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閱讀：183發布時間：2024-5-20
本文關于儲能系統(ESS)。鳴謝 自主研制NTC芯片的特普生儲能CCS集成溫度采集母排，對本文的大力支持，感謝特普生海外技術翻譯官林博女士！
能量存儲系統 (ESS)是用于存儲能量并提供能量以供以后使用的一個或一組設備。電池、化學、電化學機械和熱能是一些常用的儲能系統，可滿足日常能源需求。
能源存儲系統可以更輕松地在需要的地方和時間存儲和輸送能源，從而創建更具彈性的能源基礎設施，并為消費者和公用事業公司節省成本。此外，這些通過快速響應電源波動來確保系統的可靠性和穩定性。
除了能源成本不斷上升之外，可再生能源供應的變化和電力需求的激增也給電網帶來了挑戰，這要求我們的能源結構具有更大的靈活性，以使所有人都能獲得和負擔得起清潔能源
通過當前和新興的儲能技術，可以通過按下開關來可靠地提供能量。即使在沒有陽光或沒有風的情況下，基于電網的儲能也可以解決太陽能或風能的間歇性問題，并為住宅、商業和工業應用持續提供清潔能源。
儲能系統(ESS)的組件
典型的儲能系統包括兩個主要組件:
電源轉換系統(PCS)處理交流電到直流電和直流電到交流電的轉換(交流電和直流電是電力的類型)，能量流入電池進行充電或從電池中轉換成電能。電池存儲成交流電并饋入電網。
電池管理系統(BMS)負責電池充電、平衡和運行狀況監控，以及提供系統控制和通信的微控制器.
在快速發展的電力行業中，越來越多的公司選擇可再生能源來滿足不同的需求，例如：離網發電、提高可持續性、提高能源效率、管理風險、減少排放、減少能源消耗、節省費用。
然而，太陽能和風能等可再生能源會受到天氣變化的影響。ESS 系統可以通過存儲能量供以后使用來補充和減輕大陽能或風能的間歇性。例如，當太陽能電池板因云層或下雨而受到影響時，ESS技術有助于維持可靠的電源并在需要時利用儲存的能量。
此外，儲能有助于包括微電網在內的電網更加經濟有效地運行，因為系統以平均負載而不是峰值負載運行。ESS 技術每年還可以節省大量成本。根據倫敦帝國理工學院能源未來實驗室的估計，"到2050 年，儲能技術每年可為英國省 100 億英鎊。
隨著儲能行業不斷發展、適應和創新，以應對不斷變化的能源需求，讓我們看看儲能系統激增的主要驅動因素：越來越多的電網穩定ESS項目、能源密集型產業(例如數據中心) 的增長、對不間斷電源的需求不斷增加、太陽能+儲能在住宅市場越來越受歡迎、風能和太陽能光伏發電技術的興起、時移。
電表前(FTM) 和電表后(BTM)
能源存儲即服務(ESaaS) 的日益普及使能源存儲公司能夠為商業和工業(C&I)用戶提供可靠的電力并節省潛在的成本。
電表前 (FTM)和電表后 (BTM) 是儲能領域常用的術語。
儀表前端：
公用事業公司利用儲能來緩解老化電網基礎設施和發電廠的擁堵情況。能源存儲使公用事業公司能夠平衡電網負載并延長基礎設施壽命，同時邁向分布式能源的未來。
電表后存儲系統：
BTMS 系統直接向建筑物和家庭供電，有助于限度地減少電網影響、集成電動汽車充電等。
儲能系統的好處
儲能系統具有明顯的優勢--從積極管理電力供需之間的不匹配到增強電網的彈性。EsS 的好處包括但不限于以下內容:
確保關鍵服務的可靠性、提高設施靈活性、提高相互依賴的網絡彈性、滿足高峰需求期間的負載、準備電動汽車充電的電網 (快速）、服務偏遠社區。近年來，人們更加關注固定存儲等能源存儲解決方案，以提高電網可靠性、彈性和需求管理。
儲能系統的風險
儲能系統確實會帶來一些風,險，例如：電氣火災、過熱、短路、熱失控。例如，鉀離子電池將易燃電解質與高能材料結合在一起，如果隔損壞，可能會導致火災危險。因此，必須建立一個集成的消防系統，以便對鉀離子電池儲能系統進行早期、可靠的火災檢測。
此外，基于電網的鉀電池的廣泛采用確實存在與成本、有限的使用壽命和安全性相關的某些挑戰。如果沒有關干儲能系統部署和維護的規劃、風險評估、性能評估和安全考慮的適當指南，ESS 技術路線圖是不完整的。此外，經濟和技術因素使得 ESS 部署的商業可行性面臨挑戰。因此，ESS 技術在范圍內外于不同的采用階段。
根據能量存儲的形式(存儲原理)儲能技術通常分為五類，包括：化學儲能、氨、氫、甲醇、合成天然氣、合成燃料。
