电网储能是如何工作的

在任何平常的一天，电力公司都会计划第二天的发电量。他们主要通过阅读前一年同一天的历史使用记录来预测客户会做什么。然后他们将这些数据调整为第二天的当前天气预报。

桑迪亚国家实验室能源存储项目的负责人约翰·博伊斯说:“准确预测某一时刻的电力需求是不可能的。”在这种情况下，公用事业公司的发电量会高于或低于用户的用电量。这种不匹配会在电网中产生涟漪，包括交流频率的变化，如果不加以控制，可能会损坏电子设备。地区电力管理者或独立系统运营商(iso)会突然介入，试图通过要求一些发电厂改变发电量来缩小差距。但核能和化石燃料发电厂无法迅速做到这一点。它们的缓慢加剧了电力供应和需求之间的不匹配。

现在，想想在洛杉矶一个闷热的日子里，全市的人都在开空调，会发生什么。这些都是用电高峰当大多数客户使用最多的电力时，每年有5到10天会发生几个小时的情况。在这些日子里，设施被称为峰化器工厂被号召采取行动。这些昂贵的化石燃料电厂全年闲置，排放的空气污染比大型燃煤电厂还要多。Imre Gyuk说:“我们不想在洛杉矶这样一个烟雾弥漫的城市做这件事，但我们还是做了。”如果峰值电厂电量不足，公用事业公司就会付钱给铝冶炼厂等大客户，让他们减少用电。Gyuk说:“如果什么都不起作用，就会出现限电和滚动停电。”

与此同时，老变电站超负荷运转。它们携带的电流超过了它们的承受能力，金属结构会发热。“我们不推荐这种做法，”博伊斯说。

如果电网听起来很紧张，那你还没看到什么。继续读下去。

也许这不是平常的一天。也许一棵树倒在电线上，或者被闪电击中。这些干扰会使线路的电压低于预期的水平。电压变化重置计算机。现在你的闹钟在12点闪烁。或者更糟的是:“对于所有自动化制造过程，如果计算机复位，它就会关闭整个过程。如果你是一家塑料制造商，你的机器冷却下来，塑料就会在你的机器里凝固，”博伊斯说。

如果一天的事件超出了公用事业公司的补偿能力，该怎么办?是的，你猜对了，你将面临停电。2003年，美国东北部确实发生过这种情况。

由于电网已经陷入混乱，很难想象增加更多的可再生能源，如风能和太阳能，因为它们是间歇性的电力来源。我们知道客户是不可预测的，但现在，电力也是如此。当风突然消失时，风电场可能在几分钟内损失1000兆瓦的电力，然后必须迅速为客户购买和进口电力。

另一种选择是使用峰值式的化石燃料发电厂，但这会增加空气污染，从而产生清洁的电力。或者自然主宰一切。在德克萨斯州的风力发电场，风几乎只在夜间吹，而需求较低，电价为负。Gyuk说:“这意味着你必须向电网支付电费。”“我跟一个人聊过，他整夜开着空调给房子降温，因为他免费得到了空调。然后他关上了窗户。”

他说，随着电子产品的使用和用电的增加，这些问题将进一步恶化。那么这些问题的答案是什么呢?电网储能。

在我们深入讨论这个话题之前，重要的是要了解储存能量的含义。电网的工作是将120伏60赫兹的电力输送给每个用户。这是通过从网格中添加或移除电流来完成的。存储设备可以在需要时准确地增加或减少电流。

继续往下读，了解能源储存如何加强电网。

泵水力发电发电站利用落水发电。田纳西州的浣熊山就是一个例子。在山脚下，田纳西河谷管理局(TVA)通过虹吸田纳西河的一部分形成了一个湖。

当客户用电量不高时，TVA会将其他发电站的电力转移到山中的发电厂。电力使房子的涡轮机向后旋转，将湖水从山上的隧道推到山顶。28小时后，上盆满了水。为了发电，TVA在上部盆地打开一个排水管。水直接从山的中心落下，使涡轮机向前旋转，从而发电。它连续下降22小时，稳定输出1600兆瓦的电力，相当于一个大型燃煤电厂的发电量。TVA在需求高的日子里将这些电力与其他工厂的电力结合起来[来源:TVA]。

抽水蓄能电站在世界范围内运行，在高峰需求日输出200兆瓦至2000兆瓦的电力[来源:科尔]。它们不排放空气污染，一旦充电，在15分钟内就能上线，比峰值发电厂更快、更环保。唯一的问题是“我们已经没有合适的网站了，”Gyuk说。

压缩空气储能（压缩空气蓄能)是天然气发电厂的储存库。通常，这些发电厂燃烧天然气来加热空气，从而推动发电机中的涡轮。当天然气厂靠近地下洞穴时，比如洞穴或老矿，他们可以使用CAES。在天气清淡的日子里，工厂可以发电来运行一台压缩机，压缩机将外部空气压缩，并将其推入地下的洞中。在客户最需要电力的日子里，发电厂可以让压缩空气冲向涡轮机，推动它，连同正常的加热空气。这种压缩空气可以在几个小时内提供帮助，在高峰需求日稳定地为工厂的输出增加25兆瓦到2700兆瓦的电力。科尔]。

继续往下读，了解我们还可以在哪些地方储存能源。

现在是时候研究能够提供大爆发或更短时间的大电力的存储了。这些系统不能像抽水水力发电和CAES那样全天向客户输送大量电力。

飞轮通过旋转储存能量。最快的机器人由一个马达、一个悬浮磁铁、一个消除摩擦的真空装置和一个安全的外壳组成。当电网上有多余的电力可用时，它可以运行电机，从而旋转磁铁。当需要电力时，飞轮可以根据情况在几分钟到几小时内将其旋转出来。

