工业储能:先进电池新战场_6

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工业储能:先进电池新战场_6

  通用电气公司位于美国纽约斯克内克塔迪(Schenectady)的、生产钠盐电池Durathon的工厂在今年7月举行了盛大的开工仪式,正式进入了商业化规模的量产。此刻,他们正在为自己的第一位顾客南非工程公司Megatron Federal赶制订单,这批电池将被装在尼日利亚的一些手机信号发射塔上。

  制造钠离子电池的创新公司阿奎昂能源公司(Aquion Energy)在3月宣布该公司的电池已经成功,首个工厂将在2013年投产。麻省理工学院教授唐纳德山德维(Donald Sadoway)的液态金属电池公司(Liquid Metal Battery)也获得了来自包括比尔盖茨等在内的1500万美元投资这两家新兴公司都以突破性的、新一代电池技术为核心竞争力,并因在大规模电力储能方面的应用潜力被普遍看好。

  同时,以A123系统公司(A123 Systems,以下称A123)为代表的一大批昔日的明星企业锂电池公司们,正在努力开发大规模电力储能业务,希图借此熬到电动车市场快速增长的美好未来。就在10月16日,A123公司宣布申请破产保护,江森自控(Johnson Controls)将收购其汽车电池业务,而A123继续在电网和后备电力电池领域开展业务。

  新能源领域的创新,需要的不仅在未来具有足够潜力的新技术,还有资金注入、对市场的敏锐判断以及工程制造上的充足经验。这几个因素,通用电气几乎全部具备,它能否成为最先探出生路的先锋,像摩西一样带领这批新型电池企业冲破电动交通领域的萧条?

  通用电气位于纽约斯克内克塔迪的、生产钠盐电池Durathon的工厂

  通用电气公司位于美国纽约斯克内克塔迪(Schenectady)的、生产钠盐电池Durathon的工厂在今年7月举行了盛大的开工仪式,正式进入了商业化规模的量产。此刻,他们正在为自己的第一位顾客南非工程公司Megatron Federal赶制订单,这批电池将被装在尼日利亚的一些手机信号发射塔上。

  制造钠离子电池的创新公司阿奎昂能源公司(Aquion Energy)在3月宣布该公司的电池已经成功,首个工厂将在2013年投产。麻省理工学院教授唐纳德山德维(Donald Sadoway)的液态金属电池公司(Liquid Metal Battery)也获得了来自包括比尔盖茨等在内的1500万美元投资这两家新兴公司都以突破性的、新一代电池技术为核心竞争力,并因在大规模电力储能方面的应用潜力被普遍看好。

先进电池制造商的新目标

  从去年年底开始,美国政府努力打造的整个电动汽车电池产业都遭受挫折。曾得到奥巴马政府2.5亿美元贷款的明星公司A123刚刚申请破产保护,它一共筹集到将近10亿美金,而目前资产4.598亿美元,债务3.76亿美元;另一家获得1.2亿美元基金的电池制造商恩那德尔公司(EnerDel)的母公司恩那1号(Ener1)进入了破产保护期。

  电动和混合动力车的销售欠佳,导致在电池这块并不大的市场中,却有太多的竞争者,产能和市场需求相比严重过剩。这有点像一个难以突破的恶性循环:电动车市场发展缓慢的很大一部分原因是因为价格过高,而其高价的主要原因在于昂贵的电池成本至少是1万美元;但另一方面,市场需求量不够的话,电池的产能就上不去,电池的成本自然就降不下来。而且,这样的情况在短期内不会有实质性好转,由于美国政府的投入,全球电池生产能力至少到2015年都会超过实际需求。德意志银行的分析师丹恩噶尔维斯(Dan Galves)说。

  在这样的背景下,制造业巨头通用电气为他们的新电池钠盐电池Durathon定制的市场路线便显得更为正确为电信行业提供备用电源,以及公共电力的电网级应用,虽然通用电气研发Durathon的初衷和A123们一样,是为了将之应用于混合动力交通。

  2001年,通用电气运输部门接到一项任务:让柴油动力火车头的能效更高,如回收刹车时的热能,以及减少排放。在研究了镍氢电池、锂电池、铅酸电池等当时较为成熟的电池技术后,通用电气的科学家团队将目光锁定在了钠金属卤化物电池技术。随着研发的日趋成熟,通用电气却敏锐地发现电池应用于混合动力交通的时机并不成熟,他们必须另寻出路。由于该电池的能量性非常突出,其市场最终被确定在了能源领域这是通用电气之前从未涉及的领域。当2009年5月,通用电气董事长兼首席执行官杰夫伊梅尔特(Jeffrey Immelt)宣布通用电气将建立新的电池业务时,说,我们不仅仅是发明了一种新电池,更是创造了一项新业务。

