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儲(chǔ)能系統(tǒng)：電網(wǎng)脫碳的核心組成部分
防止進(jìn)一步氣候變化的最關(guān)鍵解決方案之一是電力部門的脫碳。根據(jù)美國(guó)能源信息署(EIA)發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020年，電力部門產(chǎn)生的碳排放總量約占美國(guó)碳排放總量的32%。通過利用可再生能源（例如風(fēng)能和太陽(yáng)能等），可以在不釋放二氧化碳的情況下生產(chǎn)能源，二氧化碳是引起全球變暖的主要污染物。然而，可再生能源面臨間歇性發(fā)電問題，因?yàn)槠涔?yīng)依賴于不可預(yù)測(cè)且超出人類控制的天氣條件，這與可以隨時(shí)提供更多電力的化石燃料發(fā)電設(shè)施相比存在顯著的差異。有多種解決方案可以解決間歇性問題并確保始終滿足電力需求：例如可以過度建設(shè)可再生能源發(fā)電設(shè)施，以便在日照或風(fēng)力不足時(shí)生產(chǎn)的電力仍能滿足供電需求。然而，這種方法代價(jià)高昂，并且必然出現(xiàn)棄電現(xiàn)象。另一種解決方案是在日照或風(fēng)力不足期間使用數(shù)量有限的可控能源供應(yīng)（例如綠色氫氣和核電等），在理想情況下通常是不產(chǎn)生二氧化碳的清潔能源（例如綠色氫氣、氨氣、生物燃料等）。然而，當(dāng)使用碳中和工藝生產(chǎn)時(shí)，這些新興技術(shù)仍難以達(dá)到可行的成本和性能指標(biāo)。雖然需要采用多種方法，但儲(chǔ)能系統(tǒng)是一個(gè)非常有前景的解決方案，并且提供了廣泛的設(shè)計(jì)選擇空間。
采用儲(chǔ)能的前提是在電力供應(yīng)充足時(shí)將可再生能源提供的電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，例如熱能、電化學(xué)能、機(jī)械能等，可以儲(chǔ)存和釋放以滿足供應(yīng)期間的需求。100多年來，抽水蓄能發(fā)電設(shè)施一直是一種成功且得到充分證明的儲(chǔ)能形式；根據(jù)美國(guó)能源部(DOE)的數(shù)據(jù)，抽水蓄能的儲(chǔ)能容量目前占美國(guó)所有公用事業(yè)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能容量的95%。然而，需要更多的儲(chǔ)能容量來使電網(wǎng)在更大程度上脫碳：根據(jù)美國(guó)能源信息署(EIA)的調(diào)查報(bào)告，美國(guó)目前僅部署了不到2GW的公用事業(yè)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，而到2050年可能需要數(shù)千吉瓦的儲(chǔ)能系統(tǒng)以促進(jìn)深度脫碳。抽水蓄能發(fā)電設(shè)施的規(guī)模很難擴(kuò)展，因?yàn)樗ǔＶ粚?duì)大型資本密集型儲(chǔ)能項(xiàng)目有利可圖，而且部署地點(diǎn)受到地理和許可限制的限制。此外，電網(wǎng)是一系列服務(wù)，每個(gè)服務(wù)都依賴于不同的特征能源和電力需求、響應(yīng)時(shí)間等，因此需要采用一系列儲(chǔ)能解決方案。用于幫助確定儲(chǔ)能技術(shù)在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上適合的應(yīng)用最常用指標(biāo)是“持續(xù)時(shí)間”，它也代表給電池完全充電或充電所需的時(shí)間。因此，可以探索在各種持續(xù)時(shí)間運(yùn)行的選項(xiàng)。由于它們提供的巨大設(shè)計(jì)空間可以實(shí)現(xiàn)一系列持續(xù)時(shí)間以及本文討論的其他好處，電池為儲(chǔ)能項(xiàng)目提供了一系列具有發(fā)展前途的儲(chǔ)能技術(shù)。