在电网中，飞轮是很好的控制器。它们擅长稳定频率，正如我们提到的，在今天的美国，频率在60赫兹上下摆动。当公用事业公司的发电量超过用户用电量时，电力价格就会飙升，而当公用事业公司的发电量低于用户用电量时，电力价格就会下降。飞轮改变了这种情况，因为iso可以直接控制它们——最终，它们将是自动的——这样就没有人需要打电话给A电厂的简，等她提高或降低发电量来纠正频率问题。响应速度快，可在客户感受之前调平频率。事实上，一些美国的isso正在测试飞轮垫[来源:信标功率1，信标功率2，信标功率3]。

飞轮的另一个用途是稳定电网的电压。是什么可能改变那些坚固的高压线上的电压?试试停电、倒下的树木和电动火车带来的多米诺骨牌效应吧。当地铁或轻轨列车刹车时，它们会产生电力，提高电压，使局部电流激增。当火车加速驶出车站时，它们会吸收电力，使电压下降，并从其他地方吸收电流。飞轮可以吸收和释放电流，使电网的其余部分不受干扰。事实上，他们已经在纽约市的地铁列车上进行了测试。肯尼迪]。

飞轮对风力发电场也很有用，它们可以在阵风时产生额外的电力，并在停机时将其释放出来，这样客户就不会受到波动的影响。

超级电容器甚至比飞轮还快，通过分离电荷来储存能量。它们是“超级”的，因为它们比传统电容器存储更多的能量，但它们的工作方式是一样的。当有额外的电时，它可以用来将一些金属板上的电荷推到其他金属板上，使一些带正电，另一些带负电。当需要电的时候，极板中和，电荷流动，形成电流。在马德里、北京和其他城市，装满超级电容器的柜子为电力列车提供缓冲。西门子]。

超导磁能存储(sme)是另一种消除电网电压下降和尖峰的方法。在尖峰时，线圈吸收额外的电流，在低谷时，回路将电流返回电网。因为导线几乎没有电阻，所以它储存电流几乎没有损耗。

下一个是我们日常使用的电力存储系统:电池。

电池就像网格中的乐高积木。它们有多种类型，可以堆叠或放大以存储更多能量，可以持续供电数秒到数小时。在长寿的一端，你会发现拖车大小液流电池就像钒氧化还原和溴化锌和高温电池就像电池储能。它们可以在数小时内提供高达20兆瓦的电力。Gyuk]。在电源突发端，铅酸电池都是今天常用的。其他电池包括金属气质，锂离子，镍镉和lead-carbon。所有的电池都通过化学反应来使用和释放能量。

电池遍布美国的电网，通常在客户端，工厂，也许是你办公室的电脑，使用电池不间断电源,或联合包裹在停电期间运行电子设备。

但电池也支持电网的核心部分。在西弗吉尼亚州的查尔斯顿，每当有太多的客户通过变电站时，变电站就会过热。后来，美国电力公司安装了一块电池，以便在用电高峰期供电，变电站停止了过热。阿拉斯加州人曾经在安克雷奇和费尔班克斯之间的电力线每次出现故障都会停电，直到他们安装了一个足球场大小的电池来覆盖故障和维修期间的线路。

电池也可以帮助风力发电场在那些只在晚上吹风和客户在白天使用能源的地方。

有人说有一天会使用插电式混合动力汽车，或者插电式混合动力车，电池通过插入墙上的插座充电，用于商业电力。只要你家里的线路正确，你停着的车就能开动洗碗机。在遥远的未来，许多插入许多车库的汽车可以将电力输送到电网上需要的任何地方车辆到电网,或V2G。但这还需要许多年的时间，因为墙上的插座不能从电池中获取电力，而且这种汽车还没有商业化。

这听起来可行吗?继续往下读，你就会知道这一切要花多少钱。

“当谈到实际成本时，能源储存并不便宜，”Imre Gyuk说。

我们可以看到目前的成本，但随着更多的存储设备进入电网，成本将会下降。让我们从发电厂的存储开始。正如我们之前了解到的，电力公司可能会在发电厂储存能量，以便在高需求的日子供电。该电站全天都需要大量电力，只有压缩空气和抽水水力发电才能提供电力。该公司每花700美元购买压缩空气系统，就能获得1千瓦的电力，供应超过20小时，足以让一台咖啡机运转一整天[来源:EAC，NSTAR]。抽水发电的成本更高——每千瓦2250美元。

对于持续几分钟到几小时的电力，锂离子电池每千瓦1100美元(或咖啡机)，飞轮每千瓦1250美元，液流电池每千瓦2500美元，钠硫等高温电池每千瓦3100美元[来源:EAC]。而超级电容器的存储成本更高。

但是，据Gyuk说，我们在存储方面的投资得到了很多回报。我们的电网能够处理更多的风能和太阳能发电厂，而不会出现供电噩梦。我们有更少的峰值工厂，这意味着更少的二氧化碳排放和空气污染。根据Gyuk的说法，我们在电力上每花1美元，就会有33美分的损失。Gyuk 2008]。

如果电力公司和iso决定安装，他们将支付存储费用。“存储的价格正在下降。以其他方式解决问题的代价正在上升。很快，这些价格将会交叉，”Boyes指出，这表明成本可能会刺激电网中存储的增加。

消费者的电费最终会下降吗?也许吧。有了足够的存储，公用事业将能够以更可控的方式发电。他们会更好地利用电网中的硬件，比如输电线路和变电站，而不是更换或扩建它们。

即使消费者的电费上涨，“我们也会得到一个更好的系统，”Gyuk说。