特斯拉能源墻的新意

孫愛民+呂方銳

單個(gè)電池實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)量達(dá)到兆瓦級(jí)別，仍是不可實(shí)現(xiàn)的。不過，特斯拉將大量小電池集成形成一塊大電池的解決方案，讓全球消費(fèi)者看到了增加電池存儲(chǔ)量的可能。

想象一下，某個(gè)夜晚，城市用電高峰，拉閘限電，而你打開掛在墻上的“大電池”，室內(nèi)一片光明，甚至可以開著電動(dòng)汽車出去兜個(gè)風(fēng)。更酷的是這些電是免費(fèi)的，因?yàn)槟慵业奶柲馨l(fā)電組或者風(fēng)力發(fā)電組，白天用電冗余部分充進(jìn)了大電池，晚上使用，完全獨(dú)立于公共電網(wǎng)。

這是美國(guó)特斯拉公司（Tesla）設(shè)計(jì)Powerwall要達(dá)成的愿景。

Powerwall不是發(fā)電裝置，更像是一塊大電池。由于可以掛在墻壁上，在中國(guó)，它被稱為“能源墻”。

如果Powerwall這塊“電池”能接入到電網(wǎng)，好處是計(jì)算階梯電價(jià)時(shí)，Powerwall可以在電費(fèi)較低時(shí)段，預(yù)先存儲(chǔ)一部分電能，而在電費(fèi)較高時(shí)段使用，從而節(jié)省電費(fèi)支出。如果你家屋頂上有太陽能，那就完全免費(fèi)了，Powerwall負(fù)責(zé)從發(fā)電到用電中間的存儲(chǔ)，甚至可以使普通家庭用戶離開公共電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。

按特斯拉的CEO埃隆·馬斯克的計(jì)劃，新一代Powerwall儲(chǔ)能電池將在七八月問世。這距離第一代Powerwall“降生”不到一年，他急于讓Powerwall進(jìn)入全球大部分家庭，成為家庭的“大電池”。

僅僅有不到30年產(chǎn)業(yè)化歷史的鋰電池技術(shù)，能否支撐起Powerwall未來的使命？特斯拉的解決方案，可否用于儲(chǔ)能裝置與大型新能源發(fā)電站的結(jié)合？這種由小電池組裝成的儲(chǔ)能系統(tǒng)，如何與公共電網(wǎng)跳好“二人轉(zhuǎn)”？

一切都還是未知，《財(cái)經(jīng)》記者采訪發(fā)現(xiàn)，在能源界也有不同的聲音。

老技術(shù)換新裝

目前的電池技術(shù)，單個(gè)電池做到存儲(chǔ)量達(dá)到兆瓦級(jí)別，仍是不可實(shí)現(xiàn)的，特斯拉將大量小電池集成形成一塊大電池的解決方案，在大數(shù)量級(jí)電量存儲(chǔ)方面給出了一個(gè)新思路。

Powerwall的創(chuàng)新在于利用一套電池管理系統(tǒng)，把近7000塊18650鋰電池反復(fù)分組，每一層都有管理，靠軟件技術(shù)保證電池充放電的一致性，避免危險(xiǎn)發(fā)生。

18650電池是鋰離子電池的鼻祖，是日本索尼公司為了節(jié)省成本而制定的一種鋰離子電池型號(hào)。

中科院物理所研究員、中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟專家委員會(huì)主任委員黃學(xué)杰接受《財(cái)經(jīng)》記者采訪時(shí)表示，Powerwall使用的鋰電池技術(shù)本身很成熟，它做的是把小電池組裝成儲(chǔ)存單元，“特斯拉主要是提出商業(yè)模式”。

以前就曾有類似Powerwall的家用儲(chǔ)能產(chǎn)品，不過，大多數(shù)出現(xiàn)在日本市場(chǎng)。比如，2011年4月，索尼發(fā)布的采用橄欖石磷酸鐵鋰充電電池的1.2kWh儲(chǔ)能模塊;2011年7月，東芝推出的由錳酸鋰電池+鈦酸鋰電池組成的1.6kWh產(chǎn)品;2012年3月，NEC發(fā)布的由錳酸鋰聚合物電池組成的6kWh儲(chǔ)能產(chǎn)品等。

