在蘇聯(lián)解體的那一年，烏薩馬·本·拉登創(chuàng)立了基地組織，堪培拉新的國會大廈開幕，而受到稱贊的美國物理學家理查德·費曼死了。Home and Away的第一集出現(xiàn)在我們的電視屏幕上，而在電影院里，Rain Man則與Who Framed Roger Rabbit和Crocodile Dundee II一起戰(zhàn)斗。

雖然它沒有這么高的識別因素，但1988年也是澳大利亞化學工程教授Maria Skyllas-Kazacos獲得美國專利，發(fā)明了釩氧化還原電池或VRB。

VRB非常重要。與當時的傳統(tǒng)鉛酸電池或當今的鋰離子電池不同，它們分別存儲和轉(zhuǎn)換能量。他們在兩個裝有電解液的大型儲罐中儲存電能作為化學能，電解液與電化學電池相連。

這允許存儲的電量和放電的功率被獨立處理。它們可以長時間不使用而不會斷電; 電解液永遠不會起火，這與今天智能手機中更具氣勢的鋰離子電池不同。

然而，VRB并不像筆記本電腦那樣緊湊，這實際上是他們的力量。它們非常適合大規(guī)模儲存：囤積風電場產(chǎn)生的能量，或為整個城市儲存能源。如果你想要更多的存儲空間，你只需要制造更大的存儲容器 - 電池的容量似乎沒有限制。

更好的是，它們越大，每千瓦/小時儲存的能量就越少，與其他電池不同，它們可以通過泵入新鮮電解液來加油。一旦重新填充，它們響應(yīng)非常迅速，在幾分之一秒內(nèi)從存儲切換到放電，效率水平為80%。

Skyllas-Kazacos的發(fā)明應(yīng)該改變世界，但事實并非如此。為什么?像過去30年中許多最有趣的儲能技術(shù)一樣，它在很大程度上被忽視了，因為世界仍然停留在19世紀的電力思維方式中。

幸運的是，現(xiàn)在正在發(fā)生變化。對于今天世界依賴的過時，過于復雜和相當脆弱的電力系統(tǒng)，最終正在進行一場革命。

但要理解為什么像VRB這樣的存儲技術(shù)現(xiàn)在才開始流行，你首先需要了解我們?nèi)绾蜗萑脒@種邪惡的混亂局面。

我們每天都依賴存儲：存儲在書本中的知識，存儲在圖片中的記憶以及存儲的金錢價值。但是當涉及到能源時，我們又回到了石器時代，生活在一起。

自從托馬斯·愛迪生在紐約曼哈頓下城的珍珠和富爾頓街道的拐角處建造了第一座發(fā)電站，距離布魯克林大橋三個街區(qū)，在1882年，電力生產(chǎn)方式相同：實時，即時使用。

在珍珠街257號地下鋪設(shè)了超過24公里的絕緣銅線，并安裝了6臺重型燃煤發(fā)電機 - 每臺重達30噸 - 為第一區(qū)服務(wù)，占地65萬平方米，其中包括舊紐約時代建設(shè)。在一年之內(nèi)，愛迪生的59個客戶已經(jīng)增長到472，發(fā)電業(yè)務(wù)開始起飛。

珍珠街站也是世界上第一個電網(wǎng)，隨后的每個電網(wǎng)都采用相同的基本設(shè)計：集中發(fā)電廠通過高壓輸電線路網(wǎng)絡(luò)分配能源，配有相關(guān)變壓器，地下電纜或電線桿和電線。為確保電源始終處于開啟狀態(tài)，電力不斷產(chǎn)生，以滿足瞬間的需求。

發(fā)電機如何準確知道需要多少?他們沒有，因為工廠和家庭沒有提前通知他們計劃使用多少。因此，發(fā)電站估計需求，然后產(chǎn)生更多，以確保有足夠的凈空來迎合突然增加。

