比尔·盖茨为何“痴心”长时储能，这十大储能技术或改变世界

　　摘要：长时储能技术，被认为是可再生能源和电力行业脱碳的核心，也是比尔-盖茨投资的重中之重。报告显示，到2040年，长时储能有可能在全球部署 1.5 至 2.5 TW)(太瓦)的装机容量，是当前部署的总储能容量的8到15倍。为了实现这个目标，需要1.5万亿-3万亿美元(约10万亿-21万亿人民币)的累计投资。

　　微软创始人比尔·盖茨对储能技术的看好，可以用“痴心”来形容。

　　在《气候经济与人类未来》一书中，比尔·盖茨曾表示，“我从没想到自己会在有关电池的知识方面投入那么多的学习时间，我也从没想到自己会在电池类初创公司上面亏掉那么多的钱。”

　　比尔·盖茨这里所说的“电池”，主要指达到一定小时数的储能电池或长时储能。他投资的很多初创储能技术公司，主要通过他创立的突破能源投资基金(Breakthrough Energy Ventures，BEV)或他个人的资金进行操作。

　　尽管投资的一些储能公司失败或破产了，但这并没有改变他对储能公司的兴趣。

　　2013年4月，专门研制钠电池的初创公司Aquion Energy获得了比尔·盖茨领投的D轮3500万美元融资。2014年1月，该公司宣布，盖茨又领头和部分股东将D轮融资金额上调至5500万美元。

　　但三年之后，2017年 3 月，由于市场没有打开，未能获得进一步的融资，Aquion 开始裁员，工厂停产，并申请了破产保护。

　　类似Aquion Energy公司的破产，对比尔·盖茨没有任何影响，他对储能创新技术的兴趣依然那么浓厚。此后，他大手笔投资储能公司的案例频频发生。

　　最近，盖茨的突破能源基金又对一家液态锡储能公司进行了投资。这家名为Fourth Power的公司，使用巨大的、超便宜的、储量丰富的石墨块来储存大量能量。该公司将它们加热到高达2500°C的白热。

　　然后能量通过液态锡金属在Fourth Power的系统中移动，这种金属会在相对较低的232°C(450°F)下熔化。这些泵在石墨管道系统周围移动过热的液态锡，将热量从加热元件传递到石墨块，然后在需要将其送回电网时将其从石墨块传递到能量回收系统。

　　图说：加热元件为液态锡加载能量，并将能量储存在白热石墨块中

　　来源：Fourth Power

　　Fourth Power自称这种储能是超高温“盒子里的太阳”储能技术，比锂离子电池便宜10倍以上，而且比任何其他热电池都强大和高效得多。由于系统几乎全部由超便宜的石墨和锡制成，锂电池的安装成本可能在每千瓦时330美元左右，但该设备可以以不到25美元的价格完成同样的工作。

　　最近，Fourth Power宣布了1900万美元的A轮融资，这笔资金将用于波士顿附近一个1兆瓦时的原型设施，预计将于2026年完工。投资者 DCVC参与了领投，突破能源基金也参与支援。

　　盖茨还投资了哪些储能技术公司?长时储能未来市场前景如何?有哪些技术或改变电力系统?

　　01--盖茨热衷哪些储能技术?

　　盖茨的突破能源基金一直致力于清洁能源和脱碳技术的投资，在100多家投资对象中，除了可再生能源技术外，核能、氢能、微型电网、储能都是重点投资对象。特别是储能技术，被认为是可再生能源和电力行业脱碳的核心，所以也成为盖茨投资的重中之重。

　　比较有名的有以下几家：

　　1)Antora Energy公司：通过加热的碳块来实现储热。2022年，Antora获得盖茨Breakthrough Energy Ventures与风险投资人ChrisSacca的Lowercarbon Capital共同领投的5000万美元融资，壳牌的创投部门也参与了这项投资。

　　2)Ambri公司：这是一家位于美国的马萨诸塞州的液态金属电池制造商，通过设计一种由锑、镁和盐电解质组成的新型液态金属电池，实现电网规模的储能电池。2012年5月，Ambri的B轮融资获得了盖茨等投资者的1500万美元资金。2014年4月，Ambri的C轮融资又获得了盖茨等投资者的3500万美元资金。在2021年8月的新一轮融资中，共获得1.44亿美元的融资，盖茨也参与其中。

　　3)Form Energy公司：这是一种铁空气电池系统，活性成分是铁、水和空气。操作的基本原理是可逆生锈。放电时，电池从空气中吸入氧气，并将铁金属转化为铁锈。充电时，电流的应用将铁锈转化为铁，电池呼出氧气。Form Energy曾表示，其电池系统每千瓦时的储能成本将低于6美元，可提供几个星期，甚至几个月的储能解决方案。该公司从 BEV 那里获得了 900 万 美元的投资。

　　4)Malta公司：这家公司以前是谷歌旗下的储能项目，后来剥离出来单独成立公司，这家公司主打的是以熔融盐为介质的储热技术，目前在全世界范围内是第二大储能技术。2018年12月，这家公司获得2600万美金的A轮投资，其中盖茨的BEV参与投资。

