了Powerwall负责从发电到用电中间的存储甚至可以使普通家庭用户离开公共电网独立运行
按特斯拉的CEO埃隆马斯克的计划新一代Powerwall储能电池将在七八月问世这距离第一代Powerwall降生不到一年他急于让Powerwall进入全球大部分家庭成为家庭的大电池
仅仅有不到30年产业化历史的锂电池技术能否支撑起Powerwall未来的使命?特斯拉的解决方案可否用于储能装置与大型新能源发电站的结合?这种由小电池组装成的储能系统如何与公共电网跳好二人转?
一切都还是未知记者采访发现在能源界也有不同的声音
老技术换新装
目前的电池技术单个电池做到存储量达到兆瓦级别仍是不可实现的特斯拉将大量小电池集成形成一块大电池的解决方案在大数量级电量存储方面给出了一个新思路
Powerwall的创新在于利用一套电池管理系统把近7000块18650锂电池反复分组每一层都有管理靠软件技术保证电池充放电的一致性避免危险发生
18650电池是锂离子电池的鼻祖是日本索尼公司为了节省成本而制定的一种锂离子电池型号
中科院物理所研究员中关村储能产业技术联盟专家委员会主任委员黄学杰接受《财经》记者采访时表示Powerwall使用的锂电池技术本身很成熟它做的是把小电池组装成储存单元特斯拉主要是提出商业模式
以前就曾有类似Powerwall的家用储能产品不过大多数出现在日本市场比如2011年4月索尼发布的采用橄榄石磷酸铁锂充电电池的1.2kWh储能模块;2011年7月东芝推出的由锰酸锂电池+钛酸锂电池组成的1.6kWh产品;2012年3月NEC发布的由锰酸锂聚合物电池组成的6kWh储能产品等
在中国科学院电工研究所储能技术研究组组长陈永看来从电池技术的本质来看Powerwall并没有根本性突破不过它的电池管理温度控制以及电池跟外部电网的互动值得借鉴比如为了防止电池温度过高和差异过大Powerwall配备了一套冷却系统用冷却液平衡电池之间不同的温度防止温差造成危险
陈永也提醒Powerwall将成千上万个小电池堆积未必是未来储能的正确思路
以小体积实现大电量的储备是目前整个储能行业电池技术共同的瓶颈未来储能电池需要放大但应以什么思路放大?
直接放大是不行的拿现有做小电池的思路来做大电池我认为是不通的陈永接受记者采访时直言小电池本来有一定的安全隐患从概率上来看简单地大数量堆积会增加隐患和成本｜
什么在阻碍电池无限量扩容
电池的续航能力一直是技术难点特斯拉让全球消费者看到了增加电池存储量的可能但现有的电池技术还有多大的增量空间?
目前电子用品市场上应用最广泛的是锂离子电池特斯拉产品也用这种电池锂离子电池属于二次电池可以重复使用
1991年索尼公司推出第一块商品化锂离子电池并带来电池工业的一次革命锂离子电池首先进入手机数码相机等消费类电子产品市场没用几年时间就一统天下将镍镉电池镍氢电池等逐出市场
其实二次电池领域也是一个大家族有铅酸电池镍氢电池镍镉电池钠硫电池液流电池等全球电池市场中铅酸电池的市场份额在所有二次电池中仍占据绝对主导地位不过锂电池增势迅猛
2018年锂电池全球市场规模将比2013年增加31.7%占整体电池市场的比重达到三成左右
能量密度价格安全寿命体积等是衡量电池的常用指标黄学杰分析电池在不同的使用环境中侧重的指标不一样不同的设备中对电池指标的注重可以协调尤其是相互制约与矛盾的指标
手机电池需要在最小的尺寸里装尽量多的能量安全系数会低一些消费者可以忍受高一些的价格寿命也可以短一些一般3年就够;汽车用电池需要10年以上的寿命安全系数要求更高同时价格不能太高;在大的储能领域需要电池寿命达到20年以上体积指标可以放松一些
在上述指标中显示设备续航能力的电池能量密度常常与安全性是相互矛盾的即能量密度越高危险性也就越大
锂电池的关键技术主要集中在正负极材料电解质和隔膜上材料的性能和制备工艺很大程度上决定了电池的性能
电池技术的突破依赖基础材料性能的提升遗憾的是材料鲜有重大突破石墨烯材料被广为看好不过至今没有真正的产品可用
在隔膜方面美国与日本拥有先进隔膜生产的技术专利但这些研发成果都针对小电池尤其是在数码产品智能手机领域对于未来的大型电动车电池电网储能电池目前隔膜的研究思路是否适合陈永认为仍是一个大问号