平衡供需充滿了危險：生產(chǎn)太少，整個網(wǎng)絡(luò)都會崩潰，隨之而來的是停電; 產(chǎn)生太多，產(chǎn)生的能量超過需要，因此浪費了。簡而言之，這是集中式發(fā)電廠面臨的挑戰(zhàn) - 隨著電網(wǎng)的擴展，這種發(fā)電廠變得越來越難。

聽起來可能是搖搖欲墜，但這仍然是21世紀的電力系統(tǒng)。當然，電網(wǎng)運營商現(xiàn)在擁有先進的模型來預(yù)測使用情況，并不斷調(diào)整發(fā)電廠的輸出以滿足需求; 他們開發(fā)了復雜的系統(tǒng)，實時跨越電網(wǎng)分流電力，以平衡供應(yīng)和使用; 并且通過對可用發(fā)電機進行排序來最小化浪費和成本，根據(jù)這些發(fā)電機可以最快地以最低成本滿足需求，逐步提高成本規(guī)模直到滿足需求。盡管如此，該系統(tǒng)仍然充滿了不確定性，并且每年可以在故障的邊緣多次搖擺不定。

2017年，澳大利亞首席科學家艾倫芬克爾告訴堪培拉國家新聞俱樂部，他對澳大利亞國家電網(wǎng)5000公里長的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)感到敬畏，稱其為世界上最復雜的機器之一。和“一個驚人的工程壯舉”。

但是，他承認，“它是為不同的世界而設(shè)計的” - 一個電力從一個方向流向中心的世界，從集中式發(fā)電機到遙遠的用戶，并且需求可預(yù)測地上升和下降。“那些日子在這里和世界各地都不可逆轉(zhuǎn)地消失了，”他補充說。

他是對的。雖然在澳大利亞(以及其他任何地方)推動電網(wǎng)的復雜工程可能令人印象深刻，但它基于一個已經(jīng)過時的概念 - 并且在1998年完成電網(wǎng)時被技術(shù)變革所取代。

破壞來自多個角度：越來越多地使用可再生能源，如風能和太陽能，與電網(wǎng)連接，增加間歇性; 太陽能電池板的價格迅速下跌，這引發(fā)了太陽能屋頂裝置的繁榮，并使太陽能電池庫變得可行; 以及對筆記本電腦的貪婪需求，加速了鋰離子等高能耗電池的開發(fā)(并降低了成本)，最終形成了大規(guī)模存儲的二級市場。

與此同時，工業(yè)和家庭中的計算機和高科技電子產(chǎn)品正在改變能源的使用方式，分拆幾十年來一直使用的整潔和可預(yù)測的模式。

這些影響剛剛開始于1998年。二十年后，中斷是如此巨大，電網(wǎng)遇到了麻煩。

2018年，澳大利亞住宅的屋頂太陽能發(fā)電機數(shù)量超過了200萬臺，而十年前只有2萬臺。現(xiàn)在，平均每分鐘有六個新的家用太陽能裝置。

目前，澳大利亞的電力總量為8900千兆瓦時(GWh)來自太陽能屋頂 - 超過新南威爾士州Muswellbrook附近的Liddell電站產(chǎn)生的8000 GWh，該電站曾是該國最大的發(fā)電站。大型太陽能發(fā)電場再生產(chǎn)766吉瓦時的電能(1998年為零)，風力發(fā)電機產(chǎn)生12,668吉瓦時，而二十年前僅為8天。

那是件好事，對吧?是的 - 沒有。國家電網(wǎng)的設(shè)計旨在滿足大型水力發(fā)電，煤電和燃氣發(fā)電機的集中供電。它的創(chuàng)建不僅是為了確保電力可以從國家的一方輕松轉(zhuǎn)移到另一方，而且還可以降低價格。如果太多的工廠發(fā)電但使用不夠，價格會下降，鼓勵最昂貴的發(fā)電機從電網(wǎng)中脫落。相反，需求飆升恰恰相反：推高價格并鼓勵更多的發(fā)電機在線，這最終降低了整個電網(wǎng)的價格。

