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美国能源部为推进储能技术和储能应用花了多少钱?

钜大LARGE  |  点击量:119次  |  2020年03月23日  

摘要
美国能源部为推进储能技术和储能应用花了多少钱?,2020年初,美国能源部部长DanBrouillette宣布将启动一项名为“储能重大挑战”计划,旨在加快下一代储能技术的开发、商业化和利用,并保持美国在全球储能领域的领导地位。据报道这项计划建立在美国总统特朗普在2020财

2020年初,美国能源部部长Dan Brouillette宣布将启动一项名为“储能重大挑战”计划,旨在加快下一代储能技术的开发、商业化和利用,并保持美国在全球储能领域的领导地位。据报道这项计划建立在美国总统特朗普在2020财政年度预算要求中宣布的1.58亿美元的高级储能倡议基础之上。据了解,美国能源部这些年一直在不遗余力的推广储能技术开发以及储能的应用。


成立独立部门


2016年美国能源部的《正在发生革命》提出,燃料动力电池、电网端储能电池、能源管理系统正在成为革命性改变的新兴技术。而事实上,美国能源部的技术路线和发展目标一直是我国科技部和工信部制订新能源汽车方面科研和产业化政策的基本参考依据。


美国发展储能较早,目前拥有全球近半的示范项目,并且出现了若干实现商业化应用的储能项目。美国能源部还专门建立了全球储能数据库,用于对全球储能项目进行追踪,同时设立了多个部门来促进并规范储能的发展。


美国能源部旗下有高级能源研究计划署(ARPA-E)、能源前沿研究中心(Energy Frontier Research Center),支持开展多种储能技术研究。美国能源部专门成立了新一代电池的研发组织“储能联合研究中心(JCESR)”。


还有美国能源部的劳伦斯伯克利国家实验室,鼓励在固态电池领域的创业项目,Seeo就是劳伦斯伯克利国家实验室唯一授权拥有核心专利的电池公司。


对储能技术的资金支持


美国联邦和各州政府正在鼓励储能部署的发展。联邦层面的储能部署已经从美国能源部供应的有针对性的贷款和激励计划,以及美国联邦能源管理委员会(FERC)努力清除批发市场参与的途径中受益。美国能源部的研究着重于电池材料革新、电芯电化学优化、增强可持续性和降低成本。


美国能源部自2008年开始支持钠镍电池平面化技术研发,规划到2016年实现商业化,以替代现有铅酸、锂离子、镍氢等化学电池;重要应用于电力储能。


美国能源部能源效率与可再生能源办公室(EERE)于2013年公布《电动汽车普及大挑战蓝图》(EV EveryWhere Grand Challenge Blueprint),提出2022年电动汽车发展目标,力图使美国成为世界上第一个能够生产每户家庭都能负担得起的电动汽车的国家。


该蓝图提出的技术目标包括:电池方面,2022年成本要求降低到125美元/kWh,能量密度要求达到250Wh/kg,体积能量密度要求达到400Wh/L,功率密度要求达到2000W/kg。轻量化方面,通过轻量化技术使汽车重量降低30%。电驱系统方面,2022年成本要求降低到8美元/kW,功率重量密度要求达到1.4kW/kg,功率体积密度要求达到4kW/kg,能量转换效率要求达到94%。


2016年七月,当时的奥巴马政府宣布发起了Battery500计划,用五年、投资额5000万美元,打造能量密度500wh/kg,循环寿命1000次的电芯。这一电池的技术路线是高比能锂离子正极(镍钴锰)和锂金属负极。2017年这一项目已经实现了309wh/kg,但循环次数只有275次;2018年,已经实现350wh/kg,循环次数150次。


韩国LG化学为例,在美国能源部支持下,进行了电动汽车用高能量电池和模组的开发,该电池以富锰NCM做正极材料,Si基材料做负极。该项目中通过大面积ALD包覆来提高富锰正极材料的循环寿命,并开发高填料密度电极来提高能量密度,以实现可用能量密度640Wh/L, 循环寿命1000次,电芯成本$100/kWh的技术目标。项目于2018年一月结束。