電池是一種電化學(xué)存儲(chǔ)設(shè)備，它利用“氧化還原”反應(yīng)之間的能量差異來轉(zhuǎn)換電能，從而將電能存儲(chǔ)為化學(xué)能或從化學(xué)能存儲(chǔ)電能。與其他形式的儲(chǔ)能技術(shù)相比，電池具有許多潛在優(yōu)勢(shì)。例如由于電化學(xué)反應(yīng)能夠直接釋放電能（通常在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下），因此通常比脫碳電網(wǎng)（廣義上是電氣化電網(wǎng)）中的熱化學(xué)反應(yīng)更有效。
此外，還有許多不同的氧化還原反應(yīng)儲(chǔ)能方案可供選擇，為基于應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)提供了廣闊的設(shè)計(jì)空間。例如，考慮消費(fèi)電子產(chǎn)品中使用的商業(yè)電池的種類，這些電池僅代表可用于使用各種架構(gòu)的電網(wǎng)規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的一小部分：鋰離子電池、鉛酸電池、鎳鎘電池、鋅碳電池等。此外，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)幾乎可以部署在任何地方，這與通常需要特定地理位置的儲(chǔ)能地點(diǎn)的熱儲(chǔ)能或重力儲(chǔ)能設(shè)施不同。這些好處使電池不僅可以用于脫碳以外的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)，還可以作為輔助服務(wù)提供更多價(jià)值；例如電池有助于提高能源獨(dú)立性和可靠性?？紤]波多黎各的電網(wǎng)在2017年颶風(fēng)瑪麗亞期間崩潰。由可再生能源發(fā)電設(shè)施和儲(chǔ)能系統(tǒng)組成的分布式微電網(wǎng)設(shè)計(jì)可以防止災(zāi)難性的大規(guī)模停電。這是因?yàn)榉植际桨l(fā)電減少了輸電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和改造（例如電力線路和電線桿），而這些輸電設(shè)施是為了分配能量，但容易受到極端天氣事件的影響。
此外，分布式能源生產(chǎn)消除了單點(diǎn)故障的可能性。當(dāng)然還需要考慮當(dāng)?shù)卣魏徒?jīng)濟(jì)獨(dú)立問題。許多國(guó)家并不擁有大量的經(jīng)濟(jì)可行的化石燃料資源，因此向可再生能源部門的轉(zhuǎn)變可以促進(jìn)國(guó)內(nèi)能源生產(chǎn)，減少能源進(jìn)口需求，從而增強(qiáng)地緣政治自由度。美國(guó)尤其認(rèn)識(shí)到能源依賴可能帶來的經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵谏鲜兰o(jì)70年代和80年代經(jīng)歷了地緣政治引發(fā)的石油短缺。
如今有許多類型的電池技術(shù)，每種電池都具有不同的原型架構(gòu)，其中許多架構(gòu)可以容納一系列化學(xué)物質(zhì)，并且提供多種選擇。鋰離子電池（LIB）被認(rèn)為是主流的電池技術(shù)；在上世紀(jì)90年代及以后，鋰離子電池主要應(yīng)用在電子和移動(dòng)設(shè)備，而近年來，鋰離子電池主要應(yīng)用在固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車(EV)這兩個(gè)大規(guī)模市場(chǎng)。大多數(shù)被考慮用于電力行業(yè)的電池技術(shù)仍然相對(duì)不成熟，可能需要大量的嘗試攻研究，但迄今為止實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目部署規(guī)模小或商業(yè)化運(yùn)營(yíng)有限，通常是因?yàn)槿匀槐憩F(xiàn)不佳或僅適用于電網(wǎng)應(yīng)用。此類技術(shù)的示例包括氧化還原液流電池(RFB)和金屬空氣電池(MAB)。
