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《铝阳极电池可使太阳能储能成本变得更低》

  • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者： guokm
  • 发布时间：2021-04-12

  • 采集绿色太阳能的挑战之一是如何在没有太阳的时候储存这些能源。虽然近年来采集太阳能的成本已经显著下降，但通过电池组和其他方法存储这些能量的成本并没有那么快跟随下降。来自康奈尔大学的研究人员一直在探索低成本的材料来制造可充电电池，以使能源存储更加实惠。

    该团队认为，他们的突破可以为目前主导电池市场的锂离子电池提供更安全、更环保的替代品。锂离子电池运用在太阳能上目前存在一些挑战，它们充电速度慢，如果被刺破或损坏或者环境不太理想的情况下，活泼的锂离子可能会起火。在目前的研究中，科学家们正在使用铝和锌来制造一种新的电池。

    研究人员说，他们的电池有一个有趣的特点，就是它只有两种元素用于阳极和阴极。这些元素是铝和碳。这两种元素价格低廉，而且环保。电池的生命周期很长，当团队计算储能成本时，电池的寿命越长，储能的成本降低越明显。

    使用铝的主要优势之一是，与许多其他金属相比，铝是一种丰富的材料，具有较高的储能能力。面临的挑战是，铝很难集成到电池电极中。铝会与物理上分割阳极和阴极的玻璃纤维分离器发生化学反应，导致电池短路和失效。

    康奈尔大学的研究人员通过设计一种由碳纤维交织而成的基质，与铝形成更强的化学键来解决这一问题。当电池充电时，铝会通过共价键沉积到碳结构中。该技术需要对电池进行非平面架构，并创造出更深、更一致的铝的分层，并能够进行精细控制。研究人员指出，在实际条件下，他们的铝阳极电池可以比其他铝充电电池可逆性充放电次数多一个或多个数量级。

  • 原文来源：http://www.nengyuanjie.net/
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相关报告