在中國(guó)科學(xué)院電工研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究組組長(zhǎng)陳永看來，從電池技術(shù)的本質(zhì)來看，Powerwall并沒有根本性突破。不過，它的電池管理、溫度控制，以及電池跟外部電網(wǎng)的互動(dòng)，值得借鑒。比如，為了防止電池溫度過高和差異過大，Powerwall配備了一套冷卻系統(tǒng)，用冷卻液平衡電池之間不同的溫度，防止溫差造成危險(xiǎn)。

陳永也提醒，Powerwall將成千上萬個(gè)小電池堆積，未必是未來儲(chǔ)能的正確思路。

以小體積實(shí)現(xiàn)大電量的儲(chǔ)備，是目前整個(gè)儲(chǔ)能行業(yè)、電池技術(shù)共同的瓶頸。 未來儲(chǔ)能，電池需要放大，但應(yīng)以什么思路放大？

“直接放大是不行的，拿現(xiàn)有做小電池的思路來做大電池，我認(rèn)為是不通的。”陳永接受《財(cái)經(jīng)》記者采訪時(shí)直言，小電池本來有一定的安全隱患，從概率上來看，簡(jiǎn)單地大數(shù)量堆積會(huì)增加隱患和成本。

什么在阻礙電池?zé)o限量擴(kuò)容

電池的續(xù)航能力一直是技術(shù)難點(diǎn)，特斯拉讓全球消費(fèi)者看到了增加電池存儲(chǔ)量的可能，但現(xiàn)有的電池技術(shù)還有多大的增量空間？

目前，電子用品市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的是鋰離子電池，特斯拉產(chǎn)品也用這種電池。鋰離子電池屬于二次電池，可以重復(fù)使用。

1991年，索尼公司推出第一塊商品化鋰離子電池，并帶來電池工業(yè)的一次革命。鋰離子電池首先進(jìn)入手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場(chǎng)，沒用幾年時(shí)間就一統(tǒng)天下，將鎳鎘電池、鎳氫電池等逐出市場(chǎng)。

其實(shí)，二次電池領(lǐng)域也是一個(gè)大家族，有鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鈉硫電池、液流電池等。全球電池市場(chǎng)中，鉛酸電池的市場(chǎng)份額，在所有二次電池中仍占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位，不過鋰電池增勢(shì)迅猛。

2018年，鋰電池全球市場(chǎng)規(guī)模將比2013年增加31.7%，占整體電池市場(chǎng)的比重，達(dá)到三成左右。

能量密度、價(jià)格、安全、壽命、體積等是衡量電池的常用指標(biāo)。黃學(xué)杰分析，電池在不同的使用環(huán)境中，側(cè)重的指標(biāo)不一樣，“不同的設(shè)備中，對(duì)電池指標(biāo)的注重可以協(xié)調(diào)，尤其是相互制約與矛盾的指標(biāo)”。

手機(jī)電池需要在最小的尺寸里裝盡量多的能量，安全系數(shù)會(huì)低一些，消費(fèi)者可以忍受高一些的價(jià)格，壽命也可以短一些，一般3年就夠;汽車用電池需要10年以上的壽命，安全系數(shù)要求更高，同時(shí)價(jià)格不能太高;在大的儲(chǔ)能領(lǐng)域，需要電池壽命達(dá)到20年以上，體積指標(biāo)可以放松一些。

在上述指標(biāo)中，顯示設(shè)備續(xù)航能力的電池能量密度，常常與安全性是相互矛盾的，即能量密度越高，危險(xiǎn)性也就越大。

從電池技術(shù)的本質(zhì)來看，Powerwll并沒有根本性突破。不過，它的電池管理、溫度控制，以及電池跟外部電網(wǎng)的互動(dòng)，值得借鑒。

鋰電池的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在正負(fù)極材料、電解質(zhì)和隔膜上，材料的性能和制備工藝很大程度上決定了電池的性能。