根據(jù)國(guó)際能源署的預(yù)測(cè)，到2030年，二氧化碳排放量的大部分減少將來自當(dāng)今市場(chǎng)上已經(jīng)部署或上市的技術(shù)，到2050年，大約一半的碳減排量將依賴于目前處于示范或原型階段的能源技術(shù)。因此，政府和社會(huì)在技術(shù)上正走在應(yīng)對(duì)氣候變化的正確道路上。然而，還有許多其他潛在的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治障礙需要克服，以確保以足夠快的速度部署最佳能源技術(shù)，以使這些減少的幅度足以防止更大規(guī)模的損害（圖1）。雖然這些考慮因素并不獨(dú)立于技術(shù)方面，但它們可能需要不同的方法和解決方案。這項(xiàng)工作探討了在更廣泛的電池部署中的兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：電池成本和材料限制。一系列具有合適性能特征的電池技術(shù)已經(jīng)存在，但高昂的前期成本可能會(huì)延遲或阻礙更廣泛的采用，特別是在目前的低生產(chǎn)規(guī)模下。最后，即使特定的電池技術(shù)滿足必要的成本和性能指標(biāo)，其關(guān)鍵元件的可用性和供應(yīng)鏈也可能會(huì)阻礙快速和深度集成。因此，必須盡快解決這些問題，以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的脫碳目標(biāo)。這項(xiàng)工作探討了克服或規(guī)避這些障礙的經(jīng)濟(jì)和政治策略。
圖1電池技術(shù)開發(fā)和部署流程示意圖
關(guān)鍵障礙1：電池成本
成本是電池能否用于電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用的核心考慮因素。與醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車等其他電池市場(chǎng)不同，電網(wǎng)應(yīng)用需要成本低得多的清潔能源解決方案才能與廉價(jià)的化石燃料發(fā)電設(shè)施進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。由于電網(wǎng)部署需要大規(guī)模的投資，通常需要獲得融資（例如貸款），因此資本成本歷來是可再生能源采用的主要障礙，因此也是其技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性的核心指標(biāo)。對(duì)于電池而言，其成本主要取決于材料成本和生產(chǎn)規(guī)模。美國(guó)能源部通常將100美元/kWh到150美元/kWh之間作為經(jīng)濟(jì)可行的電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的資本成本上限。
鋰離子電池是目前電網(wǎng)應(yīng)用中部署最多的電池儲(chǔ)能技術(shù)。自從上世紀(jì)90年代以來，鋰離子電池之所以能夠加速發(fā)展，是因?yàn)樗鼈兪紫仍诎ㄏM(fèi)電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車在內(nèi)的高價(jià)值市場(chǎng)中大量應(yīng)用。在這些市場(chǎng)中，電池制造商可以銷售優(yōu)化程度較低且成本較高的電池產(chǎn)品，因?yàn)樗鼈兪俏ㄒ坏倪x擇。這使鋰離子電池能夠擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模并降低成本，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化性能。因此，當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)考慮用于儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，鋰離子電池已經(jīng)表現(xiàn)出強(qiáng)大的性能，這種電池充放電效率現(xiàn)在非常高，通常高達(dá)95%，并且供應(yīng)鏈發(fā)達(dá)導(dǎo)致成本更低。特別是隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，鋰離子電池成本在過去十年中急劇下降；鋰離子電池包括組裝的電池單元以及管理和安全系統(tǒng)，已經(jīng)降到在美國(guó)能源部規(guī)定的可行范圍內(nèi)（約140美元/kWh），預(yù)計(jì)未來將降至100美元/kWh以下。