  • 《回收太阳能电池板，将何去何从？》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2020-08-12
    • 随着近年来公共建筑和住宅设施的快速发展，太阳能一直在快速普及化。虽然这些系统一般能运行二三十年，但不可避免的是，总有一天会将光伏板拆除下来进行更换。然而，接下来发生的事情(太阳能电池板的回收)对太阳能的是否长期可持续发展和环保有很大的影响。 近期有一项新研究，其有可能将旧的光伏板变得焕然一新，以此减少现有太阳能技术对环境的影响。此为一篇发表在《自然可持续性》(NatureSustainability)上的论文，美国国家可再生能源实验室(NationalRenewableEnergyLaboratory)的加文?希思(GarvinHeath)领导的一个研究太阳能电池板回收的小组表示――尽管他们认为自己看到了潜在方向，但我们还有很长的路要走。接下来，笔者大致概述一下他们的理念。 回收成本和纯度问题 他们表示，目前的标准做法是将太阳能电池板交给现有的玻璃或金属回收设施――最优的情况是，成批的太阳能电池板至少可以自行处理。但是，这也仅仅是回收框架中的铝、电线中的铜，以及光伏电池板顶部的玻璃板。除了欧盟和美国华盛顿州以外，在许多地方，强制回收太阳能电池板的法律还都停留在纸面层次上，并没有取得过多实质性进展。欧盟要求至少回收75%的材料，而这些工艺可以达到这个标准。 从目前的数据来看，只有欧洲的回收企业完全专注于太阳能板。但现阶段被处置的太阳能电池板数量仍相对较少，再加上回收材料的价值有限，这意味着很多人无法从中看到较大的商机。该作者在论文中写道：“在美国，根据一些传闻显示，一些太阳能电池板零部件被弃置在城市(属于无害的部分)和有害的垃圾填埋场。其他的部件将被储存起来，直到成本更低、更容易回收的方案被开发出来，并且积累的数量变得更经济的运输和回收，以及诸如危险废物检测(有毒污染物浸出检测)等问题得到解决――这些问题会影响跨州(省)运输和处理选择以及成本。” 将可回收列表做到最大化 作者写道，需要专门的回收工艺来更彻底地回收一块电池板的所有组件――包括光伏电池板本身的晶体硅。硅晶圆约占面板成本的一半，也占制造一块电池板的能源和碳消耗的一半以上。但是硅目前并没有被定为回收的目标，因为回收的硅纯度不够，不能直接回到晶圆制造商手中。市场上回收利用的“冶金级”硅每公斤售价为2美元(约为14元/公斤)，而纯度更高的硅每公斤售价为10美元(约为70元/公斤)。这将彻底改变回收商的处境。 获得更高纯度的技术，并不是一个完全神秘的问题――毕竟，硅目前正是从开采的石英岩中被提纯出来的。但这些工艺已经根据原材料的确切特性和杂质进行了调整。考虑到存在于光电池中的各种其他元素，回收晶圆片就意味着应将净化过程调整为一种新的材料。作者表示，阻碍回收利用的一个因素实际上是缺乏太阳能电池中杂质的可用数据，这使得围绕这些杂质设计流程变得困难。 工艺过程是关键 但不仅仅如此。作者指出，许多实验室研究已经确定了回收过程特定方面的潜在方法，但是回收工艺将需要一套完整的关联方法，这些方法可以作为单个过程的一部分工作。这就是工程的意义所在――找到将事物整合到一个过程中的方法。 另外，由于设计总是在不断变化，适应性将需要成为一个考虑因素。例如，电池中的银含量多年来一直在下降，自2010年以来下降了70%――而银是一个值得回收的东西。用于焊接的铅锡焊料可逐步改用无铅焊料或其他替代品――不用处理有毒的铅将是一个福音。 总的来说，研究人员"建议在最大限度地提高材料回收率的同时，研究和发展减少回收成本和环境影响"，其中重点是硅。新的政府政策和更明确的法规，以及关于诸如太阳能电池板数量下降这类简单的事情的公开数据，可能会其有所帮助。 太阳能电池板的一些组件是很容易回收的，比如铝框。其他的则需要一些工作。 当然，从环保角度来看，理论上来说太阳能肯定比化石燃料领先很多。但是在近年来关于太阳能电池板和偏远地区铅蓄电池回收问题已经在全球范围内广受关注。这并不意味着我们要放弃太阳能，而是以提高长期的可持续性为目标进行改进，比如通过将旧的太阳能板转变为新的来形成材料循环闭环。
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  • 《研究认为太阳能+储能项目具有成本效益》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2020-02-03
    • 美国市场研究机构落基山研究所（RMI）的分析师Ryan Shea和Madeline Tyson日前对商业客户在支付需求费用和使用时间费率需要考虑投资太阳能+储能项目的原因进行了阐述，而这些是微电网中常用的技术。 　　落基山研究所（RMI）最近发布的一份调查报告表明，目前的电池储能系统成本不到10年前的五分之一。这使得电池储能系统在更加广泛的部署中变得经济高效，例如平衡电网、减少客户需求高峰，以及提供备用电源。特别是，对于那些高需求费用（通常高于每千瓦10～15美元）或使用时间费率（TOU）的大型商业和工业用户，而部署的用户侧太阳能+储能系统通常可以节省电力成本。 　　落基山研究所（RMI）的分析表明，这些投资在美国亚利桑那州、北卡罗来纳州、俄亥俄州和南卡罗莱纳州等地的投资回收期不到8年，这仅仅是基于减少高峰需求和改变使用时间费率（TOU）。用户侧电池储能系统也可以提供其他服务，但没有对这些数值进行建模。 　　不仅仅是节省电力账单 　　尽管太阳能+储能项目在诸如加利福尼亚州和纽约州这些提供激励措施的州获得了一些市场份额，但目前在其他地区也获得竞争力。为了评估其成本效益，落基山研究所（RMI）为典型的商业客户建模了最佳电池储能系统容量，并与装机容量为50～200kW太阳能发电系统配套使用，其典型峰值每月平均负载约为300kW，年发电量为900MWh，折合为每年约15万美元。 　　