當大煤，大型天然氣和大型水電之間的競爭時，這種方法很有效。但是太陽能和風能成為一種低成本的發(fā)電方式，現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍，以至于他們迫使電網(wǎng)價格走低 - 而且矛盾的是，更高。

當太陽能和風力發(fā)電機投入運行時，它們非常便宜，以至于大規(guī)模的煤和天然氣無法競爭，因此這些生產(chǎn)或停止生產(chǎn)或關(guān)閉。然而，來自可再生能源的電力是間歇性的 - 它可以在幾乎沒有警告的情況下上升和下降，例如當風減弱或云層減少太陽能電池板上的陽光強度時。因此，如果供應(yīng)突然下降，需求保持不變，電網(wǎng)價格會上漲，以鼓勵更多的發(fā)電并避免停電。這讓大型發(fā)電機回歸現(xiàn)金。

問題是，這些煤炭和天然氣巨頭是不靈活的; 他們需要幾個小時到一整天才能從靜止到全力。即使在高溫運行時，它們也不能輕易地或經(jīng)濟地快速地上下調(diào)節(jié)輸出以滿足突然的需求峰值，例如在熱浪期間。

因為所有的發(fā)電機都是用五分鐘的電力供應(yīng)(稱為現(xiàn)貨價格)，所以國家電網(wǎng)的售電價格可能會有很大差異 - 在極少數(shù)情況下，高達14,000美元/兆瓦時，低至零下$ 1000 /兆瓦時。但價格在過去一年中穩(wěn)定下來。例如，2018年南澳大利亞的平均現(xiàn)貨價格約為111美元/兆瓦時，維多利亞州的平均現(xiàn)貨價格為100美元/兆瓦時。

然而，顯而易見的是，儲能是整個社會中缺失的環(huán)節(jié)。它將允許任何技術(shù)產(chǎn)生的電力 - 太陽能，風能，煤能，天然氣 - 在需求低時積累，并在需求增加時放電。

而且它不像沒有使用能量存儲。在全球范圍內(nèi)，有70座水壩，每座水壩的發(fā)電量至少為2000兆瓦，儲水量隨后逐漸釋放，以驅(qū)動渦輪機并發(fā)電。但水電雖然具有可再生性和靈活性，但建設(shè)成本極高(金錢和環(huán)境)，受地理位置和可靠水源的限制。雖然這70座水壩的總能量輸出超過120萬千瓦時，但它們需要超過70,000平方公里的土地才能建造它們。

“想象力極度缺乏，”Skyllas-Kazacos回憶起她在20世紀90年代與行業(yè)巨頭的討論，當時她試圖將她為其雇主新南威爾士大學(UNSW)取得的VRB專利商業(yè)化。 )。“電力部門的人們似乎并不知道那里有什么技術(shù)。但是，不幸的是，每個人都在照顧自己的利益。他們沒有看大局。“

突然，每個人都在眺望大圖。能源儲存正在蓬勃發(fā)展：全球正在建設(shè)超過10個電池“千兆電池”(名稱中的“千兆”來自總生產(chǎn)能力的千兆瓦時)。

德國BMZ在法蘭克福東南部開設(shè)了歐洲最大的鋰離子電池工廠，目前汽車，家庭和電網(wǎng)存儲的年產(chǎn)量為15吉瓦時，預(yù)計將翻番。在瑞典，SGF Energy計劃建造一座年產(chǎn)能為35GWh的工廠，而韓國三星希望在匈牙利生產(chǎn)高達2.5GWh的電池，同胞LG Chem正在波蘭建造一座鋰離子電池工廠。 。