鋰離子電池的全球生產(chǎn)能力估計(jì)每年超過700GWh，如今已經(jīng)成為一個(gè)近500億美元的產(chǎn)業(yè)。雖然這是一個(gè)很大的進(jìn)步，但仍需要一系列解決方案來實(shí)現(xiàn)所有電網(wǎng)服務(wù)并實(shí)現(xiàn)深度脫碳。此外，下一節(jié)討論的供應(yīng)鏈問題可能會(huì)阻礙鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署規(guī)模。許多其他電池技術(shù)提供了更具成本效益的解決方案，特別是在更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間（超過4小時(shí)）的時(shí)候，但它們沒有從與鋰離子電池相同的市場(chǎng)條件中受益，并且正在努力競(jìng)爭(zhēng)。
與鋰離子電池相比，許多替代電池的架構(gòu)和材料具有固有的成本優(yōu)勢(shì)。例如，液流電池采用一種系統(tǒng)架構(gòu)，可以獨(dú)特地分離能量和功率，這意味著兩者可以相互獨(dú)立地進(jìn)行擴(kuò)展。這允許以廉價(jià)的方式擴(kuò)展儲(chǔ)能容量，從而使這種電池在更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)更具成本競(jìng)爭(zhēng)力。相比之下，像鋰離子電池這樣的封閉系統(tǒng)將能量和功率耦合在一起，使其儲(chǔ)能單元的成本成為一個(gè)相對(duì)固定的參數(shù)。雖然有人提到與前期成本相比，長(zhǎng)期成本的考慮較少，但液流電池(RFB)或金屬空氣電池(MAB)的開放式架構(gòu)還通過允許有針對(duì)性的組件維護(hù)來促進(jìn)長(zhǎng)期的成本節(jié)約。人們可以使用電解液（降解最快的電池組件）直接補(bǔ)充或更換它，而像鋰離子電池這樣的傳統(tǒng)封閉系統(tǒng)需要增強(qiáng)或更換整組電池，這會(huì)造成一定的浪費(fèi)。最后，與鋰離子電池相比，還有一些電池使用成本更低、含量更高的材料，從而降低了潛在的成本。
盡管具有這些固有的優(yōu)勢(shì)，新興的儲(chǔ)能解決方案仍因多種原因而難以競(jìng)爭(zhēng)。首先，雖然深度脫碳電網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)包含一系列電池儲(chǔ)能解決方案，但這種情況與當(dāng)前的現(xiàn)實(shí)相去甚遠(yuǎn)。由于這些新的電池技術(shù)實(shí)際上只對(duì)電網(wǎng)規(guī)模的應(yīng)用具有經(jīng)濟(jì)性，并且無法進(jìn)入更高價(jià)值的市場(chǎng)，因此尚不清楚如何降低成本并提高性能，以便它們能夠與鋰離子電池進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)它們的需求最終出現(xiàn)時(shí)，可以較低的成本以滿足長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能服務(wù)或替代化石燃料發(fā)電設(shè)施。
另一個(gè)類似的難題使這個(gè)“雞和蛋”問題更加復(fù)雜：這些新興技術(shù)本質(zhì)上風(fēng)險(xiǎn)更大。這使得它們對(duì)項(xiàng)目經(jīng)理、金融家或其他決策者的吸引力降低，從而使這些技術(shù)不太被廣泛采用和展示，因此一直被認(rèn)為是有風(fēng)險(xiǎn)的。由于這些障礙，許多提議使用這些新興電池技術(shù)的項(xiàng)目都難以通過企業(yè)投資、項(xiàng)目貸款等方式獲得資金。這些問題可能無法僅靠私營(yíng)部門解決，政府干預(yù)可能會(huì)降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并降低新興儲(chǔ)能解決方案的成本，這些解決方案僅對(duì)電網(wǎng)有吸引力，但可能有助于實(shí)現(xiàn)深度脫碳。一般來說，需要通過直接采購(gòu)來測(cè)試和支持大規(guī)模的演示。