　　5)ESS公司：ESS公司采取的解决方案是采用铁、无机盐和水作为电解质的长时液流电池技术，这些都是价格便宜且储量丰富的材料，而不像锂电池采用的锂和钴元素都是储量有限的材料。公司至今为止已获得累计5700万美元的融资，投资者包括了比尔盖茨，软银等著名机构。这周一，ESS公司将有另一个飞跃——在纽交所借壳上市，交易代码为GWH。通过上市，公司将获得3.08亿美元的资金。

　　02--长时储能市场将迎来爆发增长

　　目前的储能市场，80%以上都属于锂电池储能，但锂电池存在局限性且改进空间非常小，而且锂储量有限，受供应链影响比较大。如果要配套电网级的储能，锂电池的缺陷就更大了，存在诸多安全隐患。

　　如果要大规模发展风电、光伏等可再生能源，就不仅要协调白天和黑夜的间歇性问题，还要考虑冬季和夏季的间歇性。夏季风电光伏产能过剩，冬季产能不足，夏冬之间的季节变化是发展可再生能源更严重的障碍。通过核电，以及带碳捕获技术的煤电，可以解决一部分问题，但寻找多元化的储能方式，发展长时储能(Long-duration energy storage ，LDES )，才是为电网或新型能源系统提供系统灵活性的主流方向。

　　图说：长时储能在整个能源系统中发挥重要作用。

　　来源：麦肯锡报告

　　2021年，全球知名咨询公司麦肯锡和长期储能协会(LDES)发布的一份报告表示，到2040年，LDES 有可能在全球部署 1.5 至 2.5 TW)(太瓦)的装机容量，是当前部署的总储能容量的8到15倍。对应的储能容量是 85-140TWh)(太瓦时 )。

　　为了实现这个目标，需要1.5万亿-3万亿美元(约10万亿-21万亿人民币)的累计投资。

　　报告估计，到2040年，LDES的部署可每年避免1.5亿至 2.3 亿吨CO2当量的排放，即当今电力部门排放量的10%至15%。

　　图说：未来20年，长时储能的装机功率、电量和投资情况。

　　来源：麦肯锡报告

　　中国储能市场也有望迎来爆发式增长。

　　根据国家发改委、国家能源局2021年7月发布的《关于加快推动新型储能发展的指导意见》，到2025年，中国新型储能累计装机规模要达到30GW以上。截至2021年底，中国新型储能装机规模仅为5.76GW。

　　这意味着4年间有5倍以上的成长空间，复合年均增长率为51%。

　　03--哪些储能技术可能改变世界?

　　新型长时储能技术仍处于萌芽阶段，未来几年将加速发展，但部署已经开始了，技术流派也白芳争艳。哪些技术将发挥关键作用呢?新能源媒体Recharge News对除了锂电、绿氢和抽水蓄能之外的、最近最受关注的十大创新储能技术进行了盘点：

　　1)重力储能

　　该领域涌现出的最具创意的想法之一或许是利用重力将定制的砖块用起重机拖上高空，然后再释放下来，从而储存多余的绿色能源。

　　这种储存动能的方法与水力发电类似，但并不局限于需要在山区才能实现。

　　瑞士公司 Energy Vault 是这一领域的佼佼者，该公司最近凭借其定制设施在中国赢得了高达 10 亿美元的订单。与此同时，苏格兰新创公司 Gravitricity 也将美国的矿井作为自己类似概念的应用场景。

　　图说：Energy Vault 最近在中国启用了重力储能设施

　　来源：Energy Vault

　　2)“无水”水力发电

　　英国一家公司率先提出，将水电的巨大潜力从其地理链条中解放出来，该公司称其技术甚至可以将起伏不大的山丘变成绿色电池。

　　RheEnergise 公司称，该公司通过开发一种系统，在能源廉价时将获得专利的液体泵上山，从而实现了这一目标。由于这种液体的密度是水的 2.5 倍，该系统工作所需的坡度据称要比抽水蓄能低2.5 倍。这样做的好处是，该系统可以在更多的地方使用。

　　RheEnergise 声称已经在全球找到了近 100 万个合适的地点。目前，该公司已经签订了一项协议，将在英国乡村推广其技术。

　　3)压缩空气储能

　　压缩空气是一种历史悠久的储能技术，但历来受到地理条件的限制——通常依赖于大型盐洞和枯竭的石油或天然气储层。

　　加拿大开发商 Hydrostor 称，它通过开发可在任何地方建造的定制岩洞解决了这一问题。该公司利用过剩或非峰值能源生产加热压缩空气。然后，通过提取热量，将空气泵入装满水的岩洞，再将水推到地表。

