当太阳不照耀时，电源

2016年，在休斯敦能源大会CERAWeek上，麻省理工学院材料科学家Yet-Ming Chiang发现自己正在与特斯拉的一位高管讨论一个棘手的问题：如何长期存储太阳能电池板和风力涡轮机的输出。

京瓷材料科学与工程教授蒋和特斯拉副总裁马特奥·哈拉米略（Mateo Jaramillo）知道，公用事业公司缺乏一种具有成本效益的方法来储存可再生能源，以满足高峰需求水平，并在无风和多云的日子里弥合差距。他们还知道，如果可再生能源要大规模取代电网上的化石燃料，就需要解决传统储能设备中使用的原材料稀缺问题。

储能技术可以促进可再生能源的获取，提高电网的稳定性和可靠性，并最终加速电网脱碳。这些系统（主要是大型电池）的全球市场预计将在未来几年大幅增长。非营利性LDES（长时储能）委员会的一项研究显示，到2040年，长时储能市场将达到80至140太瓦时。“这是一个非常大的数字，”蒋指出。“地球上每 10 个人就需要获得相当于一个 EV [电动汽车] 电池的电池来支持他们的能源需求。”

2017 年，在休斯顿相遇一年后，Chiang 和 Jaramillo 联手在马萨诸塞州萨默维尔共同创立了 Form Energy，与麻省理工学院毕业生 Marco Ferrara SM ’06、PhD ’08 和 William Woodford PhD ’13 以及储能资深人士 Ted Wiley。

“电能存储市场正在蓬勃发展，因为我们希望尽可能快速、经济高效地实现脱碳，”Form 负责软件和分析的高级副总裁 Ferrara 说。

投资者对此表示赞同。在接下来的六年里，Form Energy将筹集超过8亿美元的风险投资。

弥合差距

最简单的电池由阳极、阴极和电解质组成。在放电过程中，在电解质的帮助下，电子从负极流向正阴极。在充电过程中，外部电压会反转该过程。阳极变成正极，阴极变成负极，电子回到它们开始的地方。用于阳极、阴极和电解质的材料决定了电池的重量、功率和成本“权利”，即组件层面的总成本。

在 1980 年代和 1990 年代，锂的使用彻底改变了电池，使它们更小、更轻，并且能够更长时间地充电。Form Energy设计的存储设备是基于铁的可充电电池，与锂相比具有多项优势。一个很大的问题是成本。

蒋曾对北加州麻省理工学院俱乐部宣称，“我喜欢锂离子。蒋介石创立的四家麻省理工学院分拆公司中，有两家以创新锂离子电池为中心。但是，锂离子的价格为每千瓦时（kWh）数百美元，存储容量通常以小时为单位，因此不适合他现在想到的用途。

蒋介石设想的方法必须具有足够的成本效益，以提高可再生能源的吸引力。要使太阳能和风能对数百万客户来说足够可靠，就意味着要储存足够长的时间，以填补极端天气条件、电网中断以及风停或几天云层停滞造成的空白。

为了与传统发电厂竞争，蒋的方法必须达到每千瓦时储存能量20美元左右，是锂离子电池存储成本的十分之一。

但是，如何从在几个小时内存储和放电的昂贵电池过渡到一些尚未定义、廉价、持续时间更长的技术呢？

“一个大铁球”

这就是费拉拉的用武之地。费拉拉拥有麻省理工学院的核工程博士学位和意大利拉奎拉大学的电气工程和计算机科学博士学位。2017年，作为麻省理工学院材料科学与工程系的研究附属机构，他与蒋合作，对电网管理可再生能源间歇性的需求进行了建模。