電池技術(shù)的突破依賴基礎(chǔ)材料性能的提升，遺憾的是，材料鮮有重大突破。石墨烯材料被廣為看好，不過，至今沒有真正的產(chǎn)品可用。

在隔膜方面，美國(guó)與日本擁有先進(jìn)隔膜生產(chǎn)的技術(shù)專利，但這些研發(fā)成果都針對(duì)小電池，尤其是在數(shù)碼產(chǎn)品、智能手機(jī)領(lǐng)域，對(duì)于未來的大型電動(dòng)車電池、電網(wǎng)儲(chǔ)能電池，目前隔膜的研究思路是否適合，陳永認(rèn)為仍是一個(gè)大問號(hào)。

除電池的材料之外，電池的結(jié)構(gòu)常常被忽視。

陳永將電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比作是炒菜，不同的廚師用同樣的原材料炒出來的菜，味道可能是不一樣的?！巴瑯拥牟牧?，采用不一樣的電池結(jié)構(gòu)技術(shù)，性能就會(huì)有相當(dāng)大區(qū)別。”陳永對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者說。

安全性考慮、材料技術(shù)、電池結(jié)構(gòu)技術(shù)，并不是阻礙電池?zé)o限量擴(kuò)容、設(shè)備無限增大續(xù)航的全部因素，終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也在掣肘電池?cái)U(kuò)容。要知道，智能手機(jī)中的很多功能沒有那么緊要，但在后臺(tái)運(yùn)行時(shí)卻很耗電。

即便是特斯拉，也無法回避當(dāng)前電池技術(shù)面臨的上述局限。此外當(dāng)然也受成本拖累。

Powerwall目前有容量為10千瓦時(shí)與7千瓦時(shí)兩個(gè)版本，售價(jià)分別為3500美元和3000美元，相當(dāng)于2.17萬元和1.86萬元左右人民幣。高昂的價(jià)格，會(huì)成為阻攔其進(jìn)入尋常百姓家的門檻。

7千瓦時(shí)，基本能滿足一個(gè)中國(guó)家庭一天的常規(guī)用電量，但Powerwall想在中國(guó)遍地開發(fā)，還需要研究中國(guó)的國(guó)情。陳永表示，美國(guó)和中國(guó)的國(guó)情是不一樣的，美國(guó)別墅數(shù)量眾多，都是獨(dú)家獨(dú)戶的，分布式光伏發(fā)電設(shè)備應(yīng)用廣泛，Powerwall會(huì)受到青睞，中國(guó)則情況不同。

特斯拉進(jìn)軍家庭儲(chǔ)能設(shè)備，并在中國(guó)官網(wǎng)上線Powerwall，對(duì)此，常州天合光能有限公司新聞發(fā)言人葉超分析認(rèn)為，“更多是看準(zhǔn)了未來中國(guó)市場(chǎng)需求的潛力，意欲提前布局”。

就像光伏發(fā)電一樣，隨著技術(shù)與市場(chǎng)的成熟，從開始興起時(shí)每瓦幾十元，現(xiàn)在降到幾元，未來還會(huì)降到幾角，行業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)，家庭儲(chǔ)電設(shè)備也會(huì)走一樣的路。

黃學(xué)杰分析，在儲(chǔ)能技術(shù)中當(dāng)電池的成本達(dá)到1元每瓦時(shí)，就具有商業(yè)價(jià)值，而現(xiàn)在的成本是理想成本的兩倍以上。

消費(fèi)者與政府決策者，還應(yīng)該換一個(gè)思路看待電池的成本問題。

二次電池本身可以循環(huán)使用，比如電動(dòng)車報(bào)廢以后，其電池仍有60%以上的儲(chǔ)電能力，還可以繼續(xù)用于家庭儲(chǔ)電。此外，電池與新能源結(jié)合后，帶來的經(jīng)濟(jì)成本與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，有更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值?！安荒芸偸墙o外界傳達(dá)這個(gè)期望：電池成本、儲(chǔ)能成本可以不停地降下來，也要考慮傳統(tǒng)能源的環(huán)境成本?！标愑勒f。

更宏大的能源管理目標(biāo)

以小體積儲(chǔ)備大電量，不僅是電池行業(yè)本身難以實(shí)現(xiàn)的突破，也是儲(chǔ)能行業(yè)的瓶頸。

就在世界主要國(guó)家紛紛將發(fā)展太陽能、風(fēng)能等可再生能源上升為國(guó)家戰(zhàn)略時(shí)，解決太陽能發(fā)電、風(fēng)電的間歇性——高峰和低谷之間的變化，成為迫切的需求。