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種途徑是通過政府資助商業(yè)示范項(xiàng)目，就像之前通過《美國(guó)復(fù)蘇和再投資法案》所做的那樣。目前，美國(guó)能源部為示范儲(chǔ)能項(xiàng)目提供大量資金。然而，這筆資金歷來提供給美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，并未通過公開征集提供，這將涉及私營(yíng)部門并可能加速進(jìn)展。此外，美國(guó)政府可以為電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)示范開發(fā)專門的項(xiàng)目，該項(xiàng)目在其許多處在早期開發(fā)階段項(xiàng)目中已經(jīng)顯現(xiàn)發(fā)展前景。最近在美國(guó)能源部先進(jìn)能源研究計(jì)劃署(ARPA-E)為具有未開發(fā)潛力的能源技術(shù)關(guān)鍵進(jìn)展計(jì)劃部分滿足了這一需求。同樣，美國(guó)清潔能源示范辦公室是朝著正確方向邁出的又一步：該機(jī)構(gòu)成立于2021年，其使命是展示大規(guī)模（甚至數(shù)十億美元級(jí)別）的儲(chǔ)能項(xiàng)目，并與私營(yíng)部門合作，加速采用和部署清潔能源技術(shù)。
一些新興儲(chǔ)能技術(shù)的成本降低令人樂觀。例如，氧化還原液流電池(RFB)和金屬空氣電池(MAB)相對(duì)于生產(chǎn)規(guī)模的成本曲線看起來很陡峭，例如與鋰離子電池相比，前期投入成本較高。這兩種電池采用開放的“三明治”型架構(gòu)（圖2），使每個(gè)單獨(dú)的反應(yīng)器或“堆疊”組件在設(shè)計(jì)上相當(dāng)簡(jiǎn)單，更易于組裝。這些技術(shù)不需要精密組裝機(jī)械、低濕度設(shè)施或?qū)ｉT用于特定電極化學(xué)或電解質(zhì)配方（例如鋰離子電池制造）的生產(chǎn)線。然而氧化還原液流電池(RFB)和金屬空氣電池(MAB)的開發(fā)和生產(chǎn)商的規(guī)模仍然很小，盡管彼此共享相同的基本架構(gòu)和其他相關(guān)技術(shù)（例如燃料電池和電解槽等），但通常以小批量采購(gòu)自己的部件，從而使成本居高不下。集中這些努力可以顯著降低成本。更具體地說，初創(chuàng)企業(yè)可以利用已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)類似產(chǎn)品的第三方的合同制造，因?yàn)槠渲性S多組件的材料構(gòu)成和物理設(shè)計(jì)都很簡(jiǎn)單。例如，不銹鋼端板、聚四氟乙烯墊片、石墨雙極板和集電器等都可以用于上述電池的架構(gòu)中，并且由配置為簡(jiǎn)單形狀的單一材料制成。如果所有的氧化還原液流電池(RFB)、金屬空氣電池(MAB)、燃料電池、電解槽等公司都從共同的第三方采購(gòu)此類零件，那么盡管每種電池技術(shù)的生產(chǎn)規(guī)模較小，但仍可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。對(duì)這種方法的猶豫不決可能部分在于企業(yè)希望保持知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
圖2氧化還原液流電池(RFB)結(jié)構(gòu)分解圖。而金屬空氣電池、燃料電池和電解槽其他技術(shù)也采用了這種基本的“三明治”型結(jié)構(gòu)。
而這幾種電池的一些組件的生產(chǎn)可以很容易地外包出去，以及反應(yīng)堆之外需要的許多系統(tǒng)組件（例如管道和歧管、整體組件）的生產(chǎn)可以更容易的擴(kuò)展，因?yàn)樗鼈兙哂衅毡樾院秃?jiǎn)單性。對(duì)于其他對(duì)性能影響更大的部件（例如電極），這可能更具挑戰(zhàn)性，盡管這些部件的成本通常比較高昂，因此降低成本對(duì)它們的影響更大。由于擁有大量私人資本，很難想象政府的指令何能夠成功實(shí)施，例如，美國(guó)能源部、美國(guó)國(guó)防部或其他政府機(jī)構(gòu)可以通過在某些組件集中采購(gòu)的條件下與一個(gè)或多個(gè)組件制造商談判一項(xiàng)大規(guī)模采購(gòu)協(xié)議來激勵(lì)這種做法。這種涉及知識(shí)產(chǎn)權(quán)共享的合作協(xié)議的一個(gè)模式是在私營(yíng)部門，這種談判在合并和收購(gòu)中很常見。