间歇性程度取决于您所在的位置。例如，在美国，有多风的大平原;亚利桑那州、新墨西哥州和内华达州阳光普照、风力相对较小的沙漠;以及经常多云的太平洋西北部。

费拉拉与麻省理工学院数据、系统和社会研究所的杰西卡·特兰西克教授及其麻省理工学院团队合作，对美国的四个代表性地点进行了建模，并得出结论，容量成本低于约20美元/千瓦时且放电持续时间为多天的储能将允许风能太阳能组合在资源丰富的地区提供具有成本竞争力的稳定电力。

现在他们有了一个时间框架，他们把注意力转向了材料。在Form Energy的目标价格点上，锂是不可能的。蒋介石看着丰富而廉价的硫磺。但是硫、钠、水和空气电池存在技术挑战。

托马斯·爱迪生（Thomas Edison）曾经使用铁作为电极，铁空气电池在1960年代首次被研究。它们太重了，无法制造好的运输电池。但这一次，蒋和团队看到的是一个坐在地上的电池，所以重量并不重要。他们的首要任务是成本和可用性。

“铁在各大洲都有生产、开采和加工，”蒋说。“地球是一个大铁球。我们甚至不必担心到本世纪中叶世界可能使用多少存储的最雄心勃勃的预测。如果 Form 进入住宅市场，“这将是你家里停放过的最安全的电池，”蒋笑着说。“只有铁、空气和水。”

科学家称其为可逆生锈。放电时，电池会吸入氧气并将铁转化为铁锈。施加电流将生锈的颗粒转换回铁，电池在充电时“呼出”氧气。“用化学术语来说，你有铁，它就会变成氢氧化铁，”蒋说。“这意味着电子被提取出来了。你让这些电子通过外部电路，现在你就有了电池。

Form Energy 的电池模块大约相当于洗衣机和烘干机的尺寸。它们堆放在 40 英尺的集装箱中，几个集装箱与电源转换系统电气连接，以建造可以覆盖数英亩的存储工厂。

在正确的时间，正确的地点

这些模块的外观或行为与公用事业公司以前签订的任何合同都不一样。

这是 Form 面临的主要挑战之一。费拉拉说：“人们并不普遍知道需要这些新工具来实施脱碳电网。“这不是公用事业公司通常的计划方式。他们正在研究目前存在的工具包中的所有工具，这些工具可能不会考虑多日储能资产。

Form Energy的客户主要是寻求扩大其可再生电力组合的传统电力公司。一些正在退役燃煤电厂并转向可再生能源。

费拉拉的研究指出了对极低成本多日存储的需求，为寻求确定最具成本效益的方式来整合更多可再生能源的电力供应商提供了关键数据。

Ferrara 和团队使用相同的建模技术，向潜在客户展示了该技术如何适应他们现有的系统，如何与其他技术竞争，以及在某些情况下，它如何与其他存储技术协同运行。

“他们可能需要一系列存储技术，以在不同的间歇性时间尺度上充分平衡可再生能源，”他说。但除了 Form 开发的技术之外，“没有太多东西，当然也不在我们推向市场的成本范围内。 由于 Chiang 和 Jaramillo 在休斯顿的偶然相遇，Form 在数年内领先于其他致力于应对这一挑战的公司。

2023 年 6 月，Form Energy 完成了迄今为止最大的单个项目交易：佐治亚电力公司 15 兆瓦/1,500 兆瓦时系统的订单。该订单使Form与公用事业客户签订的合同中的储能总量达到40兆瓦/4吉瓦时。为了满足需求，Form正在西弗吉尼亚州建造一个新的商业规模的电池制造工厂。

Form Energy正在一个在过去十年中失去10,000多个钢铁工作岗位的地区创造就业机会，这一事实并没有在蒋介石身上消失。“这些新工作是清洁技术。对我个人来说，能够做一些有益于我们传统技术中心之外的社区的事情，这非常令人兴奋。

“出于很多原因，现在是正确的时机，”蒋说。他说，他和他的Form Energy联合创始人感到“将这些电池推向世界的巨大紧迫性”。

本文出现在 《能源期货》2024年冬季刊，麻省理工学院能源倡议的杂志。