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为能源转换提供更好的存储

麻省理工学院和普林斯顿大学的研究人员评估了长期能源技术在确保无碳电网方面的作用和价值

勒达齐默尔曼 · 2021年3月29日 · 想要

“对我来说,最重要的问题是如何以最实惠的方式使社会脱碳,”他说内斯托尔·赛SM ' 16, PhD ' 20。作为麻省理工学院的博士后助理和麻省理工学院能源倡议(MITEI)的研究员,他与一个团队合作了数年,研究什么样的能源组合可以58必威苹果最好地实现这一目标。该小组最初的研究表明,“需要开发比锂离子电池更经济有效地使用更长的时间的能源存储技术,”说Dharik Mallapragada他是MITEI的一名研究科学家。

在一篇发表于自然能源,Sepulveda、Mallapragada及其来自麻省理工学院和普林斯顿大学的同事对长周期能源存储(LDES)技术在能源系统转化中的作用进行了全面的成本和性能评估。LDES这个术语涵盖了一系列不同的新兴技术,它可以对可再生能源的可变输出做出响应,在几天甚至几周内释放电子,为准备大规模部署太阳能和风能的电网提供弹性。

“如果我们想要完全依赖风能和太阳能发电——这是减少碳排放最经济的方式——我们就必须应对它们的间歇性,”他说杰西·詹金斯SM ' 14,博士' 18,机械和航空航天工程助理教授和能源和环境中心在普林斯顿大学前日本通产省研究员

在他们的论文中,研究人员分析了LDES与可再生能源和短期能源存储选项(如锂离子电池)是否真的能够为大规模且经济有效的向脱碳电网过渡提供动力。他们还调查了LDES是否甚至可以消除对可用的按需或固定的低碳能源的需求,如具有碳捕获和封存功能的核能和天然气。

“这里的信息是,创新和低成本的LDES技术可能产生巨大的影响,使深度脱碳的电力系统更可负担和可靠,”主要作者塞普尔韦达说,他现在是麦肯锡公司的一名顾问。但是,他指出,“在我们的选择中保留坚定的低碳能源仍然会更好。”

除了Jenkins和Mallapragada,该论文的合著者包括Aurora Edington SM ' 19,该研究时的MITEI研究助理,现在是Cadmus Group的顾问;和理查德·k·莱斯特他是麻省理工学院(MIT)的副教务长和日本钢铁工业教授,曾任核科学与工程系主任。

莱斯特说:“随着世界开始更加认真地关注如何在未来几十年实现深度脱碳目标,这些系统级研究的见解是至关重要的。”“研究人员、创新者、投资者和政策制定者都将受益于这项工作提出的成本和技术性能目标的知识。”

性能和成本

该团队开始评估LDES解决方案对现实环境的影响,在现实环境中,技术不仅要通过它们的独立属性,还要通过它们与其他能源相匹配时的相对价值进行审查。

Sepulveda说:“我们需要以社会负担得起的成本去碳化,我们想知道LDES是否能增加我们成功的可能性,同时也能降低整个系统的成本,考虑到该领域的其他技术竞争。”

为了实现这一目标,该团队部署了一个电力系统容量扩张模型,GenX这是Jenkins和Sepulveda在麻省理工学院时开发的。这一模拟工具使得评估利用LDES技术的潜在系统影响成为可能,包括目前正在开发的技术和其他可能开发的技术,针对不同的未来低碳电网的特点是成本和可再生发电的性能属性,不同类型的企业发电,以及替代电力需求预测。Jenkins说,这项研究是“首次广泛使用这种应用大范围参数不确定性和长期系统级分析的实验性方法,以评估和确定有关新兴长期能源存储技术的成本和性能的目标目标。”

在他们的研究中,研究人员调查了一系列长期持续的技术——其中一些得到了美国能源部高级研究计划局能源(ARPA-E)项目的支持——以确定未来LDES系统的合理成本和性能属性,这五个关键参数包括一系列机械、化学、电化学方法和热方法。其中包括抽水蓄能、钒氧化还原流电池、含水硫流电池和耐火砖加热蓄热等。

詹金斯解释说:“想象一个浴缸,其能量存储能力的参数类似于浴缸的体积。”继续类推,另一个重要的参数,充电功率容量,是装满浴缸的水龙头的大小,而排泄功率容量,是排水管的大小。在LDES技术的最一般化版本中,系统的每个属性都可以独立确定大小。Jenkins说,在优化能源系统的过程中,LDES技术起到了“低成本、无碳电网的经济吸引力”的作用,研究人员发现,最重要的参数是能源存储容量成本。

“为了全面评估LDES技术设计及其对脱碳电网的经济价值,我们评估了近18000个不同的案例,”Edington解释说,“涵盖负载和可再生资源可用性的变化、北纬和南纬的气候、LDES技术和LDES设计参数的不同组合,以及竞争企业低碳发电资源的选择。”

研究人员通过严谨的分析得出了一些关键结论:

可行的见解

虽然在核聚变能源、下一代核能或碳捕获方面的突破可以很好地改变他们的模型,研究人员相信他们的研究见解可以立即产生影响。

“必威足球在LDES工作的人可以看到他们的技术在未来的电力混合中适合的地方,并问:

从系统的角度来看,它有经济意义吗?”Mallapragada说。“它呼吁在政策和创新投资方面采取行动,因为我们展示了哪里存在技术差距,以及我们在LDES技术开发方面看到的研究突破的最大价值。”

并不是所有的LDES技术都能在这个设计领域突破障碍,也不能将LDES作为短期内迅速发展风能和太阳能的唯一手段,或在2050年实现向零碳经济的完全过渡。

“我们展示了LDES技术的前景,”Sepulveda说。“但我们也表明,这些技术不是一个解决方案,我们仍然更好地与他们补充公司资源。”

Jenkins立即发现了LDES的利基市场机会,比如有大量风能和太阳能的地方,以及出口电力的传输限制。在这些地方,当传输达到极限时,存储可能会被填满,然后输出电力,同时最大限度地利用输电线路的容量。但他认为,LDES技术必须在本世纪30年代末和40年代产生重大影响,到那时,经济可能需要完全摆脱对天然气的依赖,才能成功实现脱碳。

他说:“这十年,我们必须开发和部署LDES,并改进其他低碳技术,这样我们才能为政策制定者和电力系统运营商提供真正的替代方案。”

鉴于这一迫切需求,普林斯顿大学的Jenkins和麻省理工学院的Mallapragada目前正在评估和推进储存和能源领域最有潜力的技术,以加速实现零碳目标。在ARPA-E和MITEI的帮助下,他们正在把最先进的GenX电力系统规划模型也变成供公众使用的开源工具。Sepulveda说,如果他们的研究和建模方法能够向开发者和政策制定者展示哪种设计最具影响力,“如果我们做对了,我们就可以拥有一个比现在的系统更便宜的脱碳系统。”

这项研究得到了美国国家科学基金会和日本通产省的资助电力系统低碳能源中心

配电与储能 低碳能源中心
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记者调查:miteimedia@mit.edu