  很快,挣扎中的电池厂商们也意识到必须开拓交通之外的新业务,增加产能、降低成本、度过瓶颈,熬到电动车市场繁荣的未来。A123公司今年6月宣布其最新技术可让锂电池在更高和更低温度下正常作业,非常适于用于微电网和通讯备用电源。

  作为全世界最大力推动电动和混合动力交通的两个国家之一,中国的电池制造商也面临和美国企业同样的情况,转型自然不落人后。比亚迪已经在去年11月和中国南方电网携手完成了中国最大、同时也是中国第一座兆瓦级的铁电池储能电站的建设以及并网工作。

  如果说铁电池、锂电池制造商们是为了求生而不得不另辟自留地,通用电气是及时悬崖勒马、弃暗投明;那些一开始就明确瞄准储能市场的新兴电池制造商则是志在必得,比如阿奎昂能源公司和液态金属电池公司。

  成立于2007年的阿奎昂能源公司以独创的钠离子电池技术而获得了巨额的投资。杰伊惠特克(Jay Whitacre)是卡内基-梅隆大学(Carnegie Mellon University)材料科学与工程教授,他开发了阿奎昂公司的技术,并创办了这家公司,他说,我们希望自己新颖的电池技术可以让全球14亿没有通电的人用上电,而且无需接通电网。

  去年,比尔盖茨在其一篇名为我们需要一个电池奇迹的博客中如此评价山德维创办的液态金属电池公司在过去150多年的时间里,利用风与太阳获取能量的技术已经取得了长足发展,但是没有一个技术能将这样的能量存储起来。值得欣慰的是,(液态金属电池)将极大的提升电池的效率并提供大规模的电力存储方案。

  唐纳德山德维教授和材料加工中心研究联盟的大卫布拉德韦尔在实验室里观察一块小型测试电池。电池内部中心是一块高度绝缘的金属圆筒,它可以将电池加热到700℃

工业储能领域的机会

  通信电源领域到目前为止都是阀控密封式铅酸蓄电池的主要市场之一,市场占有率达到90%以上,主要用于通信基站和中心机房的后备电源,总的采购金额约占电信固定资产投资的2%~3%。这块市场不仅已经非常成熟,并且近几年移动互联网的兴起让通信行业再次迎来激增,这自然会带动电池需求的快速增长。据比亚迪估计,其价值大约为100亿美元,该公司已经与中国三大通信商都签订了战略协议。

  而新一代电池技术在能量功效、环境安全、循环寿命、体积等性能上都远远超过传统的铅酸电池。以通用电气的钠盐电池Durathon为例,它以对环境友好的盐和镍为主要原材料,比会产生二次污染的铅酸电池环保得多。铅酸电池单位重量的能量密度很低,只有30瓦时/公斤,而钠盐电池为120瓦时/公斤,锂电池大致是80~90瓦时/公斤。循环使用寿命是考量指标电池的重要指标之一,这也是为何铅酸电池虽便宜,但到目前为止也无法用于电力并网的原因频繁地深度放电会损害它们的性能,在某些应用环境中,铅酸电池可能仅维持6个月。而通用电气官方数据表示Durathon电池至少可以深度放电3500次,每日充放电的情况下可以使用10年,循环使用寿命几乎比铅酸电池长了10倍。更重要的是,在-20℃至60℃的使用环境下,Durathon电池的性能都不受影响,光这一点就让传统铅酸电池难以望其项背。

  但铅酸电池的优势在于其低廉的价格。目前,锂离子电池的价格大致是600美元/千瓦时;Durathon电池到2015年可能会实现500美元/千瓦时的价格。但通用电气全球研发中心储能研发平台负责人菲尔德格兰(Merfeld Glen)认为,Durathon电池具有循环寿命更长、能量密度更高、不需要空调可以减少燃料等优势,从长远来看,Durathon电池更具经济效益。且加之全球环保政策的日趋严格,铅酸电池不具长远发展的未来。

  另一个让这些电池企业垂涎的市场是公共电力的储能应用。随着清洁能源、智能电网以及解决第三世界国家用电需求的兴起,电力并网、离网电力、电网调峰等的应用要求越来越凸显。

  电力并网是指将清洁能源,如风电、太阳能产生的间隙性、波动性电力,添加到大电网中,从而广泛整合各种资源的电力,以保证电力供应的稳定性。电力公司使用存储的能量,满足使用高峰期间的电力需求的做法称为电网调峰,有助于保持电网的可靠性和效率,并降低电价。这些应用需要几十到几百千兆瓦时的储存值。欧洲储能协会(EASE)副会长杰里斯瑞德斯戈尔德(Jillis Raadschelders)在去年表示,到2030年,储能市场的规模累计将达5000亿欧元。

