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软银1.1亿美元豪赌 “疯狂”新技术,用混凝土块搭积木来储能

北极蚊子 2019-8-22 15:47

8 月 15 日,软银旗下规模达千亿美元的“愿景基金”(Vision Fund)宣布,向新型储能技术公司 Energy Vault 投资 1.1 亿美元,标志着这家公司独一无二的新型储能技术获得了软银的认可。

不同于任何一种传统储能技术,这家瑞士/美国的创业公司,使用的是一种有点“疯狂”的新概念——用混凝土块来搭积木。在他们的设计中,共有6座塔式起重机,也就是塔吊,把数千块每个重达 35 吨的混凝土块,上上下下地吊来吊去。电力多余时,他们会把混凝土块吊到最高 120 米的高度,将电能转化混凝土块的重力势能;而电力短缺的时候,再把混凝土块从高处放到低处,通过发电机把下落时释放的重力势能转化为电能,从而实现像电池一样的储能功能,帮助不稳定的太阳能光伏和风电更好地并网。Energy Vault 宣称,这项技术的输出功率可以在 2.9 秒内迅速从 0 增加到 100%,从而实现对电网需求的高速响应,而且循环效率可以高达 90%,是极具前景的储能技术。

图 | Energy Vault的水泥塔储能概念(来源:Energy Vault)

储能的各种技术很多,使用锂电池进行储能也相对比较成熟了,那么,孙正义的软银为什么要投资这么一个“低技术含量”的新技术呢?这次投资又有什么重要的意义?就让我们从可再生能源的特点出发,给您从头说起。

迫在眉睫的储能挑战

全球气候变暖引发的经济衰退和自然灾害,正在引起越来越多的人关注。今年夏天,难忍的热浪席卷了北半球大部分地区,而未来,强台风、山火等极端天候也将越来越频繁。有人预测,到本世纪末,由于气候变化而导致的世界经济衰退将超过 23%。研究显示,如果维持现有的排放情况不变,到本世纪末,地球的温度将升高到灾难性的 5℃。《巴黎协定》要求,必须在本世纪将全球气温升高控制在 2℃ 以内。

为了实现这个目标,大幅提高可再生能源的发电比例是重中之重。美国加州宣布,要在 2045 年实现全部电力由清洁能源提供。而根据中国能源发展“十三五”规划,到 2020 年,我国非化石能源占能源消费比例也要达到 15%。

然而,大幅提高的新能源发电比例,给电网带来了前所未有的挑战

与燃煤、燃气、核电、水电机组相比,太阳能、风能等可再生能源的发电基本是“靠天吃饭”——有光、有风才能发电。而电网最重要的事情,就是稳定可控,什么时候要你发多少电,你就得发多少,多一点少一点都不行。

去年,麻省理工学院教授 Donald Sadowa y在出席由 Deeptech 主办的“全球新兴科技峰会”时,曾向现场的几千名观众介绍道,电网是全世界最大的物流系统,而且这个系统没有仓库。任何一个时刻,只要发货(发电)量和收货(用电)量有一点不匹配,就会导致整个系统至少局部出现崩溃(停电)。因此,能把能源储存起来的技术,也就是储能技术,就像物流系统中的仓库一样至关重要。在发电量多的时候储电,发电量少的时候放电。用储能作为发电和用电之间的缓冲,才能从根本上提高可再生能源的发电比例。

储能对于电网来说有多重要?我们举一个刚刚发生的例子。

这些年,通过不断的努力,英国终于在两个月前实现了清洁能源发电比例超过化石能源,这可是工业革命以来的头一遭,是个了不起的成绩。然而,过了没多久,就在8月9日,英格兰和威尔士突然爆发了一起罕见的大停电事故,共有100万人受到了影响。而事故的原因,有分析认为与该地区的电网里风电的比例太高有关。当日下午,某燃气发电机组出现故障之后,本该“挺身而出”的海上风电非但没有增加发电量,反而大幅降低了自己的发电量,导致了大规模停电事故的发生。

图 | BBC 报道的停电中的英国,大家只能摸黑前进(来源:BBC)