其他經(jīng)濟(jì)策略可用于轉(zhuǎn)移成本以直接或暫時(shí)減輕客戶的負(fù)擔(dān)。對(duì)于將這些技術(shù)商業(yè)化的大型企業(yè)來說，轉(zhuǎn)移成本的一種方法是“垂直整合”，其定義為一個(gè)公司中通常由獨(dú)立公司運(yùn)營(yíng)的兩個(gè)或多個(gè)生產(chǎn)階段的組合。通過直接控制電池更多部件的生產(chǎn)，企業(yè)可以降低通常外包的各種組件的成本，并且可以使用內(nèi)部利潤(rùn)分配來最大限度地減少損失。例如，釩液流電池 (VRFB)是一種最為先進(jìn)成熟的液流電池系統(tǒng)，但釩本身價(jià)格昂貴。然而，兩大主要釩礦商和精煉商Largo Incorporated公司和Bushveld Minerals公司開始垂直整合，并分別創(chuàng)建子公司Largo Clean Energy公司（銷售VRFB系統(tǒng)）和Bushveld Energy公司（銷售VRFB電解液）。釩液流電池市場(chǎng)也在測(cè)試一種新的電解液租賃方式，即第三方公司將電解液出租給電池供應(yīng)商或最終用戶。通過去除前期成本，一些資本支出被重新分配為運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。這樣的方案因此降低了釩液流電池客戶所需的前期投資的成本和風(fēng)險(xiǎn)。在某些版本中，通過引入可以購(gòu)買和交易釩的第三方投資者進(jìn)一步將租賃的財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)從出租人身上重新分配，同時(shí)可以將VRFB電解液出租，類似于其他實(shí)物持有（如黃金或鉑）的市場(chǎng)。
對(duì)于企業(yè)來說，克服初始產(chǎn)量低的最終選擇是虧本銷售產(chǎn)品，這是因?yàn)樾屡d技術(shù)成本高，并且沒有進(jìn)入價(jià)值更高的市場(chǎng)。規(guī)模較小的公司通常最初虧本出售產(chǎn)品，這是通過外部投資實(shí)現(xiàn)的。盡管對(duì)清潔能源技術(shù)的投資比以往任何時(shí)候都多，但其規(guī)?？赡軣o法滿足關(guān)鍵氣候變化最后期限所需的緊迫性。
雖然本文探討了解決電池高成本的一系列原因和潛在解決方案，但另一個(gè)因素是電池普遍依賴特定的、稀有的、關(guān)鍵的活性材料，這些活性材料可能更難開采和生產(chǎn)，因此成本昂貴。以下探討材料供應(yīng)鏈面臨的限制。
關(guān)鍵障礙2：材料限制
電池是材料密集型的技術(shù)，它們通常依賴于特定的化學(xué)元素，這些元素的選擇具有關(guān)鍵特性，包括它們的電化學(xué)特性、溶解度、穩(wěn)定性等。在通常情況下，這些功能和特性容易被替代。除了成本之外，電池中使用的材料還有許多重要的考慮因素。一般來說，電池材料的總可用性不是問題；隨著需求的增長(zhǎng)和隨之而來的稀缺性，材料的價(jià)格將調(diào)整以反映限制因素。然而，如何提取關(guān)鍵材料以及能夠以多快的速度擴(kuò)大生產(chǎn)可能會(huì)帶來困難。此外，材料的提取和生產(chǎn)地點(diǎn)可能會(huì)帶來地緣政治問題。事實(shí)證明，這些挑戰(zhàn)在電池領(lǐng)域尤為嚴(yán)峻。
例如，鈷目前是鋰離子電池中的關(guān)鍵元素。而世界上一半以上的儲(chǔ)量位于剛果民主共和國(guó)，該國(guó)也占全球產(chǎn)量的近70%。釩的供應(yīng)鏈也存在類似的情況，其中75%的產(chǎn)量來自中國(guó)和俄羅斯的10家鋼廠。這種集中生產(chǎn)會(huì)造成材料供應(yīng)和價(jià)格的波動(dòng)。除了這些困難之外，鈷和釩都被開采或生產(chǎn)主要作為其他材料的副產(chǎn)品。這帶來了供應(yīng)鏈的復(fù)雜性，因?yàn)檫@些材料的生產(chǎn)規(guī)模主要取決于其他資源或產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模；換句話說，鈷和釩的價(jià)格或需求不會(huì)對(duì)它們的供應(yīng)產(chǎn)生很大影響，至少在短期內(nèi)是這樣。