  当今最常见的电网存储技术是抽水蓄电,占近90%的公用电力储能。然而,这受到地质和空间的限制,而且抽水蓄电系统需要多年时间,花费数百万美元才能建成。近几年,电力公司开始考虑电池,因为它们几个月就可以交付,而且在理论上可以放置在任何地方。

  但目前为止,并没有现成的电池可以较好地满足所有电网级储能的要求,因为电力机构需要的是廉价且持久耐用的方法,而现有电池的成本效益都远远高于抽水蓄电。哈雷西卡玛斯(Haresh Kamath)是电力研究院(Electric Power Research Institute)能量储存项目经理,他说,有一些电力公司目前开始使用铅酸电池和钠硫电池,用于电网存储。铅酸电池便宜,但只有500至1000个循环,算下来,价格还是太贵;而钠硫电池则很昂贵,每千瓦时达1000美元。

  离网电力(或称微电网)则是解决像印度这类第三世界国家、还未通电地区用电需求的最佳手段。这些偏远地区大多使用柴油发电机供电,但是,石油价格高,太阳能电池板价格低,因此,某些情况下,安装太阳能更便宜。为了存储白天发的电供夜间使用,这些社区就需要电池系统。而此类电池系统要能够处理任何级别的用电,从几十千瓦时到几兆瓦时。

  这些便是通用电气为其钠盐电池寻找到的未被满足的市场需求,随着时间的推移,电力成本将下降,因为通用电气的新电池即将赋予电力部门同时使用多种不同技术的能力,其CEO伊梅尔特在工厂的开幕式上说。通用电气认为自己的电池非常适合被用于微电网或小电网,支持其脱离主干电网运作并提供电网质量的电力。

  当然,发现这个空白需求的不止他们一家。阿奎昂能源的电池设计同样是为了此类电网应用,其创始人惠特克说,我们的电池已被证明非常适合离网太阳能和风能支持,也适合调峰,虽然这是两种非常不同的应用。Khosla Ventures的一位投资人认为,大规模的电力存储技术将是未来电网基础设施最为关键的一部分,先进电池技术可以充分满足这个需求,所以,该公司和比尔盖茨一起投资了液态金属电池公司。

  尽管电池制造商们大举进入储能领域的号角刚刚吹响,但与市场发育不完善、客户单一的电动车市场相比,工业电力储能的前景还是给了他们信心。伊梅尔特说:我们预计这项新业务(指能源储存业务)将能在几年后产生10亿美元的年收入。我们会继续将这项电池技术的运用范围从电信扩展到新的领域,如电力并网、不间断能源的应用和动力产业。

  通用电气全球研发中心储能研发平台负责人菲尔德格兰

利用时间差

  钠盐电池技术是一项起源于1980年代的技术。当时正处石油危机,钠金属卤化物电池被寄望代替化石能源使用于交通工具;但后来石油价格大跌,还没等这项技术足够成熟,全世界就失去了寻找代替品的的兴趣。通用电气在本世纪初再次拾起这项技术,并最终在2007年收购了英国公司Beta RD,这家公司在1980年代率先开发出了卤化钠电池。我们的实验室通过仔细研究材料和对电池的设计进行了精细调整,改进了这个技术。通用电气能源储存业务的技术领导者山卓霍勒(Sandor Hollo)说。

  钠盐电池以容易得到的盐和镍为主要原材料,和锂离子电池相比,更具成本优势。同时,得益于通用电气在电力电子管理上积累的成熟经验,Durathon电池独特的智能电池管理系统让其在复杂环境下也能呈现出稳定的表现性。再加之,作为制造业巨头,通用电气在设计先进的制造流程上经验充分。伊梅尔特说,虽然其成分很简单,但从设计和科学的角度来看,非常先进。这项新电池技术包含了30项专利。2011年秋,工厂开建;今年7月,在该工厂正式投入商业化量产的同时,通用电气又追加了7000万美元投资,至此,已经投入了1.7亿美元在该工厂;加之研发阶段投入的1.5亿美元,Durathon电池项目历时10年、耗费巨资,足以证明通用电气对Durathon电池的野心。

  尽管颇具潜力,但阿奎昂能量和液态金属电池公司离商业化量产都还有相当地距离;并且,他们能否克服工程制造上的生疏,顺利实现从实验室研发到大规模生产的转化还是未知。A123公司的电池虽然早开始量产,但鉴于他们今年3月出现的电池召回事件以及刚刚破产对如何开展电网和后备电力业务,他们还一无所知其在对市场的敏锐判断、成熟的制造经验上还有相当长一段路要走。

  与之相比,通用电气的Durathon电池已经度过了这些阶段。单从时间点上来说,它已经领先了对手许多。这个时间差是否足够Durathon电池在目标市场攻城略地?