最后,一类叫做“抽水蓄能”的电站紧急提高发电量,才迅速弥补了燃气电站和风电场发电量的不足,避免停电进一步扩大,并让电网在 1.5 小时后恢复了正常。

而这个“抽水蓄能”电站,就是目前应用规模最广、技术最成熟的能源储存系统。没错,应用规模最大的储能技术,并不是马斯克等一众科技明星推广的“高科技”的锂电池,而是这种相对来说更“低科技”的概念。

所谓的抽水蓄能,简而言之是这么一个过程:

一个抽水蓄能电站由两个在海拔高度上有差异的水池、水库、湖泊组成。它们之间有水道和水轮/发电机械连接。电力负荷低谷时,下面水库的水会被抽到上面水库里去,而用电高峰时,再把上面的水放到下面,利用水的重力势能发电。

图 | “江南天池”——浙江天荒坪抽水蓄能电站。用电高峰时,“天池“里的水就会被放到山下的水库里去,推动涡轮机组发电(来源:Wikipedia)

这种电站涉及到的所有技术、设备都非常成熟,而水又是纯天然的免费的“储能介质”,发电的动力更是不要钱的地球引力,因而储能的成本很低。相比于每度电 20 ~ 30 美分左右的锂电池,抽水蓄能的成本只有十几美分。目前,为了提高太阳能、风能等发电比例,不少地方都兴建起了大量的抽水蓄能电站。

然而,抽水蓄能电站的部署严重依赖于特殊的地理条件,想要在全世界都建设抽水蓄能电站是不现实的。例如,由于身处阿尔卑斯山区,中欧小国瑞士兴建了大量的抽水蓄能电站,因此被称为是“欧洲的蓄电池”。然而,整个瑞士的水力发电量,如果放到中国来,则只能占到全国用电需求的 1% 左右。而在中国经济最为发达的平原地区,根本没有几座山可以在山上、山下都兴建水库。

至于现有的锂电池技术,其成本已经下降到了接近原材料价格的地步,却依然不够低。目前,锂电池储能系统主要是在为电力系统提供包括调频、备用、无功补偿和黑启动等在内的辅助服务。除非出现技术上的革命性突破,否则锂电池就将无法用于对电网级别规模的能源提供长时间储能服务。

在风电技术和光伏技术都已经很成熟的今天,利用可再生能源解决全球气候变暖最大的拦路虎之一,就是大规模、廉价的高效储能技术。

这就是为什么,使用了和抽水蓄能概念类似、却摆脱了抽水蓄能地理条件限制的 Energy Vault,获得了如此多的关注。

初中物理就能理解的“低技术”创新

图| 概念图:Energy Vault用于平衡可再生能源发电(来源:Energy Vault)

Energy Vault 成立于 2017 年,公司注册地址就位于满是抽水蓄能电站的瑞士。他们曾在 9 个月内,用不到 200 万美元,建成了第一个主要利用混凝土块来储存能源的原型机。

与抽水蓄能类似,Energy Vault 利用的也是重力势能和电能之间相互转化这个只需初中物理常识就能理解的概念。他们计划,使用大型的塔吊,把重达 35 吨的混凝土块,在塔吊周围搬来搬去,最高可以堆砌到 33 层、120 米。使用先进的软件系统进行控制,他们希望可以在有风天都实现精确的混凝土块吊装

图 | Energy Vault的概念(来源:Energy Vault)

而用做重物的混凝土材料,则是由建筑垃圾、煤灰、泥土等制成的。这些原材料有的是免费的,有的甚至是建筑工地倒贴钱也希望有人能帮忙处理掉的。通过创新开发,Energy Vault 宣称,这些二手材料制成的新型混凝土又廉价、又轻量,寿命还很长(大于 30 年)。

因此,在最理想的情况下,除了可以通过提供储能服务来向电网要钱,Energy Vault 还能通过收取垃圾处理费获得额外利润。再加上高达 80% - 90% 的储能效率,Energy Vault 宣称,他们技术的成本,连抽水蓄能的 1/3 都不到(每度电只有5美分),还能摆脱抽水蓄能的地域限制。此外,他们还可以根据客户的需求,订制规模正好满足要求的储能设施。

这次获得大笔资金的支持,标志着曾投资过 WeWork、今日头条、滴滴、Uber、Grab 的软银愿景基金,认为 Energy Vault 的技术已经基本成熟。1.1 亿美元将助力他们进一步将该技术投入正式商用。

软银认为,这么好的技术,只有一次投资的机会。一旦技术投入商用,大规模的订单就将如雪片般从世界各地飞来,到时候,Energy Vault 就再也不会需要什么投资了。

但是,真的是低科技吗?