電池成本的下降將推動全球能源存儲系統(tǒng)安裝的蓬勃發(fā)展，”Bloomberg New Energy Finance分析師在其2018年11月的長期儲能展望報告中表示。據(jù)估計，新能源存儲的全球市場將增長6倍，到2030年將達到每年305吉瓦時的增長：“這與太陽能產(chǎn)業(yè)從2000年到2015年經(jīng)歷的顯著擴張類似的軌跡，其中光伏發(fā)電占總發(fā)電量的比例翻了七倍。“

事情就是這樣：這場革命并非源于全球電力行業(yè)的智慧曙光。盡管過去20年來加利福尼亞州和日本有一些著名的先驅(qū)者，但該行業(yè)已基本掌握在其手中。不，是電動車電池的突然需求引發(fā)了它。

特別是，伊隆馬斯克。特斯拉的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官希望通過使它們更便宜，大幅度擴大他的活潑電動汽車的生產(chǎn)。由于2010年車輛成本的一半以上是能量密集的鋰離子電池，因此他專注于這些。特斯拉的成功速度超過了任何人的預(yù)期，2010年至2014年間的生產(chǎn)成本降低了73%：從每千瓦時1000美元(千瓦時)到每千瓦時269美元。

為了削減更多的成本并降低神奇的100千瓦時的“拐點” - 電動汽車比化石燃料更便宜 - 特斯拉需要極大地擴大電池產(chǎn)量。所以，馬斯克下了一個巨大的賭注：他在內(nèi)華達州里諾市外建造了世界上最大的電池廠特斯拉的Gigafactory 1號。

它的設(shè)計目標是在2020年完成時每年生產(chǎn)150 GWh的電池組 - 足以讓特斯拉每年生產(chǎn)150萬輛汽車。但是當工廠在2016年開業(yè)時，特斯拉生產(chǎn)的車輛不到84,000輛。

為了證明工廠最終的50億美元成本合理，并在車輛生產(chǎn)增加的同時產(chǎn)生收入，他的工程師將車輛電池組重新設(shè)計為家用版本，即Powerwalls和公用事業(yè)規(guī)模版本，或Powerpacks。這些產(chǎn)品于2015年開始銷售，到次年，Gigafactory 1的產(chǎn)量也在增加。

因此，當南澳大利亞在2016年底和2017年初三次大停電陷入黑暗時，馬斯克看到了公共關(guān)系政變的開幕，并成功地在100天內(nèi)建造了世界上最大的單電池，或者它是免費的。在阿德萊德以北220公里處的Hornsdale風電場建造了一個129兆瓦時的鋰離子電池站，并于2017年12月投入使用。

幾周之內(nèi)，位于維多利亞州的燃煤Loy Yang發(fā)電廠絆倒并下線，冒著南澳大利亞能源供應(yīng)的風險。但Hornsdale電池立即向國家電網(wǎng)發(fā)出100兆瓦的電量 - 創(chuàng)紀錄的140毫秒時間。實際上，當其他發(fā)電機發(fā)生故障時，霍恩斯代爾電池穩(wěn)定電網(wǎng)的速度，加上它為國家電網(wǎng)帶來的額外競爭，在南澳大利亞政府迄今為止節(jié)省近3300萬美元的過程中發(fā)揮了重要作用。

由于德國，瑞典和韓國的大規(guī)模生產(chǎn)擴張證明特斯拉不是咆哮電池領(lǐng)域的唯一參與者。但它一直是最重要的催化劑：首先，在加速電動汽車的引入，其次，通過證明昂貴的鋰離子電池可以制造更便宜。

當特斯拉在2008年推出第一臺敞篷跑車時，它只是第三家生產(chǎn)全電動汽車的公司(而不是像豐田普銳斯這樣的汽油 - 電動混合動力車)，那一年它只賣了100輛?，F(xiàn)在，有40家制造商，近500萬輛電動汽車正在上路。到2030年，預(yù)計這將達到1.25億，占中國汽車銷量的50%，歐盟，日本和印度的30%。然而，今天超過一半的制造商僅在2014年進入市場 - 同年特斯拉成功地將電池的生產(chǎn)成本減半。

今天，特斯拉的Gigafactory 1每年生產(chǎn)20吉瓦時的鋰離子電池容量 - 幾乎與2012年全球生產(chǎn)的產(chǎn)能一樣多。另一家工廠正在上海建設(shè)，計劃在歐洲建設(shè)第三家。

但鋰離子電池是網(wǎng)格級存儲的最佳技術(shù)嗎?