　　当需要能源时，水会从竖井涌回，迫使空气上升，与储存的热量重新结合，为涡轮机提供动力。

　　Hydrostor 公司的概念得到了高盛等公司的支持，目前正在美国、英国、加拿大以及最近的澳大利亚开发项目。

　　Hydrostor展示了其压缩空气储能技术的工作原理。

　　来源：Hydrostor

　　4)混凝土电池

　　美国麻省理工学院的一个团队在这方面最近取得了一项突破性进展，称可以建造出从地基供电的房屋，以及在电动汽车飞驰时为其充电的道路。

　　研究小组发现，利用水泥和炭黑(一种看起来像非常细的木炭的高导电性材料)，可以制造出一种超级电容器来储存电能。这些材料的丰富性意味着超级电容器可以在地球上的任何地方轻松制造。

　　研究人员说，由于这种材料非常坚固，可以用作建筑物的混凝土地基或道路的一部分，将它们变成电池，为从水壶到汽车的所有物品供电。

　　5)过热砖储能

　　微软和石油巨头沙特阿美石油公司为加利福尼亚州的一家初创公司提供了支持，该公司希望通过将多余的可再生能源储存在过热砖中，帮助工业减少排放。

　　Rondo Energy 公司正在开发一种系统，利用电加热元件(如烤面包机或烤箱中的电加热元件)对数千吨砖块进行加热。当需要电力时，空气就会从砖堆中流出，然后以过热空气或蒸汽的形式输送到终端。

　　Rondo 公司已经与泰国的一家企业集团合作，扩大其系统的生产能力，并称其工厂将 "比目前世界上任何一家电池生产厂都要大"。

　　6)金属合金储能

　　石油巨头壳牌公司(Shell)正在支持另一种热能存储技术，这种技术可以将电力装入鞋盒大小的金属合金颗粒块中。

　　富余的能量被用来加热合金颗粒，直到它们熔化，而基质材料则保持固态，将熔化的颗粒固定在原位。当金属块冷却后，它们散发出的热量可用于为下游涡轮机提供动力。

　　澳大利亚的 MGA Thermal 公司是这项技术的引导者，尽管在该国的一个示范装置出现过热危险，引发了周围地区因担心发生爆炸而进行疏散之后，这项技术的起步并不顺利。

　　7)木质素电池

　　瑞典的 Northvolt 公司是能源存储领域最大的公司之一，该公司正在开发可持续电池，使用从北欧森林的木材中提取的木质素硬碳来制造电池。

　　Northvolt 公司与芬兰造纸和纸浆巨头斯道拉恩索公司合作，旨在制造出世界上第一块完全采用欧洲原材料制造阳极的工业电池，从而降低碳足迹和成本。

　　木质素是一种源自植物的聚合物，约占树木的 20-30%。斯道拉恩索公司将提供来自可持续管理森林的木质素，而 Northvolt 公司则计划推动电池设计、生产工艺开发和技术放大。

　　8)铁流电池

　　铁流电池是正在开发的下一代电池技术之一，它通过一种称为氧化还原反应的过程，使液态电解质循环以实现电子的充放电。与传统电池不同的是，负极和正极可以使用相同的电解质。

　　这种电池的主要制造商之一——美国 ESS Tech 公司表示，这种电池可以避免交叉污染和降解，这意味着其电池的预期寿命可达 25 年。而传统电池的使用寿命通常只有 10 年。

　　ESS公司得到了盖茨的突破能源基金等机构的支持。

　　9)铁-空气储能

　　Form Energy 首创的铁-空气电池也使用铁，也得到了盖茨基金的支持，但是工作原理截然不同。这是一种“可逆生锈”的工作原理。

　　充电时，电流会将铁锈转化为铁，由铁和空气电极组成的电池会呼出氧气。放电时，电池吸入空气中的氧气，将铁重新转化为铁锈。

　　Form Energy 公司声称，其电池可储存 100 小时的电力，系统成本可与传统发电厂媲美。该公司的电池最近被批准在美国最大的太阳能发电厂之一进行示范。

　　10)镍锌电池

　　这项突破性技术是一种新型电极，该技术的商业化公司 Enzinc 声称，这种电极可以投放到生产可靠但低功率铅酸电池的工厂中，将其转化为能量密度更高的镍锌电池生产线。

　　镍锌电池是由美国著名发明家爱迪生开发的，但由于只能维持几十次循环，因此一直没有得到广泛应用。Enzinc公司声称，新型电极解决了这一问题，使电池的功率与锂电池相当，而安全性与铅电池相当。

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　　参考资料：

　　[1]环球零碳：比尔.盖茨看好的长期储能，将迎来10万亿规模的爆发机会

　　[2]财联社：电网级储能技术大突破!新设备性能媲美锂电 成本还便宜10倍以上

　　[3]科创日报：盖茨投资美国储能公司Ambri 新型技术比锂电池续航更久更便宜

　　[4]中和储能：比尔盖茨领投长时热储能初创公司5000万美元 长时储能技术百花齐放

　　[5]https://www.rechargenews.com/energy-transition/ten-energy-storage-technologies-that-want-to-change-the-world/2-1-1556351

　　[6]https://newatlas.com/energy/fourth-power-liquid-tin-battery/

　　[7]https://energydome.com/energy-dome-announces-funding-commitments-from-breakthrough-energy-catalyst-and-the-european-investment-bank-to-support-construction-of-its-first-standard-commercial-scale-co2-battery/