然而,Energy Vault 这个概念,从诞生之初就饱受争议。业界普遍认为,这个技术,一点都没有看上去那么“低科技”。许多科学家、工程师都提出了自己的质疑,指出了这项技术真正应用时,所可能面临的各种艰巨的挑战。这些挑战包括但不限于:

  • 占地面积大,能量密度低。120 米高、5000 多块 35 吨重的混凝土砖,输出的功率却和一座同等高度的风力发电机在同一个级别。换句话说,如果想摆脱锂电池只能提供辅助服务的“尴尬”境遇,他们似乎需要给每一台风机都配备一座高塔。
  • 寿命能不能达到 30 年?就算他们的新型混凝土块材料可以受得了风吹雨淋和日日摔打,但是起重机行吗?每天不停地搬运35吨重的重物上下几十米,不会报废吗?
  • 生产普通的水泥会产生大量的二氧化碳,用二手原材料能避免吗?会不会排放的二氧化碳比提高新能源发电比例省下来的还多?
  • 这项技术对塔吊的精度要求非常高。几十米长、迎风飘摆的缆绳,需要做到让 5000 块砖,每一块的位置误差都小于几毫米。否则,百米高塔就真的会像小孩子搭的积木一样,说塌就塌。在知名媒体 Quartz 发布的一段 Energy Vault 原型机的视频中,钢缆的抖动幅度明显很大,远不止几毫米。而且,只有 20 米高的塔,为了提高稳定性,Energy Vault 把塔的主体用一道道钢箍紧紧绑牢。可能他们自己也担心,如果上面的没放稳,下面的就会塌。

图 | Quartz 发布的视频,可以看到,为了提高塔的稳定,Energy Vault 采用了一些在实际中绝对不能用的办法。(来源:Quartz)

此外,如果遇到强风呢?塔会不会塌?

地震呢?

30年的时间里,塔基会不会发生沉降、歪斜?

混凝土块起高塔的技术,容错率是很低的,任何一次错误,都会让整个项目瞬间坍塌为一座复原难度极高的垃圾山。

因此,对于软银来说,投资 Energy Vault 也是一场豪赌。成功了,回报率不可想象;失败了,1.1 亿美元也就打水漂了。

不过,大多数对 Energy Vault 提出质疑的人,都非常期待 Energy Vault 能把上面这些工程挑战一个接一个地全部解决掉,把真正的完整规模的项目建造出来。Energy Vault 目前正在意大利北部兴建他们的第一座全规模储能电站,预计今年年底完工。

也许用不了多久,围绕他们的所有谜团,就都会逐一揭开。

不过,这件事情的标志性意义,绝不仅仅只在于有了一种新技术而已。

随着一笔“巨款”投向一种新的非电池储能技术,软银向整个投资界宣告,这个领域值得更多的、更大笔的投资。

有比尔·盖茨领衔的“突破能源基金会”珠玉在前,投资界、金融界在这两年明显增加了对创新能源技术的关注。比如,相比于利用重力势能储能的Energy Vault,脱胎于 Google X 实验室的 Malta 项目成名更久。他们依赖热力学循环来实现大规模、低成本的储能,早就是业界关注的焦点。

图 | Malta 项目把电能转化为冷和热储存起来,再利用涡轮机构释放出来,是谷歌孕育出的明星能源项目。(来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

而更多、更先进的新概念、新技术,则在全世界各地的创业公司、高校和研究机构里不断孕育成长着。从企业界、科研机构,到金融界和能源市场,大家都对新型的储能技术翘首以待。

2019 年,会成为储能的春天吗?

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