落基山研究所（RMI）在美国四个地点运行其研究模型，其中包括北卡罗来纳州新伯尔尼、俄亥俄州皮奎市、亚利桑那州布尔黑德市，以及南卡罗来纳州查尔斯顿，这些项目基于地域多样性，既没有明显的政治支持，也没有对太阳能+储能项目部署的阻碍，而且通常没有很高的需求量。落基山研究所（RMI）使用了美国国家可再生能源实验室（NREL）的REopt Lite在线工具来量化太阳能+储能项目为客户节省的成本。还研究了但未量化其他社会价值，例如弹性和减少碳排放量。 　　北卡罗来纳州新伯尔尼 　　北卡罗来纳州的太阳能发电人均装机量居美国第四位，商业电价名列第五，太阳能发电资源在平均水平，可再生能源投资组合标准（RPS）相对薄弱，该标准要求公用事业部门提供12.5%的能源。公用事业公司的12.5%的电能来自可再生能源。 　　在像新伯尔尼这样的城市中，商业需求收费高（高于25美元/千瓦），加上使用时间费率（TOU）结构，太阳能+储能项目可能是一项非常诱人的经济投资。其简单的投资回报期只有六年，甚至比独立部署的太阳能发电设施的回报期还少。对于北卡罗来纳州一个典型的中型商业客户来说，每年将节省15.5万美元。 　　太阳能+储能项目的投资还可以帮助北卡罗来纳州新伯尔尼市适应和应对气候变化。自1950年以来，新伯尔尼市遭受了24次飓风和严重风暴，其中近一半风暴发生在过去10年。而在未来发生的灾难中，具有弹性的太阳能+储能系统可以提供备用电源。 　　此外，由公用事业公司控制和调度的太阳能+储能系统也可以取代计划建设的峰值天然气发电厂，特别是作为“清洁能源组合”的一部分，该组合还包括能源效率和需求侧的灵活性措施。因此，太阳能+储能项目可以取代北卡罗来纳州在未来五年计划建设的422MW天然气发电厂中的一部分，并帮助纳税人避免因搁浅的成本而带来的相关风险。 　　俄亥俄州皮奎市 　　俄亥俄州的人均太阳能装机容量在美国排名最低，太阳能发电资源低于平均水平，电力相对便宜，其政策并不友好，例如俄亥俄州议会将2026年本来就很低的可再生能源投资组合标准（RPS ）降低至12.5%。部署电池储能系统可以在推动太阳能产业的发展方面发挥重要作用，因为它可以提高太阳能的成本效益。 　　在皮奎市，商业需求收费很高（每千瓦16美元），与典型的独立部署的太阳能发电设施的14年投资回收期相比，对太阳能+储能项目的投资可以在不到8年的时间内收回投资。对于俄亥俄州的典型中型商业客户来说，每年将节省10.5万美元。 　　与北卡罗来纳州一样，太阳能+储能项目投资也代表着一个重大的减排机会。俄亥俄州在计划的天然气发电量方面仅次于宾夕法尼亚州和德克萨斯州，预计未来5年将新增2250MW的发电量。展示太阳能+储能项目的成本效益，可能在将投资从新的天然气发电厂转移到清洁能源投资组合中发挥重要作用。 　　此外，在电力中断期间，关键设施使用的太阳能+储能项目可以作为一种弹性资源。皮奎镇自1950年以来经历了12次自然灾难，其中包括2019年5月袭击小镇南部的EF4龙卷风。这导致5万多居民遭遇停电。 　　亚利桑那州布尔黑德市 　　尽管亚利桑那州在净计量方面经历了一些激烈的市场竞争，到2025年，该州可再生能源投资组合标准（RPS）相当低，只有15%，但在太阳能人均装机容量方面，它与加利福尼亚州和内华达州几乎不相上下。这在很大程度上是由于该州拥有美国最好的太阳能资源。 　　电池储能系统的部署也正在迅速变得经济，特别是对于像布尔黑德市这样的城市中的居民来说，其商业需求收费高（每千瓦15美元）加上使用时间费率（TOU）结构。对于这些客户来说，太阳能+储能系统将在不到7年的时间内收回投资。对于亚利桑那州的典型中型商业客户来说，每年将节省12万美元的电费。 　　亚利桑那州已准备好成为美国储能领域的领导者。其公用事业监管机构亚利桑那公司委员会最近暂停了天然气发电厂的建设，强调了电池储能系统在平衡电网与大量可再生能源之间的重要性。 　　气候变化也是亚利桑那州积极部署可再生能源的一个关键因素，亚利桑那州最近经历了森林火灾和高温干旱。自1950年以来，布尔黑德市就经历了13次严重的自然灾难，其中包括2013年和2015年发生的森林火灾。与其他城市一样，人们感受到了气候变化的不良影响，而部署具有弹性的太阳能+存储系统可以减轻电网中断带来的一些影响。 　　南卡罗来纳州查尔斯顿 　　尽管南卡罗来纳州比北卡罗来纳州拥有更好的太阳能资源和更高的电价，但不友好的太阳能政策导致该州的人均太阳能装机量不到北卡罗来纳州的三分之一。这包括到2021年不到2%的可再生能源投资组合标准（RPS），以及南卡罗来纳州公共服务委员会为太阳能发电项目设定了异常低的费率。 　　尽管受到监管机构的不利影响，但在查尔斯顿这样的城市，太阳能+储能系统可以在不到7年的时间内收回投资，这要受到海岸电力合作社的高需求费用（大于16美元/千瓦）和使用时间费率（TOU）结构的限制。对于南卡罗来纳州的典型中型商业客户来说，每年节省的电费为15万美元。 　　与北卡罗来纳州的新伯尔尼市类似，自1950年以来，查尔斯顿经历了17次飓风和强风暴造成的灾难，包括最近6年中的12起风暴。具有弹性的太阳能+储能系统可以帮助查尔斯顿应对这些日益频繁的自然灾害的影响。而且，随着该州核电发电的持续衰退，耗资数十亿美元的太阳能+储能项目将成为南卡罗来纳州更分散、更清洁、成本更低的电力系统的关键部分。 　　是认真对待储能部署的时候了 　　如今说电池储能系统成本昂贵已经没有任何意义。对于那些没有正确评估诸多好处的地方，特别是那些商业需求费用或使用时间费率（TOU）较高的地方，太阳能+储能项目可能是一个被错过的重大投资机会。 　　各个城市可以通过制定电池储能系统的目标、政策、选址和安全指南，在帮助建立行业方面发挥独特的作用。纽约市开发了有用的工具，并迈出了重要的第一步，而其他城市可以使用这些工具来开发这些地区的最佳实践。 　　除城市之外，企业和能源客户还应带头评估其住宅太阳能+储能项目，以评估直接节省的电费账单以及他们适应和减轻气候变化影响的能力。总而言之，这些客户的购买力有助于显著推动电池储能系统的部署，并成为向更加清洁电网转型的重要推动力。
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