通常觀察到釩的價(jià)格極端波動(dòng)，可以清楚地表明集中生產(chǎn)的副產(chǎn)品生產(chǎn)造成供應(yīng)鏈不穩(wěn)定。此外，由于許多國(guó)家正在通過國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈積極尋求能源獨(dú)立，同時(shí)為了追求可持續(xù)發(fā)展而重新配置其能源系統(tǒng)，這些關(guān)鍵電池材料缺乏多元化的國(guó)際供應(yīng)鏈，使得使用電池實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)脫碳變得復(fù)雜.關(guān)于地緣政治不穩(wěn)定和對(duì)外能源依賴如何導(dǎo)致供應(yīng)短缺和價(jià)格飆升的例子。例如俄烏克沖突。俄羅斯是世界第三大天然氣生產(chǎn)國(guó)，但戰(zhàn)爭(zhēng)導(dǎo)致其供應(yīng)量大幅減少。此外，許多國(guó)家已經(jīng)實(shí)施制裁或禁止從俄羅斯進(jìn)口天然氣。這些因素在一定程度上導(dǎo)致了天然氣和石油價(jià)格的飆升，這對(duì)歐洲尤其不利，因?yàn)槎砹_斯提供了歐洲約40%的天然氣。
鑒于這種依賴可能導(dǎo)致的不穩(wěn)定，鈷和釩以及用于各種電池技術(shù)（例如鋰、鉑族金屬、錳等）的許多其他元素都被美國(guó)宣布為35種“關(guān)鍵礦物”的一部分，這些礦物對(duì)美國(guó)的國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)繁榮至關(guān)重要。因此美國(guó)政府宣布了支持國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的計(jì)劃，雖然電池制造領(lǐng)域正在取得進(jìn)展，但目前尚不清楚美國(guó)如何能夠在上游開采和開采礦產(chǎn)。最近，美國(guó)總統(tǒng)拜登援引了《國(guó)防生產(chǎn)法》，該法案由使美國(guó)能夠優(yōu)先開發(fā)國(guó)家生產(chǎn)所需的材料。在這一舉措中，該法案被用來針對(duì)關(guān)鍵電池材料的國(guó)內(nèi)礦物生產(chǎn)。然而，這些努力受到許多因素的限制，這些因素主要是各種礦物的地理豐富性和經(jīng)濟(jì)可行地開采這些礦物的技術(shù)能力。此外，許多宣布在美國(guó)新建工廠的生產(chǎn)商并都不是美國(guó)本土廠商，這限制了美國(guó)正在建設(shè)國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈的真正深度。此外，雖然這些新項(xiàng)目提供了大量的新工作，但確保足夠的熟練工人來運(yùn)營(yíng)工廠被證明是最困難的障礙之一。
無論是國(guó)內(nèi)還是全球的生產(chǎn)增長(zhǎng)率也可能會(huì)限制電池的部署。在過去30年中，釩供應(yīng)鏈的年復(fù)合增長(zhǎng)率僅為3.5%；由于現(xiàn)有的需求已經(jīng)占到主導(dǎo)地位，人們擔(dān)心是否有能力采購(gòu)足夠的釩生產(chǎn)大量的釩液流電池。由于鋰離子電池需求的激增，鈷供應(yīng)鏈能夠顯示出快速增長(zhǎng)，以滿足過去十年全球增長(zhǎng)兩倍的消費(fèi)量。但是，這種快速的生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，特別是在可能無法適當(dāng)執(zhí)行它的國(guó)家，可能會(huì)導(dǎo)致其他問題，特別是考慮到采礦通常會(huì)帶來的環(huán)境、健康和安全問題。在剛果，人們對(duì)鈷礦工的安全、補(bǔ)償和開采感到擔(dān)憂。近年來，由于環(huán)境問題，許多釩礦被關(guān)閉，對(duì)供應(yīng)和價(jià)格造成了顯著影響。鋰就是一個(gè)例子，說明其規(guī)模擴(kuò)大的速度不夠快；在經(jīng)歷了幾十年的價(jià)格下跌之后，由于鋰短缺導(dǎo)致鋰價(jià)格上漲了400%，鋰離子電池價(jià)格在2021年開始上漲。這些嚴(yán)重的擔(dān)憂可能會(huì)阻礙以遏制氣候變化所需的速度使電力部門脫碳的能力。
