一、储能行业背景及应用场景
　　
　　随着我国社会发展,能源与环境问题日益突出。中国在“双碳”目标即“力争2030年前实现碳排放达峰,2060年前实现碳中和”的牵引下,正在经历一场由化石能源向新能源转型的能源革命,未来光伏、风电等新能源的应用规模与比例势必大幅提升。
　　
　　储能是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段,是实现“双碳”目标的重要支撑技术之一,发展先进的大规模储能技术对于我国加快构建能源互联网、推动能源生产和利用方式变革具有重要战略意义。
　　
　　储能的应用场景可分为发电侧、电网侧和用户侧三种:
　　
　　1.发电侧储能主要是和光伏或风力发电相配套,平滑发电曲线,满足电网系统的接入要求,解决弃电问题。
　　
　　2.电网侧储能主要用于调峰调频,削峰填谷,增加电网稳定性。
　　
　　3.用户侧储能主要是利用用户变压器在谷电时段的多余容量或通过电力交易市场购买谷电来储能,通过削峰填谷实现电价套利,同时还可以带来备用电源、虚拟增容、绿电交易的价值。用户侧储能有用电客户红线内安装、园区集中安装、园区微电网分别供电等形式。
　　
　　二、储能技术路线和国家政策
　　
　　储能的技术路线主要有三类:电磁储能(如超级电容、超导电磁储能)、物理储能(如抽水蓄能、飞轮储能)、和电化学储能。储能功率达到MW级,储能时间达到小时级的大规模储能技术主要是抽水蓄能、电化学储能。
　　
　　1.抽水蓄能是目前应用最广、最成熟的大规模储能技术,具有储能容量大、功率大、度电成本低等优点,我国已建成的抽水蓄能已超过3000万千瓦,到2030年预计要达到1.2亿千瓦。抽水蓄能储能容量大,但需要庞大的场地以修建水库,建设成本高、时间长、易对周遭环境造成破坏,这是抽水蓄能最主要的缺点。
　　
　　2.电化学储能技术已可在单站规模上与抽水蓄能比肩,同时电化学储能具有设备机动性好、响应快、能量密度高和循环效率高等优势,是目前储能产业研发重点领域和主要增长点。
　　
　　国家能源局规划到2025年新型储能(电化学储能为主)达到30GW的水平。国家电网也规划到2030年抽水蓄能和电化学储能分别达到100GW。各省发改能源部门也积极响应国家的政策要求,纷纷加大用户侧电费峰谷差价,尤其在长三角和珠三角地区,大工业和工商业峰谷电费差价已经能够满足投资者对收益的要求。
　　
　　三、电化学储能电池技术比较
　　
　　电池是电化学储能系统的核心,不同的电池技术各有其特点,目前比较成熟的电池技术包括铅酸铅碳电池、锂离子电池和液流电池等,衡量各种电池技术的关键指标包括:安全性、经济性、易用性、再利用性等。在工商业场景,安全性应放在第一重要的位置。
　　
　　1.锂离子电池以锂金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料,同时采用锂盐的有机溶液为电解液,锂离子电池具有高能量密度的特点,并有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、可大电流充放电、无记忆效应等优点。目前在储能系统应用的主要是磷酸铁锂电池，磷酸铁锂的正极材料不容易分解，不易产生助燃的氧气，已经是目前较为安全的锂离子电池技术，但近几年采用磷酸铁锂电池的汽车和储能电站燃烧爆炸事件仍屡有发生。
　　
　　在全环节生产过程中每公斤锂电池的平均二氧化碳CO2排放为12.5kg,约为铅酸的4倍。锂离子电池的回收再利用率低,可回收材料约为10%,目前没有成规模的工业化回收方案,废旧电池的处置依然是填埋为主。据报道,美国加州65%的垃圾处理场火灾由废旧锂电池引发。
　　
　　国家能源局在2022年6月29日发布的《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2022年版)(征求意见稿)》,对电化学储能有比较明确的安全规范要求,提出中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池,不宜选用梯次动力电池(包括三元锂和其他锂电池)。在大规模锂电池应用中,目前还没有一个行之有效的消防措施。国际消防准则(IFC2018)中对锂电池及其它非铅酸类电池提出了严格的单堆容量、单系统容量及电池点阵隔离间隔的要求,这对锂电池储能系统的储能空间利用率提出了很大的挑战。