2018年报道,美国能源部打算到2021年花费5000万美元创建一个高达500瓦时/千克能量密度的电池。


目前美国能源部将重心转移至电网改造和能源存储,整个汽车技术部门的预算投入较大减少,其中电池和电气预算3940万美元,较2019年降低1.24亿美元。其中减少了创新型电池的性能测试、先进电池材料和电化学优化研究两个项目的资金,取消了电池安全性和热性测试的项目资金。此外,还将电池正极研究小组数量缩减为一组。


美国能源部2018年五月宣布,决定启动持续新增电储能Duration Addition to Electricity Storage (DAYS)项目,供应3000万美元来资助能够储存并供应长时间的储能系统,以便在电网规模上实现供应长时间储能可靠的电力。


美国能源部高级能源研究计划署(ARPA-E)为电网规模可扩展间歇可调度式储能(GRIDS)设置了目标。其目标是开发能够存储可再生能源的储能技术,可以在电网任何位置使用,投资成本低于每千瓦时100美元。


按照美国能源部的建议,可用于大规模储能的电池需满足以下几个条件:在一小时内可充放的能量不低于20千瓦,至少能够支持5千次充放电,且使用寿命不短于10年。从实用角度来说,满足上述条件的电池的价格不应高于2000美元,也就是存储每千瓦时能量的价格低于100美元。下表列出了电网规模可扩展间歇可调度式储能(GRIDS)计划中的公司及其项目描述。


2018年九月,美国能源部宣布为两项独立的计划供应1.48亿美元的资金,其中包括五年内为美国联合储能研究中心(JCESR)计划(该中心负责电池新材料研发)供应1.2亿美元的资金。这笔资金使美国联合储能研究中心(JCESR)能够继续研究能够提高锂离子电池能量密度的新材料,并为液流电池开发和研究供应资助。


2018年十二月,美国能源部先进能源研究计划署(ARPA-E)宣布第四轮开放式招标计划(OPEN 2018),即资助9800万美元用于遴选的40项变革性能源技术开发项目,涵盖了包括集中式发电、分布式发电、电网储能、制造效率等在内的九大技术领域。


同时,美国能源部(DOE)宣布将在未来五年内为储能联合研究中心(JCESR)第二期投入1.2亿美元,以推进电池科学和技术研究开发。未来五年,阿贡国家实验室领导的JCESR将基于对材料原子和分子级别理论认知,采用“自下而上”模式开发用于不同电池的新型材料。其目标是设计和开发超出当前锂离子电池容量的多价化学电池,并研究用于电网规模储能的液流电池新概念。


此外,美国能源部还宣布,计划投资2050万美元用于回收锂离子电池研究,其目标是将回收率提高到90%,而目前比率不到5%。美国能源部表示,其目标是开发能够达到90%锂离子电池回收率的先进技术,这表明市场驱动的解决方法优于监管解决方法。


2019年二月美国能源部宣布,将斥资1,500万美元在芝加哥附近的阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)展开三年的研发计划。此研究案将结合阿贡、橡树岭国家实验室、国家再生能源实验室及数家大学之力,合作开发最新技术,冀望赶上我国在制造与回收锂离子电池的实力。美国能源部推出了首个锂离子电池回收中心,称为ReCell中心,其目标是将电池成本降低至每千瓦时80美元(约480元人民币)。


2019年二月二十八日报道,在新的锂离子电池问世前、美国能源部还在研究一款用于汽车的先进铅酸电池,其成本可能仅为35美元/kWh(0.235元/Wh)。而以往铅酸电池价格较低,原因可能是来源于海外回收。除此之外美国能源部也在考量其他新的储能技术,包括可与锂离子电池竞争的液流电池,其电池组(不含电子连接件等)的价格为300美元/kWh(2.012元/Wh)。


美国政府在2020财年的拟议预算中,包括美国能源部电力办公室与能源效率和可再生能源办公室(EERE)供应的1.58亿美元,这笔资金将用于促进储能的研究和开发项目,这项被称为“先进储能计划”的项目与一项耗资5900万美元用于推进热电厂的计划一起得到提议。拟议的美国能源部预算还包括电网规模储能系统,并将其作为实验室和技术测试平台的建议投资的一部分。其预算包括用于一个“新的电网储能启动计划”的500万美元,该计划将为一个基于实验室的电网规模电池储能测试中心供应资金支持。