化學儲能利用電力生產化學物質，可用作發電、運輸或熱負荷支持的燃料。化學諸能包括氫和其他由多種國內能源(例如化石能源、核能和可再生能源)生產的富氫化學能源載體，用于各種儲能應用，包括：重型車輛、電轉氣、電力轉液體、鋼鐵制造。
氫氣可以以氣體形式儲存在高壓罐或大型地下洞穴中(壓縮氣態H2)，以液體形式儲存在低溫罐中(低溫液態H2)或者以液體或固體氫化物 (例如氨和鎂) 的形式儲存。
電容器、超級電容器、超導磁儲能 (SMES)
超級電容器也稱為“電化學雙層電容器"或“超級電容器"，是使用電化學雙層電荷來存儲能量的高功率、低能耗設備。超級電容器具有可擴展性，由于不存在化學反應，因此可以承受大量循環(最多 100,000 次)。SMES系統將電流存儲為電流流過超導線圈(冷卻至臨界溫度點以下) 產生的磁場，并通過線圈放電來釋放能量。該儲能系統能夠瞬時放電，并具有易于維護電磁場的額外優點。
電化學儲能/電池儲能系統 (BESS)
從1800 年 Alessandro Volta 發明塊電池開始，電池已經演變為多種形式。有多種可充電電池可滿足特定的功率和持續時間要求。
可充電電池
液流電池 (變體包括釩氧化還原電池、ZnBr (鋅澳) )、鉛酸蓄電池及鉛酸蓄電池 (雙極鉛酸、鉛炭)、離子電池 (包括 LCO、LFP、LMO、LTO、NCA和 NMC)、鈉離子電池、鈉硫電池、固態電池。
ESS電池的概念是通過一個或多個電化學電池中的可逆電化學反應來儲存能量，并將儲存的能量轉化為電能。電池單元是單體設備，而電池模塊是指并聯或串聯的電池單元，電池組由一系列單獨的模塊和組織在一起的保護系統組成,傳統的電池系統由深循環鉛酸電池組成。然而，輕質、高效、可擴展的鯉離子電池近年來開始占據主導地位，并開始泛用于各種應用，包括、電動汽車和智能電網中的固定儲能。
此外，鉀離子電池適用于規模較小、可存儲數兆瓦時(MWh) 的大型系統，并且可以支持整個電網。例如，公用事業規模的 100 Mwh 系統可以安裝在不到 0.5 英畝的十地上。
液流電池是通過氧化還原反應利用液體電解質循環充電和放電發電的技術。其設計可回收，使用壽命長，提供經濟、可靠的電力。ESS Inc.是長期儲能解決方案的供應商，專注于鐵液流電池技術，利用鐵、鹽和水提供環境安全的儲能解決方案。ESS的能源倉庫是一種環保、長壽命、無限循環的電池，適合傳統可再生能源和公用事業項目。
電池儲能系統應用
電池儲能系統可以通過可再生能源 (如太陽能或風能) 產生的電力進行充電。太陽能存儲電池可幫助企業和家庭變得更加能源獨立，同時確保在長期電力供應中斷期間可靠的電力供應
BESS 用途廣泛，能源容量靈活。能源安全、自給自足和緊急情況下的電池備用電源是家庭電池存儲系統/電池儲能解決方案的主要驅動因素。
家庭儲能系統存儲產生的熱量或電力，以便在需要時使用能源，并減少對電網的依賴。例如：Tesla Powerwall Plus 是一款一體化太陽能存儲系統，具有令人印象深刻的存儲容量、集成電池逆變器充電器和的液體熱管理系統。
許多商業和工業企業還安裝 BESS 來按需提供能源、提供備用應急電源、管理電網頻率波動、減少有害排放等例如，的公用事業NextEra Energy在美國各州擁有1,323兆瓦的大型電池存儲項目，其中大多數項目是四小時BESS項目。
此外，一些 BESS 設計用于安裝在公用事業和商業客戶的運輸集裝箱內。這些系統獨立且節能，除了冷卻和操作軟件之外還配有安全和安保系統。
機械儲能系統存儲運動產生的能量。示例包括：絕熱壓縮空氣儲能 (ACAES)、壓縮空氣儲能 (CAES)、無火機車、飛輪儲能 (FES)、抽水蓄能 (PHES) /抽水蓄能 (PHS)。
壓縮空氣能量儲存吸入空氣并在一系列大型地下房間/洞穴中形成高壓系統。當電力需求激增或風速減慢時，壓縮空氣(通常與一些天然氣混合) 被釋放到發電機或動力渦輪機。
飛輪將電網能量存儲在快速旋轉的機械轉子中，并吸收并通常在短時間內釋放高功率。磁場將車輪保持在無摩擦的真空中，以防止能量損失。此外，當需要電力發電時，旋轉速度會減慢。飛輪儲能系統平衡電力供需波動，從電動列車中回收制動能量，或在停電期間提供短期電力。與其他儲能系統相比，這些系統對環境影響小、維護成本低且使用壽命長。
