布朗克斯的创新电池系统如何帮助纽约市电网充电

在纽约市布朗克斯东北部的一小块土地上，坐落着一个整洁但功能强大的电池存储系统。该系统位于一所米色中学建筑的对面，距离 Planet Fitness 和 Dollar Tree 不远，旨在在炎热的夏季午后和傍晚的高峰时段将电力输送到电网。

纽约州的目标是在未来七年内实现高达 6 千兆瓦的电池存储系统上线，而这个约 3 兆瓦的系统只是其中很小的一部分，但希望能够有所帮助。它旨在能够在四小时内（通常是下午 4 点到晚上 8 点之间）输出这 3 兆瓦的电力 在一年中最温暖的日子里，目标是使负担沉重的电网减轻一些压力，理想情况下使其更清洁一些。

当地电力公司康尼迪森最近将电池系统接入电网。下面介绍其工作原理以及此类系统的重要性。

从电线到电池，再回到电线

这些电池的电力来源是沿附近电线杆顶部铺设的现有配电线。这些电线的电压为 13,200 伏，但电池系统本身需要在低得多的电压下工作。这就是为什么在电力到达电池本身之前，它需要经过变压器。

今年 1 月，在《大众科学》杂志对该地点的参观中，该项目背后的公司 NineDot Energy 的首席技术官亚当·科恩打开了一扇灰色的金属门。门后是变压器。“它们看起来非常漂亮，”他说。确实，它们看起来很漂亮——三个黄色的装置将电压转换为 480 伏。这个电池组实际上是两个互为镜像的系统，因此其他变压器位于附近的其他设备中。

在这些变压器完成工作并将电压转换为较低数字后，电流会流向巨大的白色 Tesla Megapack 电池组。这些电池是带有挂锁柜子的大型白色盒子，上面是灭火设备。这些电池组不仅储存电力，而且还配有逆变器，可在储存电力之前将交流电转换为直流电。当电力从电池中流出时，它会再次转换回交流电。

电池存储系统的设计遵循特定的节奏。科恩说，它将在晚上 10 点到早上 8 点之间逐渐充电。他说，这段时间“电网有额外的可用电量，电力更便宜、更清洁，[并且]电网不会过度紧张”。当一天开始时，电网开始遇到更多需求，电池就会停止充电。

科恩说，在夏季高温下，当发生“电网事件”时，奇迹就会发生。从下午 4 点左右开始，电池将能够将电力送回电网，帮助缓解系统压力。根据纽约州能源研究与发展局 (NYSERDA) 的估计，它们将能够在四小时内产生足够的电力为大约 1,000 户家庭供电。

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电力将回流到之前为它们充电的电线中，然后流向客户。目标是让电网比没有电池时更清洁或更少污染。“它抵消了原本会运行的肮脏能源，”科恩说。

当然，最好的情况是电池从太阳能或风能等可再生能源中获取电力，而且该地点确实有一个小型太阳能顶棚，可以将极少量的清洁能源送入电网。但纽约市及其附近的其他下州地区目前严重依赖化石燃料。例如，根据纽约独立系统运营商最近的一份报告，到 2022 年，纽约市的公用事业规模能源生产将 100% 来自化石燃料。（正在研究的解决该问题的几种解决方案之一是铺设一条新的输电线路。）这意味着电池将从以化石燃料为主的电网中获取电力，但这样做的时间是在夜间，希望那时电网的污染较少。

这些系统如何提供帮助

电力在很大程度上是一种按需产品。1 月的一个周五，当我们开车前往布朗克斯的电池储存站时，科恩在驾驶日产聆风时说道，我们所消耗的东西“必须立即生产”。当然，电池可以改变这种动态，将电能储存起来以备不时之需。

布朗克斯的这个项目就像是电子领域的沧海一粟：这些电池的发电量为 3 兆瓦，距离纽约州到 2030 年实现 6 千兆瓦（即 6,000 兆瓦）的目标仅一步之遥。纽约州能源研究与开发局负责能源存储和政策的高级顾问 Schuyler Matteson 表示，尽管布朗克斯的这一座设施只占该目标的不到 1%，但它仍然很有用。“小型设备发挥着非常重要的作用，”他说。