2019年八月,报道称美国能源部宣布向通用汽车投入910万美元,且其中200万美元明确表示与固态电池的研发有关。具体而言,其中100万美元将用于“对固态电池中的界面现象作基本的了解”,另外100万美元则是研究“用硫化物玻璃电解质加热全固态电池”。


2020年一月,美国能源部为储能联合研究中心第二期投入1.2亿美元推进电池科学和技术研究开发,项目资金支持包括美国大型及零售侧储能系统补贴计划。


2020年二月五日,美国能源部表示,在最新的1.255亿美元太阳能技术研发资助中,总计3900万美元的资金将用于建设和示范sCO2布雷顿循环技术项目。该系统必须实现550℃至630℃温度下的热能存储。美国能源部的目标是到2030年带有12个小时的(热)储能的CSP成本降低到50美元/兆瓦时。


近日,美国能源部宣布为25个州的55个先进制造业的研发项目供应约1.87亿美元(约13亿人民币)的资助,其中约6687万美元(约4.68亿人民币)用于11个电池储能创新制造工艺项目开发,以支持美国在全球制造业的竞争力。


对储能公司的支持


美国能源部ARPA-E项目启动了名为IONICS的储能计划,为锂金属电极领域的早期研究供应补助,具体使用过ARPA-E补助金的单位包括24M、Ionic Materials、PolyPlus Battery Company、爱荷华州立大学等。


2009年八月,美国能源部支持美国BeaconPower公司建设了两个20MW飞轮储能电站。


2009年,Sion Power公司获得美国能源部80万美元的资金资助,以开发一种锂硫电池用的新型电解质。2010年又获得APPA-E 500万美元资助以开发电动汽车用锂硫电池。


2009年,EnerDel获得美国能源部1.185亿美元资助,重要用于扩大其在美国印第安纳州的锂离子电池年产量


磷酸锂铁电池公司A123刚开张时,总员工数只有5人,美国能源部供应了10万美元科技项目经费。


美国能源部2009年支持102万美元研发高温Sodium-Beta Batteries。该项目由EaglePicher公司与PNNL合作,修改了传统的管状钠镍电池结构,使用堆叠结构设计并提高电池性能,从而降低昂贵的管式结构制造成本。


2012年成立的一家基于普鲁士蓝电极和钠离子电解质的新动力锂电池技术开发商Natron Energy,得到了美国能源部高级研究计划局 - 能源(ARPA-E)的支持。


美国能源部的主管科技研发业务的亲儿子,ANL在过去若干年花了美国能源部数亿美元的研发经费用来研发锂离子电池。


据2019年八月报道,Form Energy,这家初创公司部分源自于麻省理工学院材料科学教授蒋业明的实验室,在筹集了1100万美元同时还获得了美国能源部390万美元的拨款。


已经研发相关专利技术15年之久,XNRGI公司表示拥有大量与Powerchip电池技术直接相关的专利,还获得了美国能源部的研究资助。


储能安全领域


为解决安全问题,美国能源部于2014年公布储能安全战略规划,并于2015年成立了储能安全工作组,下设三个工作组,标准工作组便是其中之一,旨在推动和协调NFPA、UL、CSA、ICC、IEEE、DNV GL、FM Global等机构制修订储能安全相关的标准,并供应相关研究基础数据。目前,面向储能系统本体和安装要求的相关标准重要有UL 9540、NFPA 855等,这两项标准已被批准为美国国家标准,UL 9540同时也被批准为加拿大国家标准。


2018年报道称美国能源部正在制定储能安全路线图,美国能源部桑迪亚国家实验室(Sania National Laboratory for DOE)开展了许多制定固定储能安全标准的小组项目活动,该项目负责协调NFPA、国际规范委员会和IEEE等代码设置机构的工作,以及诸如DNV GL和FM Global等公司供应测试并有助于建立规范和标准。

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