這需要儲(chǔ)能來“削峰填谷”，使能源輸出不間斷。黃學(xué)杰分析，“電池儲(chǔ)能是未來趨勢(shì)，不僅是在大型風(fēng)電站與太陽能光伏發(fā)電中，還能用于對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的調(diào)頻?！?/p>

為用戶節(jié)省成本，也不是Powerwall最主要的目的，埃隆·馬斯克為Powerwall所設(shè)定的，是更宏大的能源管理目標(biāo)。

比如，由于消費(fèi)者的生活形態(tài)有著固定的節(jié)奏，也會(huì)形成用電的峰谷。而電力公司必須以高峰用電量來規(guī)劃發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃，造成在非高峰時(shí)間往往產(chǎn)生了多余的電能無人使用，這些電能就被浪費(fèi)掉了。

“十二五”期間，中國(guó)建立風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程，初衷就是想把風(fēng)、光、儲(chǔ)這幾種方式聯(lián)合起來，以電池儲(chǔ)能作為載體，實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光、儲(chǔ)多時(shí)間尺度的出力互補(bǔ)，使這些新能源發(fā)電達(dá)到或者接近常規(guī)電源，并探索出最為優(yōu)化的聯(lián)合配比比例。

國(guó)家電網(wǎng)中國(guó)電力科學(xué)研究院電工與新材料研究所所長(zhǎng)來小康在評(píng)價(jià)這一示范項(xiàng)目時(shí)曾表示，“磷酸鐵鋰電池的運(yùn)行效果非常好，效率能達(dá)到80%以上，此前大家擔(dān)心它的安全性，但事實(shí)證明，自儲(chǔ)能電站運(yùn)行以來，磷酸鐵鋰電池沒有出現(xiàn)過任何安全事故?！?/p>

不過，受制于電池使用成本，對(duì)電網(wǎng)調(diào)頻有很大經(jīng)濟(jì)價(jià)值的儲(chǔ)能技術(shù)，還不能全面推廣，仍依靠政府補(bǔ)貼進(jìn)行項(xiàng)目示范。

況且，國(guó)內(nèi)多數(shù)示范項(xiàng)目還停留在對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)做驗(yàn)證的階段，雖然目前安全性得以實(shí)現(xiàn)，但避免安全事故發(fā)生并不是示范的唯一目標(biāo)，最終還是要市場(chǎng)化應(yīng)用。陳永表示，儲(chǔ)能示范項(xiàng)目也是為了讓一些不太成熟的技術(shù)，通過示范達(dá)到商業(yè)化、市場(chǎng)化的過渡，起到橋梁作用。

“十三五”規(guī)劃提出針對(duì)長(zhǎng)期制約新能源發(fā)展的儲(chǔ)能瓶頸，將“加強(qiáng)儲(chǔ)能和智能電網(wǎng)建設(shè)，發(fā)展分布式能源，推行節(jié)能低碳電力調(diào)度”。

陳永建議，在實(shí)施這些規(guī)劃時(shí)，“要避免上馬重復(fù)項(xiàng)目，不能為了示范而示范”，將儲(chǔ)能示范項(xiàng)目數(shù)據(jù)的公開與共享，便于研究，也便于監(jiān)督。

同時(shí)，應(yīng)該開展大型儲(chǔ)能電站的仿真與模擬研究，像測(cè)試電網(wǎng)擾動(dòng)那樣，建立大型模擬系統(tǒng)，并給出一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)，看電網(wǎng)如何反應(yīng)、會(huì)不會(huì)崩潰。而對(duì)于企業(yè)愿意積極實(shí)施的商業(yè)示范項(xiàng)目，政府應(yīng)盡可能給予政策支持，推動(dòng)儲(chǔ)能商業(yè)模式的創(chuàng)新發(fā)展。

“要推動(dòng)新的電池技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)的推廣，不能讓儲(chǔ)能行業(yè)重蹈光伏產(chǎn)業(yè)的覆轍?！秉S學(xué)杰表示。