这类小型设备的作用之一是，它们可以放置在家庭或企业用电者附近，这样电力就不会在从较远的地方传输过来时损失。“它们离配电网络的用户很近，因此当它们在高峰时段供电时，可以避免大量传输损耗，损耗量可能高达 5% 到 8%”，马特森说。

靠近社区也提供了有趣的机会。布朗克斯优质学习特许学校的校园坐落在街对面中学的三楼。在那里，二十多名学生与当地艺术家蒂贾伊·穆罕默德合作创作了一幅壁画，最终将挂在电池前的绿色围栏上。“他们为参与这个项目感到非常自豪，”学校充实计划经理卡琳·巴克尔说。

网格事件

此类设施的主要好处是，它能在炎热的夏天帮助电网。这是因为当纽约市经历高温时，能源需求也会达到峰值，因为每个人都会打开空调。

为了满足电力需求，该市依赖于十多个峰值电厂，这些电厂比日常使用的化石燃料电厂更脏、效率更低。峰值电厂对其附近社区的影响尤为严重。佛蒙特州法律与研究生院环境学院院长詹妮弗·拉什洛通过电子邮件指出：“居住在峰值电厂附近的公共健康风险包括哮喘、癌症甚至死亡，而这还只是环境正义社区已经面临的其他公共健康危机和经济困难。”例如，南布朗克斯区有峰值电厂，根据美国肺脏协会的数据，整个行政区估计有 22,855 例儿童哮喘。关闭或减少使用峰值电厂不仅仅是为了能源安全，这也是一个环境正义问题。

因此，当电力需求达到峰值时，“通常情况下，我们必须在南部地区增加天然气设施，甚至在某些情况下增加石油设施，以提供峰值电力，”马特森说。“因此，我们在那里安装的每个用于在高峰时段提供电力的存储单元都可以抵消一些我们原本必须增加的肮脏、边际单元。”

通过在夜间而不是白天充电，然后在高峰时刻将电量输出，“你实际上是在抵消当地的碳排放，抵消当地的颗粒物，这对纽约市的空气质量和健康影响有很大的好处，”他说。

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马特森说，想象一下，一个峰值发电厂生产 45 兆瓦的电力。3 兆瓦的电池系统上线可能意味着运营商可以将污染发电厂的发电量调低至 42 兆瓦。但在理想情况下，它根本不会上线。“我们希望 15 个 [这些 3 兆瓦] 项目合计发电量达到 45 兆瓦，因此，如果它们能在高峰时段持续出现，也许那台边际污染发电机甚至不会被调用，”他说。“如果这种情况发生得足够多，也许它们就会退役。”

科罗拉多州国家可再生能源实验室专注于能源存储的高级研究员保罗·丹霍姆 (Paul Denholm) 表示，从全国来看，美国大部分地区在炎热的夏季都会经历电力需求高峰，就像纽约市一样，只有少数地区例外。他说：“几乎全国大部分地区的用电高峰都在夏季的傍晚。”“因此，我们传统上会建造燃气轮机——过去几十年来，我们已经安装了数百千兆瓦的燃气轮机。”

虽然布朗克斯的 3 兆瓦项目不会以任何方式取代峰值发电厂，但丹霍姆表示，总体趋势是电池取代峰值发电厂。“随着这些发电厂老化和退役，你需要建造一些新的东西，”他说。“在过去五年内，我们已经达到了这个临界点，储能现在可以在生命周期成本方面胜过新的传统燃气涡轮机。”

目前，纽约州已投入使用 279 兆瓦的电池储能系统，约占总目标 6 千兆瓦的 5%。丹霍姆估计，全国范围内，已投入使用的电池储能系统接近 9 千兆瓦。

“使用 [电池] 储能作为峰值发电具有显著的可量化优势，”Denholm 说道。其中一个优势是减少本地排放，这一点很重要，因为“许多峰值发电厂都位于历史上 [环境正义] 受灾地区。”

“即使他们使用化石燃料发电厂，他们通常也会使用更高效的装置，”他补充道。

如果一切按计划进行，电池将在今年夏天最炎热的日子开始放电。