抽水式水力發電設施基于重力概念，涉及渦輪機利用多余電力將水(在非高峰時段)抽送到高架水庫。在用電高峰期，上水庫儲存的水可以流到下水庫，通過渦輪機發電。
據美國能源部稱，大型儲能項目使用抽水蓄能發電，占美國電網存儲量的 95% 左右。然而，由于開發時間長和大型水基基礎設施的許可影響等因素，使得建造新的抽水蓄能電站面臨挑戰。
熱能儲存
磚儲式加熱器、冰蓄冷空調、液態空氣儲能 (LAES)、熔鹽儲能 (MSES)、相變材料、太陽能池、蒸汽蓄能器。
熱能存儲系統使用多余的能量來捕獲熱量和冷量(加熱熔鹽、凍結水等)，然后根據需要釋放能量.例如，熔鹽儲存太陽能產生的熱量，以便在沒有陽光時使用。另一個例子是建筑物中的冰蓄冷，可以減少對壓縮機的票求，同時提供長時間的空調。
LAES使用多余的電網電力來冷卻環境空氣并將其轉化為液體。隨后，通過暴露于環境空氣或利用廢熱，液體被轉化回氣體，膨脹的氣體用于驅動渦輪機發電。
相變材料用于儲存多余電力或熱量的熱電池。相變材料PCM)在相變時吸收或釋放足夠的能量以提供冷卻或熱量。例如，當材料從固態轉變為液態時儲存熱量，并再次轉變為固態并釋放熱量以提供熱水等。
存儲技術示例概述
儲能系統的使用跨越汽車、發電和公用事業等行業。見的儲能應用包括:
黑啟動：當停電后無法從電網獲取能源時，儲能有助于恢復發電廠、變電站或系統。
緊急備用：分布式發電(DG)是指從使用點附近的來源(例如可再生能源)發電。另一方面，集中式發電由發電廠的電源組成。在電網故障期間，儲能和本地發電機可提供多種規模的備用電力--從住宅客戶的日常備用電源到工業運營的秒級電能質量維護。
能源套利：可以使用電池作為中間存儲來套利電價 (低買高賣)
負載均衡：在輕負載期間存儲電力，并在高需求期間提供電力
網絡穩定：儲能在補償電力異常和干擾(包括次同步諧振、電壓不穩定和電壓暫降)時可提高輸配電(T&D)系統性能。
調峰： 該過程主動管理總體需求并消除商業和工業用電消費者的用電高峰。大多數電力存儲系統允許消費者在線跟蹤能源使用情況，并減少在高峰需求期間對更昂貴電力的依賴。可再生能源集成：由于太陽能發電的遮擋和風速變化，儲能對于緩解可再生能源發電輸出的快速變化至關重要。需求響應和存儲通過更好地調整可變可再生能源供應與電力需求模式來增強電力系統的靈活性。
季節性熱能儲存(SeTES)：在 SeTES 系統中，能量在夏季或冬季等季節性條件下儲存數天、數周或數月。根據負載需求，存儲的能量在其他季節條件下釋放
時移：時移涉及在低價時段儲存能量并在高價時段放電。它還通過在一天中用電高峰時的某些時間利用儲存的能源來通免高額電費
電壓調節：將輸配電系統的電壓保持在可接受的范圍內，確保電網中的電流持續可靠。隨著許多國家致力于通過減少對化石燃料的依賴來減少二氧化碳排放和生產綠色能源，儲能系統正在以各種方式支持能源轉型。例如，儲存可再生能源或間歇性發電源(IGS) 產生的剩余能源并可供使用，可以減少碳足跡并促進清潔發電。
未來幾年，有必要全面采用儲能和智能電網來滿足更高的電力需求。能源生產和分配不再局限于--家庭和社區的小型可再生能源和儲能系統確保了對其自身電力生產以及價格和供應安全的控制。
儲存能源可以減少能源需求和生產之間的不平衡，儲能系統增強電網彈性，并有助于管理電力供需不匹配。其他重要的儲能應用包括備用電源、停電管理和電能質量管理。在太陽能和風電場高度集中的地方，長期儲能已成為必需品。
電力系統的分散化、可再生能源發電的增長、ESS 技術的改進、市場吸引力、近期投資以及部署成本的降低正在加速儲能系統的更大市場采用。政府和公用事業公司以及其他組織也在提高清潔、安全和持久能源的目標。例如，商業模式和用例推廣正在促進 ESS 在新加坡等國家的部署，其中EMA(能源市場管理局)啟動了 ACCESS 計劃(加速新加坡能源存儲)。另一個例子是美國清潔能源協會(前身為能源存儲協會)，該協會"聯合風能、太陽能、存儲和輸電公司及其相關行業的力量，使美國電網轉型為低成本、可靠和可再生能源"。
從轉移高峰負荷到通過監管和儲備向市場提供輔助服務，ESS 部署具有成本效益，并提供廣泛的好處，同時承諾更可持續和更清潔的能源未來。
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