　　
　　2.铅酸铅碳类电池(铅酸电池和铅碳电池可归为一类)是目前国内使用最广泛的化学电池技术,具有安全性高、价格低、再利用性好,产业链完整不受资源限制等优势。铅酸铅碳类电池主要缺点是循环充放次数较少,但AGM铅酸铅碳电池配合国内创新的新型电池管理技术(在线电池健康维护)可以延长循环使用寿命70%以上,从而在用户侧储能应用方面具有极大的竞争力。
　　
　　环保方面,铅酸铅碳电池采用了自动生产线及负压过滤式生产环境,铅污染得到了有效控制,原材料回收率高达99%以上,使电池从生产、使用到回收再利用形成了一个完整的成规模的工业化闭环,大大降低了原材料开采带来的环境破坏,其对环境污染的要远低于锂电池。
　　
　　铅酸铅碳电池是目前电化学储能电池中安全系数较高的一种电池。电池内部全部物质为高温不可燃物质,在国际消防准则(IFC2018)中,铅酸铅碳电池是唯一不受单堆容量、系统容量、电池点阵隔离间隔等限制条件的常用电化学储能电池,单个40尺集装箱内最大可安装铅酸铅碳电池可达3MWh以上。
　　
　　铅酸电池中加入特种活性炭,可以解决硫酸盐化问题(即硫酸铅结晶颗粒长大而失去充放可逆性),在安全环保的基础上使电池寿命大幅延长,并实现最高0.5C的充放电性能。
　　
　　3.全钒液流电池近几年也受到越来越多的关注。全钒液流电池主要优势:一是安全环保。全钒液流电池储能介质为含有钒离子的稀硫酸水溶液,不易发生爆炸和燃烧,钒电解液可反复循环利用。二是循环寿命长。电池充放电循环次数在15000次以上,使用年数在15年到20年。三是充放电特性良好。响应速度快,可深度放电,适合大电流快速充放电。四是容量大。储能容量为数百千瓦时至数百兆瓦时,尤其适合大容量固定储能场合。制约全钒液流电池发展的主要因素是现阶段成本过高,功率密度低,体积庞大,在分布式场景难以部署表1列出了几类常用电池的性能。
　　
　　四、智能AGM铅酸铅碳电池技术
　　
　　AGM铅酸铅炭类电池采用AGM(超细玻璃棉)隔板,贫液式设计,在正负极板之间预留有气体通道,电池充电过程中,正极上产生氧气通过隔板顺利到达负极,与负极活性物质反应并还原成水,抑制了氢气的析出,达到基本不会失水的目的。所以,在电池的整个使用寿命期间,不用加酸、加水,并且在使用过程中无酸雾溢出,不腐蚀设备,可随设备安装使用。AGM铅酸铅炭类电池正极板采用高锡的板栅使活性物质接触电阻极小,增加和提升活性物质的容量与寿命。负极采用四元合金,活性物质添加剂一定比例的胶体石墨、进口炭黑、乙炔黑，使得活性物质周围生成强大的导电网络，不容易硫化，充电容易恢复容量，大大提高循环次数。
　　
　　国内某新锐技术企业开发的基于智能AGM铅酸铅碳电池的储能系统,集成了物联网、大数据、云平台、人工智能,大幅延长储能系统寿命,从而降低储能度电成本。表2给出了BMS电池管理技术的比较。
　　
　　该企业首创的TEC-Engine专利技术和储能系统BMS及EMS系统有机结合,使AGM铅酸铅碳类电池循环寿命可达1600次以上(70%放电深度)。电池每天一充一放,电池寿命在5年左右。第5年底将旧电池更换为新电池继续运行(电池残值为新电池的45%)。采用智能AGM铅酸铅碳电池,可以在满足高安全性的前提下,大幅降低一次储能系统的投资成本至0.9元～1.0元/瓦时,与其他电池技术相比,有较强的经济性吸引力。在用户侧储能场景,该电池技术已经应用到工厂、园区、数据中心及运营商基站等领域。新一版的液冷电池包技术效率更高,液冷电池自带温控系统,可以工作在-40℃-65℃度的宽温环境,在机房内部署可以提高室内温度从而降低PUE,也可灵活部署在室外环境。图1示出了不同情况下的充放电周期。图2表示的是储能应用后日用电情况
　　
　　

五、新型智能AGM铅酸铅碳电池在通信基站储能的应用案例
　　