使鋰電池如此強大的非常重要的原因是它們可能引起火災(zāi)或爆炸。索尼于1991年首次開發(fā)出來，它們每千克的電量是鉛酸電池的五倍，幾乎是鎳鎘電池的三倍。它們可以更快地充電，使用壽命更長，溫度范圍更寬，并且由低毒性成分制成。

他們最大的缺點是安全。位于正極和負極之間的電解液是易燃的，只有薄的塑料膜使兩個電極保持分開。如果過度充電，或者內(nèi)部故障導致短路，可能會發(fā)生“熱失控”并且電池會點燃。為避免這種情況，電池內(nèi)置有斷路器或電流中斷裝置，當電壓達到最大值，電池過熱或內(nèi)部壓力過高時，它會停止充電。但由于制造故障或處理不當，這也可能失敗。這就是為什么在2016年，國際民用航空組織禁止客機上的鋰離子電池出貨。

火災(zāi)可能是毀滅性的。2018年3月，一輛廢棄的鋰離子電池在紐約的一家回收設(shè)施點燃，44輛消防車和198名消防員不得不被召喚來對抗大火。它燃燒了兩天，關(guān)閉了長島鐵路的四個分支幾個小時，因為濃煙吹到了軌道上。

這并不能使帶有鋰離子電池的電動汽車變得危險：畢竟，傳統(tǒng)汽車是由易燃汽油驅(qū)動的，這種燃料可能會爆炸。但隨著電池無處不在，它們的缺點將變得更加明顯。

“鋰離子電池并非基本設(shè)計用于電網(wǎng)規(guī)模存儲，”2億美元硅谷風險投資基金1955 Capital的創(chuàng)始人Andrew Chung告訴可再生能源世界。即使成本持續(xù)下降，并且安全問題也被打折扣，鋰離子電池的壽命仍然有限。“公用事業(yè)和商業(yè)建筑業(yè)主想要的東西將持續(xù)20年并且運作完美，”Chung說。

隨著時間的推移，所有電池都會降級，循環(huán)(充電和充電)的電池效率越低。由于鋰離子電池仍然是新的，并且最近才用于大規(guī)模存儲，因此它們的壽命存在不確定性。美國國家可再生能源實驗室在2017年進行的一項研究發(fā)現(xiàn)，商用鋰離子電池可以使用10年 - 但前提是它們的循環(huán)次數(shù)為其工作范圍的54%。NASA在需要運行八年或更長時間的衛(wèi)星上使用鋰離子電池，同樣延長了它們的壽命，從未完全騎自行車。

盡管如此，Hornsdale電池和世界第二大電池，洛杉磯以外的Mira Loma 80 MWh存儲設(shè)施(均使用特斯拉的Powerpacks)，都證明能夠克服需求的短暫高峰，以及短期頻率調(diào)節(jié)否則會使電網(wǎng)跳閘或?qū)е虏环€(wěn)定問題。

但是當談到電網(wǎng)的所有圓形存儲解決方案時，它的釩電池具有優(yōu)勢。

GIANT VANADUM REDOX FLOW BATTERY正在風景如畫的德國Pfinztal村莊進行試驗，該村莊位于海德堡以南約50公里處。由弗勞恩霍夫化學技術(shù)研究所的工程師建造，可以存儲和釋放20兆瓦時的能量。連接到能夠產(chǎn)生2兆瓦的100米高的風力渦輪機，它被用于測試電池材料，設(shè)計和性能，并模擬VRB操作作為國家電網(wǎng)的一部分。