  Megatron Federal公司向通用电气购买的6000块电池将于2013年交付,它们将被装备在尼日利亚的一些电信发射塔上配合柴油发电机组使用。柴油发电机单独使用时,能效并不高,所以,通常都需要安装多于实际使用量的柴油发电机组,而配合电池使用则可以使柴油发电机以最高的效率运行,可以节约20%~50%的燃料,从而更加经济和环保节。格兰如此解释第一批电池的作用。你在燃料上节约了53%,维修费上节约了45%,可节省60%的柴油发电机组更换费用,Megatron Federal的电信部门经理布兰登哈克斯(Brandon Harcus)说,我们在尼日利亚的应用,节约的成本是巨大的,每个电话塔使用20年,大约节省130万美元。你使用的燃料少得多、产生的二氧化碳也少得多。

  但这样的使用模式以及效果目前依然只是估算,并且,是否具有可复制性,还有待考证。

  通用电气的钠盐电池Durathon

  最重要的是,不管是通信行业电源,还是电网级应用,其使用成本才是关键决定因素。电信、电力企业并不是真的对价格敏感度低,相反,这是竞争非常激烈的市场,这块市场的客户的注意力集中在运营成本的改善。通用电气的发言人说。

  阿奎恩能源预计自己生产的电池的价格可以达到每千瓦时300美元以下,远低于目前锂离子电池的价格;并且,宣称其电池可充电5000次。约翰米勒(John Miller)是电化学电容器专家,也是咨询公司JME公司总裁,他说,阿奎恩公司的电池可能是最便宜的,阿奎恩公司的技术正在到达抽蓄电的成本范围,这非常有希望用于电网存储。但阿奎恩公司的创始人惠特克认为,要真正用于并网,价格还需要降低必须降到200美元/千瓦时,生产能力达到千兆瓦的规模,我们离这个目标还很远。

  不管是300美元/千瓦时、还是200美元/千瓦时的价格,都远远低于Durathon电池的预估价格据通用电气称,待到2015年,其工厂年产量达到1千兆瓦时,其电池的价格约为500美元/千瓦时。对于这个巨大的价格差异,格兰解释说,我们的成本是系统整体方案的价格,而不是单独的电池的价格。至于阿奎恩电池的5000次循环寿命,格兰认为,实验室的测试情况和实际使用条件往往差别巨大,无法直接成正比,一般来说,都会选择最适合电池运行的环境做测试,但如果放到复杂环境、极低或者极高温度下,你会发现结果有天壤之别。而Durathon电池的优势在于:我们一开始就是为了对应复杂工作环境、大温差环境而设计电池的,所以,我们给出数值非常接近在真实应用中的情况。

  任何一项新技术都必须面临的挑战是:如何向客户证明自己是成熟、可靠的技术。

  这些技术还处于非常早期阶段的技术,我们不知道它能做什么, 卡玛斯说,原则上说,它们看起来非常有前途,所以这个行业有很多人对此感到兴奋,但是,这些承诺是否能兑现,还有待观察。只有真枪实弹的电网级测试才能向这些电力公司证明其价值。阿奎恩能源在去年就将自己的一个1000伏的模块会运送到荷兰电工材料协会(KEMA)进行电网级的测试。通用电气也将在今年的第四季度部署他们第一个兆瓦级电池储能系统。

  虽然德奇证券(Wunderlich Securities)分析师西奥多奥尼尔(Theodore ONeill)认为,电网的电池业务迄今只是一些一次性的示范项目,属于不可重复的业务,其需求不会形成这么大的规模,满足公司现已建成的规模。对此,通用电气的观点是,这是一块新兴的市场,我们认为它已经通过了技术论证阶段。监管变化和技术发展(性能更优越、成本更低廉)的结合能让电池储能系统带来具有吸引力的投资回报。

  但至少有一点,是其他公司所不具备客户需要与上游公司绑定多年,以履行零件的保修义务,像A123这样的公司,其不稳定的财务和表现可能会吓跑他们;但通用电气的巨大的体量和成熟的制造经验是给客户的定心丸。

  并且,通用电气能为客户提供的是包括先进电池在内的能源储存整体解决方案。在公共电力领域,我们能提供基于经过验证的部件的整套集成系统。通用电气在这个领域内已有的、各种活跃的商业合作都表现出了深厚的行业知识。通用电气的发言人称。没错,他们不仅仅是卖电池的这可能是其竞争对手最难以超越的一点。