　　随着5G技术的普及推广,电信运营商基站数量和用电量在过去几年快速增长。2021年底国家加大了电价的峰谷价差,并全面开放了大工业和一般工商业的电力市场交易,大工业和一般工商业电价有20%左右的增长,电信运营商面临较大的基站电费压力。为保障通信基站电力供应不中断,运营商行业要求在通信基站配置不小于3小时的蓄电池作为后备电源。通信基站包括用于通信设备的直流负载以及用于空调、照明的交流负载,直流负载用电量占基站总负载的70%以上。
　　
　　基站直流系统侧储能解决方案配置10-12小时长时间储能电池,提供不小于9小时的日消峰能力,可以通过峰谷套利节省电费。利用铅酸铅碳类电池70%@DOD的特性,通过剩余30%的充放容量提供可替代原有蓄电池,实现3-12小时的备电能力。具体有三种解决方案:
　　
　　1）保留原开关电源并保留原有蓄电池,在48V直流母线上挂DC/DC+直流储能系统。此方案的好处是直流储能系统独立运行,不影响原有的备电系统。在原有的备电系统退役后可平滑过渡利用直流储能系统的备电能力。
　　
　　2）保留原开关电源,用新的储能直流系统直接替换原有蓄电池。
　　
　　3）开关电源+直流储能系统直接替代原开关电源和原有蓄电池。
　　
　　某东部省电信运营商2019年11月开始积极开展5G基站储能系统试点,进行了55个站点为期二年多的测试运行,这些试点采用了新型智能AGM铅酸铅碳电池技术和风冷电池包技术。
　　
　　铅酸类电池有富液式、VRLA(AGM/胶体)等不同种类。目前电信营商备用电源采用较多的为富液式电池,该55个试点采用的是安全性更高的密封阀控(VRLA)AGM/胶体电池。它在传统铅酸电池电解液中加入凝胶物质使电解液不再为纯液体形式存在,或者使电解液吸附在玻璃纤维隔板内,使得电池没有漏液风险。此外电池本体密封,内部每个电芯单元只有一个出气孔被出气压力阀覆盖,正常使用中阀内气压低于最大50kPa时无气体溢出,此类电池在有明火环境中不会产生内部燃爆,具有极高的安全性。
　　
　　根据2021年9月30日的测试报告,储能系统安全可靠,应用前后对比日均电费节省约31%,年均电费节省约27.97万元。表3给出了三个城市共计55个站点的试点说明
　　
　　各站点日均尖、峰、谷用电量分布(应用后)表4给出的是各站点日均尖、峰、谷用电量分布(应用后)表4给出的是各站点日均尖、峰、谷用电量分布(应用后)
　　
　　应用前:55个站点日均各时段用电占比为:尖峰电时段9%,峰电时段42%,谷电时段49%。应用后:55个站点日均各时段用电占比为:尖峰电时段2%,峰电时段12%,谷电时段86%。应用后有如下几点价值:
　　
　　1.“削峰填谷”功能,节省电费支出,平均电价下降32%,整体电费节省幅度达31%,预期年均电费可节约27.97万元。
　　
　　2.“后备电源”功能,可替代原后备蓄电池,节省原蓄电池的投资费用。利用铅酸铅碳电池70%DoD放电深度的特点,在削峰填谷同时,另外30%的电池容量满足至少3小时的备电保障(可延展至11-12小时)。
　　
　　3.“绿色环保”全生命周期管理，包括对废旧电池的回收和再利用，使储能系统在完成既定功效实现预期经济效益的同时达到节能减排、绿色环保。
　　
　　4.“综合能源”管理,在具备条件的场景下,结合风电、光伏系统,效益更可观。
　　
　　5.“数据平台”在线智能化监控、多维度预警，大幅降低应急保障的费用，实现资产安全管理。
　　
　　6.整合“开关电源”功能,节省原开关电源的投资和折旧费用。
　　
　　55个站点节电效益测算表(截止2021年8月31日)图3给出了5G站点储能系统和实时监控画面。
　　
　　六、新型智能AGM铅酸铅碳电池在数据中心储能的应用
　　
　　东部某省的一个超算中心正在建设两套0.25MW/2.5MWh的储能系统单元,以削峰填谷提高项目的经济性。该储能系统主要由AGM铅酸铅碳储能电池、电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)、储能变流器PCS及相应的配电设备等组成。储能电池系统的直流电能经储能变流器逆变为低压交流380V,再经储能接入柜接到0.4kV低压母线上,双向充电和放电运行消峰填谷,进行峰谷套利。
　　