除电池的材料之外电池的结构常常被忽视
陈永将电池结构的设计比作是炒菜不同的厨师用同样的原材料炒出来的菜味道可能是不一样的同样的材料采用不一样的电池结构技术性能就会有相当大区别陈永对《财经》记者说
安全性考虑材料技术电池结构技术并不是阻碍电池无限量扩容设备无限增大续航的全部因素终端产品的设计也在掣肘电池扩容要知道智能手机中的很多功能没有那么紧要但在后台运行时却很耗电
即便是特斯拉也无法回避当前电池技术面临的上述局限此外当然也受成本拖累
Powerwall目前有容量为10千瓦时与7千瓦时两个版本售价分别为3500美元和3000美元相当于2.17万元和1.86万元左右人民币高昂的价格会成为阻拦其进入寻常百姓家的门槛
7千瓦时基本能满足一个中国家庭一天的常规用电量但Powerwall想在中国遍地开发还需要研究中国的国情陈永表示美国和中国的国情是不一样的美国别墅数量众多都是独家独户的分布式光伏发电设备应用广泛Powerwall会受到青睐中国则情况不同
特斯拉进军家庭储能设备并在中国官网上线Powerwall对此常州天合光能有限公司新闻发言人叶超分析认为更多是看准了未来中国市场需求的潜力意欲提前布局
就像光伏发电一样随着技术与市场的成熟从开始兴起时每瓦几十元现在降到几元未来还会降到几角行业内预计家庭储电设备也会走一样的路
黄学杰分析在储能技术中当电池的成本达到1元每瓦时就具有商业价值而现在的成本是理想成本的两倍以上
消费者与政府决策者还应该换一个思路看待电池的成本问题
二次电池本身可以循环使用比如电动车报废以后其电池仍有60%以上的储电能力还可以继续用于家庭储电此外电池与新能源结合后带来的经济成本与传统发电方式相比有更大的经济价值不能总是给外界传达这个期望电池成本储能成本可以不停地降下来也要考虑传统能源的环境成本陈永说｜
更宏大的能源管理目标
以小体积储备大电量不仅是电池行业本身难以实现的突破也是储能行业的瓶颈
就在世界主要国家纷纷将发展太阳能风能等可再生能源上升为国家战略时解决太阳能发电风电的间歇性高峰和低谷之间的变化成为迫切的需求
这需要储能来削峰填谷使能源输出不间断黄学杰分析电池储能是未来趋势不仅是在大型风电站与太阳能光伏发电中还能用于对整个电网的调频
为用户节省成本也不是Powerwall最主要的目的埃隆马斯克为Powerwall所设定的是更宏大的能源管理目标
比如由于消费者的生活形态有着固定的节奏也会形成用电的峰谷而电力公司必须以高峰用电量来规划发电系统的规划造成在非高峰时间往往产生了多余的电能无人使用这些电能就被浪费掉了
十二五期间中国建立风光储输示范工程初衷就是想把风光储这几种方式联合起来以电池储能作为载体实现风光储多时间尺度的出力互补使这些新能源发电达到或者接近常规电源并探索出最为优化的联合配比比例
国家电网中国电力科学研究院电工与新材料研究所所长来小康在评价这一示范项目时曾表示磷酸铁锂电池的运行效果非常好效率能达到80%以上此前大家担心它的安全性但事实证明自储能电站运行以来磷酸铁锂电池没有出现过任何安全事故
不过受制于电池使用成本对电网调频有很大经济价值的储能技术还不能全面推广仍依靠政府补贴进行项目示范
况且国内多数示范项目还停留在对储能技术做验证的阶段虽然目前安全性得以实现但避免安全事故发生并不是示范的唯一目标最终还是要市场化应用陈永表示储能示范项目也是为了让一些不太成熟的技术通过示范达到商业化市场化的过渡起到桥梁作用
十三五规划提出针对长期制约新能源发展的储能瓶颈将加强储能和智能电网建设发展分布式能源推行节能低碳电力调度
陈永建议在实施这些规划时要避免上马重复项目不能为了示范而示范将储能示范项目数据的公开与共享便于研究也便于监督
同时应该开展大型储能电站的仿真与模拟研究像测试电网扰动那样建立大型模拟系统并给出一个扰动信号看电网如何反应会不会崩溃而对于企业愿意积极实施的商业示范项目政府应尽可能给予政策支持推动储能商业模式的创新发展
要推动新的电池技术储能技术的推广不能让储能行业重蹈光伏产业的覆辙黄学杰表示