解決這個(gè)問題的一種方法是從依賴這些昂貴材料和集中供應(yīng)鏈的電池轉(zhuǎn)向低成本、高豐度的化學(xué)物質(zhì)?？梢哉f，這種轉(zhuǎn)變應(yīng)該通過市場(chǎng)推動(dòng)；事實(shí)上，對(duì)于鋰離子電池和液流電池（金屬空氣電池通常已經(jīng)滿足這些標(biāo)準(zhǔn)），已經(jīng)在這方面進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)工作。然而，這些努力必須足夠快，才能實(shí)現(xiàn)快速脫碳目標(biāo)。可能有必要部署現(xiàn)成的解決方案（例如鋰離子電池和液流電），在短期內(nèi)應(yīng)對(duì)電池成本更高昂且難以規(guī)模化生產(chǎn)的的一些問題，同時(shí)開發(fā)下一代電池。就液流電池而言，近期內(nèi)釩液流電池的部署將通過降低與電解液無關(guān)的組件的成本和降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，極大地幫助部署新的液流電池。
電池回收對(duì)于減少對(duì)供應(yīng)鏈的需求和材料強(qiáng)度也很重要，盡管它在短期內(nèi)沒有太大的幫助，因?yàn)榇蠖鄶?shù)傳統(tǒng)電池的使用壽命為20年。對(duì)于使用開放式架構(gòu)電池，其回收方法很容易。鋰離子電池等封閉系統(tǒng)的回收可能很復(fù)雜，尤其是當(dāng)電池組設(shè)計(jì)因制造商而異時(shí)。這是制造差異化的另一個(gè)例子，可能是受到知識(shí)產(chǎn)權(quán)和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的推動(dòng)，阻礙了整體脫碳努力。雖然政府可以嘗試對(duì)美國(guó)銷售包裝設(shè)計(jì)的某些方面進(jìn)行監(jiān)管，以促進(jìn)回收工作，但這可能類似于選擇技術(shù)贏家，如果制作不正確或者如果目前無法預(yù)見的新解決方案超過了技術(shù)贏家，這種做法可能會(huì)適得其反。就像前面討論的圍繞電池堆供應(yīng)鏈集中化的建議一樣，政府部門可以通過與一個(gè)或多個(gè)符合可回收標(biāo)準(zhǔn)的電池組供應(yīng)商談判一項(xiàng)大規(guī)模采購(gòu)協(xié)議來激勵(lì)回收。還有其他產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的成功實(shí)施，例如美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)為電子產(chǎn)品制定的關(guān)于安全性、與其他設(shè)備/系統(tǒng)的互操作性等方面的標(biāo)準(zhǔn)。然而，大多數(shù)成功標(biāo)準(zhǔn)化的案例是由于這些措施的必要性產(chǎn)品的成功利用，而電池回收并非如此。電動(dòng)汽車充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)展緩慢，但正在加速，可以作為可回收性標(biāo)準(zhǔn)化的模式。
結(jié)論
如今擁有可以促進(jìn)電力部門脫碳的技術(shù)。然而，人們對(duì)于快速而經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)和部署這些技術(shù)的能力感到擔(dān)憂，而目前還沒有能力完成這項(xiàng)任務(wù)。如果采取適當(dāng)?shù)募?lì)措施，政府干預(yù)可以幫助實(shí)現(xiàn)和加速預(yù)期結(jié)果。此外，如果明智而迅速地使用，許多戰(zhàn)略和措施可以幫助克服其中的一些障礙。無論采用何種方法，需要爭(zhēng)取時(shí)間，而獲得公共和私人投資至關(guān)重要。
原標(biāo)題： 觀察｜美國(guó)電池儲(chǔ)能部署面臨的障礙：成本和材料
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