但與2008年成立的中國榮科電力有限公司相比，它正在建立在北京以東550公里的大連半島上。一個40倍大且能夠存儲800兆瓦時的電池組將于2020年全面上線。

電池組正在榮科新的gigafactory制造，該新千兆在2016年開業(yè)，最終將達到每年3吉瓦時的產(chǎn)能。而大連綜合體只是由中國科學院研究部大連化學物理研究所分拆出來的榮科在中國建造的近30個電池裝置之一。

“在釩液流電池方面，中國在世界上處于領(lǐng)先地位，”榮科的聯(lián)合創(chuàng)始人兼總工程師張華民說。“它們是一個有吸引力的商業(yè)主張，因為它們安全且環(huán)保，使用可回收電解質(zhì)，循環(huán)壽命長，持續(xù)時間超過15年。”

Skyllas-Kazacos于2006年第一次見到張，當時大連化學物理研究所 - 張擔任能源儲存總監(jiān) - 開始對VRB進行調(diào)查。“我們注意到中國對我們的專利以及我們在澳大利亞所做的工作有很多興趣，”她回憶說。“他真的接受了，并從中國政府獲得了大量資金。”

20世紀90年代，新南威爾士大學向各公司許可了VRB技術(shù)，并在日本和加利福尼亞州建立了大型示范項目。但是，2006年該大學的原始專利到期后，對VRB的興趣才真正起飛。

Skyllas-Kazacos在接下來的幾年中收到了一系列國際會議邀請，于2009年在華盛頓州美國能源部太平洋西北國家實驗室擔任杰出講師。在那里，她遇到了Z Gary Yang，當時的負責人能源儲存研究，誰對釩的潛力感到興奮。

楊將團隊的注意力轉(zhuǎn)向VRB，并在未來幾年內(nèi)將能量密度提高了70%，克服了溫度穩(wěn)定性問題并降低了成本。2012年，他和一位同事離開了能源部，成立了UniEnergy Technologies，后者開始開發(fā)原型。該公司擁有60名員工，后來在VRB中安裝了80兆瓦時的商業(yè)容量，并于2016年成為榮科動力的開發(fā)合作伙伴。

它只是六家銷售VRB的美國公司之一，其他公司在英國，日本，澳大利亞和奧地利運營。在德國，工程巨頭蒂森克虜伯(ThyssenKrupp)推出了一種新型VRB設(shè)計，其中包括巨型電池和1兆瓦堆疊，模塊化，可擴展到數(shù)百兆瓦。行業(yè)分析師預(yù)測，到2027年，VRB系統(tǒng)的年需求量將增加到18,000至27,500 MWh，約占能源存儲市場的25%。太平洋首席研究員Vincent Sprenkle表示，“這項技術(shù)在經(jīng)過五年的開發(fā)后，已開始在系統(tǒng)級別實現(xiàn)與鋰離子成本相當?shù)某杀?- 與鋰離子電池生產(chǎn)超過25年相比。”西北國家實驗室于2017年10月在美國參議院聽證會上說。該實驗室仍與UniEnergy合作，

Yang確信釩將在電網(wǎng)規(guī)模存儲中摧毀鋰離子電池。“他們的壽命更長，可以更容易擴大規(guī)模，并且可以日復一日地運作，20年或更長時間內(nèi)沒有顯著的性能損失，”他說。他相信榮科動力的VRB復合體將證明是一個改變游戲規(guī)則的游戲。“這將是世界上最大的電池安裝，而大連工廠只是中國建造的幾個大型VRB裝置之一。在11個國家還有另外30個VRB項目已經(jīng)部署或正在建設(shè)中。“

就她而言，Skyllas-Kazacos很高興看到VRB的興趣重生，這是她第一次開始使用釩的銀灰色金屬超過34年。“多年來，我非常沮喪，非常沮喪。我克服了它，“她說。“現(xiàn)在，我很高興終于來了。我們的工作得到了認可并得到了充分利用。很高興看到釩電池的時間到了。