　　采用安全可靠智能AGM铅酸铅碳电池是数据中心实施储能系统的重要基础。整个储能系统有2个电池仓和1个设备仓,均采用预制仓形式安置,项目总占地面积约104平方米。4簇空冷电池包安置在一个2个45呎集装箱内,电池容量为2x2.5MWh(新的液冷电池包技术,每个40呎集装箱的电池容量可达3MWh)。储能系统放电深度70%,综合充放电效率83%,两套独立的储能单元每天共计充电约5400kWh,共计放电约4440kWh。
　　
　　该储能系统目前正处于实施阶段。正式投运后,预计每年的电费收益约121万元(已经考虑运维费用)。投资回收期为4.5年左右,相较于其他电池储能方案具有显著经济性优势,具备可复制性和推广性。图4给出了国内一超算中心储能系统效果图。
　　
　　七、基站及数据中心储能展望
　　
　　据《2021年通信业统计公报》,2021年全国移动通信基站总数达996万个,耗电约1000亿度。其中5G基站为142.5万个(平均约为2.7KW,能耗为4G基站的3倍左右),5G基站总能耗约为330亿度,年增长60%。以1万个基站为例,参考以上55个基站测试结果,每年可节省电费预估为5070万元,每年可减少备用电源设备投资和维护费用约3700万元。目前该东部省三大运营商和铁塔公司正陆续开展基站储能系统招标和项目实施工作,同时也在开展针对数据中心的储能系统规划。
　　
　　数据中心是公认的高耗能行业,全国数据中心年用电量截止2021年为2100亿度,2020占全社会用电量的2.7%,预计2025年国内数据中心耗电量将占全社会用电量的4%以上。数据中心采用储能可以削峰填谷提升数据中心的经济性,还可以做为备用电源增强数据中心的供电可靠性,同时储能还是数据中心充分利用新能源的重要手段。目前,长三角和珠三角峰谷电价更有利于开展用户侧储能,这两地区数据中心机柜数量占全国的比例约42%,数据中心每年能耗约882亿度,结合储能技术可以节省尖峰和高峰时段电费,如果按照波谷和波峰0.9元差价而平均电价为0.75元/度估算,采用储能系统波谷充电,波峰放电供应高峰或尖峰电量,可以降低电费多达37.8%(波谷充电还可以申请绿电交易,满足数据中心低碳的要求)。
　　
　　运营商行业在5G时代用电量增长迅速,有节省电费和提升备电可靠性等需求。未来几年,储能系统必将在各大运营商的基站和数据中心(同样适用其他类别数据中心)全面开花,铅酸铅碳类电池技术在安全性、经济性、可复制性等方面高度契合运营商需求,应当成为几大电信运营商储能项目的首选。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]杨裕生院士:发展化学储能有助于解决“弃风”“弃光”难题。中国能源报2020/2/27.
　　
　　[2]杨裕生院士:铅炭电池理应成为大规模储能的首选。中国储能网2021/9/15.
　　
　　[3]杨裕生院士:规模储能技术的需求和发展对策。中关村储能产业技术联盟,2021/11/24.
　　
　　[4]A Review of Battery Life-Cycle Analysis.State of Knowledge and Critical Needs - J.L. Sullivan and L. Gaines(Argonne National Lab, 2010/10/1

   [5]Hydro-Fluoride Inhalation Injury Because of a Fire Suppression System: MILITARY MEDICINE,2012
　　
　　作者简介
　　
　　金慧宁，上海丸彗科技有限公司执行董事。电信运营商行业近20年从业经验，对通信基站、通信机房、数据中心场景的节能储能解决方案有较深入研究。
　　
　　盖炫,北京思博康科技有限公司市场总监。长期从事数据中心和节能行业产品推广工作,对数据中心节能降碳方向和用户侧储能方向有比较深入研究,为客户提供行业领先的数据中心节能、扩容解决方案和高安全性、高经济性的储能解决方案。
　　
　　陶向东,北京思博康科技有限公司创始人、总经理。曾担任美国百通(Belden)全球副总裁兼大中华区总经理、美国罗克韦尔自动化公司(Rockwell)动力系统事业集团总经理,在自动化行业有30年从业经验,现专注于高密度数据中心节能产品和新型储能产品的研发和推广。
　　
　　编辑：Harris