高效储能装置量化路有多远 - 分析与观察

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高效储能装置量化路有多远

2013/4/24 9:26:54 作者：UPS应用来源：UPS应用
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到2020年，我国规划非化石能源所占比例将达到能源消费总量的15%。风能、太阳能等可再生能源将广泛应用，可再生能源的发展势不可挡。

到2020年，我国规划非化石能源所占比例将达到能源消费总量的15%。风能、太阳能等可再生能源将广泛应用，可再生能源的发展势不可挡。而可再生能源最大的特点是间歇性、不连续性和不稳定性，这给电网带来了很多令人头疼的问题。电网是平衡电源和负荷的，对于电网来说两端都随机而变为不可控，就必须发展一种技术来解决这个问题。而这一技术正是近年的“风光”无限好带出的另一热点话题——电池储能。
　　
　　发展储能技术是探索电力系统发展新方式
　　
　　电力作为商品，一直有一个课题短板，那就是存储。电力面对的系统是即发即放，系统稳定安全运行的原因在于电源端可置信、可调控、负荷随机，可以利用一些技术手段来平衡负荷。但是可再生能源接入电网后，这种方式就发生了根本性的转变，不再是根据需求来发电，而是根据资源来发电。
　　
　　西门子能源业务领域输配电集团首席执行官UdoNiehage曾说过，今后的电网发展趋势是“传统的‘用电负荷决定发电量’的方式，向‘用电量将取决于发电量’转变。”随着可再生能源使用的增加，这种趋势将愈加明显。
　　
　　储能的本质是实现对电能的存储，并在需要时释放。这一技术的出现，彻底改变了电力系统生产、输送和使用必须同时进行的模式。普及应用可再生能源应用到电网，储能是必不可少的环节。对于电力系统发输配等各环节来说，都需要储能技术的支撑。可再生能源接入电网中，也不是仅仅靠储能来解决全部问题的，这实际上是一个庞大的系统，需要综合解决。国际上已可见的方式是利用需求侧管理，如电动汽车、热电联动、节能设施等系列综合应用，来解决可再生能源后时代问题。
　　
　　而这些措施都属于研发阶段，其有效性仍不明确。实际上，储能是当今公认的一个比较有效的手段，它可作为承担接纳可再生能源的角色之一，从科研的发展角度来看，近年储能技术的异军突起让业界看到了一线希望。
　　
　　从我国风能和太阳能发电的规划看，2015年风力发电装机容量达到150吉瓦。同时，我们又看到，根据电监会《风电、光伏发电情况监管报告》显示：截至2010年上半年，我国因风电无法上网而导致的弃风达27.76亿千瓦时。弃风现象也比较严重，如何真正做到有效利用可再生能源发电成为了市场关心的重点。
　　
　　而大规模高效储能技术正是实现风能、太阳能等可再生能源普及应用最有效的核心技术，是提高电网的调峰能力和可再生能源并网的兼容能力，构建坚强智能电网的关键技术。
　　
　　发展储能技术实际是在探索电力系统发展新方式。中国电力科学研究院超导电力研究所所长来小康在2011储能系统产业发展论坛上表示，“按峰时负荷增容的趋势如此发展下去，现在的资源已经不能支撑我们的发展了，削峰填谷的实际意义是电网的改造方式发生变化，通过储能技术让电网由功率传输向电量传输方向转型。
　　
　　储能技术是比较复杂涉及多学科，而且是不断更新换代的战略性前沿技术。我们现在看储能技术并非一个成熟的技术，离大规模商业化运行还有一段距离，但可以肯定是具备强大发展潜力的技术。”
　　
　　储能市场容量之谜难解
　　
　　对于投资商和制造商最为关心的储能市场容量问题，曾经有机构对此做过相关分析和预测，来小康认为，现在拿出结论还尚早，张北风光储示范工程刚刚启动，相对应的市场容量涉及到很多边界条件，而这些条件还未确定。对于任何人来说现在都很难给出明确答复。
　　
　　另一个受储能业界普遍关心的储能配比问题也困扰着业主、制造商和投资商三方。“可再生能源发展到一定程度，储能要多少容量才能够应对，现在尚不能回答，要看储能技术的发展情况，即看其技术经济指标能达到什么值。”实际上在张北示范工程，这些装置是否能顶得住，仍有相关问题还没有解决，有些事情需要时间。”在储能放置位置问题上，来小康表示，“应该遵循哪波动哪安装的原则，越接近波动，起的效果越好。由于可再生能源接入以后，储能装置搁置的位置发生了一些变化，以前跟踪负荷侧，现在应该兼顾电源侧。”从现在的储能装置技术经济指标来看，高性能大容量储能技术对大规模可再生能源接入还做不到削峰填谷的作用，来小康认为，“现代储能技术在培育期，应以小搏大，先将力所能及的作用发挥到极致，再谋求进一步发展，例如应先做平滑功率输出，降低功率波动越限概率，以及爬坡率。其次是实现发电计划跟踪能力，缩减预测功率输出误差。最终我们确实要走到保证供电可靠性、削峰填谷的作用，这个顺序是基于对储能技术现状和发展趋势的判断。”现在的储能技术种类繁多，应该主攻哪个方向是有前途的或者有发展的，对于投资人来说是否有回报，作为制造商来说能否达至期望值，如何判断一种储能技术能否在电力领域规模化应用以及在何种条件下大规模商业化应用，成为急需研究的问题。来小康提出了四个指标体系的观点：“首先对大规模储能系统来说，其容量起步应该是兆瓦级的安全运行，如果储能技术仅仅是功率型的，只对供电可靠性和质量发挥起一定作用，但不能承担大规模可再生能源接入的责任。在技术因素上，电动汽车的电池和储能电池要求是不一样的，电动汽车电池最主要的是比能量、比功率和运行温度等因素。但对于电网规模储能电池来说，最关注的技术指标是循环寿命、转换效率，因为大规模储能电池受空间约束小，重量和温度也不像电动汽车电池那样受限制。在经济因素上，采用峰谷电价差收益与单位循环寿命造价两者之间的差值关系可做为衡量的一个判断。在储能装置形态上，应该便于安装、运行和维护，我认为可以批量化、标准化生产。”达到以上四点，就是规模化储能技术商业运行的拐点，达到这个拐点就可以进入商业化推广阶段了。
　　
　　对于今后储能技术发展的情况，来小康这样表示：“我个人比较看好以设备形态出现的储能装置，也就是说储能装置可以在工厂批量生产，可以安装配置在任何位置。”而对于商业化运行的拐点，来小康也有着自己独到的见解。“从使用者角度来看，我对下一代电池的期待是循环寿命增加一倍，2020年以可以能工厂化批量生产，循环寿命在5000次以上，成本降低70%，即价格在每千瓦时1500元，转换效率达80%以上，达到以上条件就是商业运行的拐点出现。”虽然这个拐点在众多业界人士眼中难以想象，由于成本差距高达六倍以上，但技术的创新与发展本身就是一部科幻大片，技术的突破就是储能商业运行的春天。
　　
　　从国家电网公司的发展思路来看，大容量电池储能系统将经历三大发展阶段：第一阶段是2010年~2015年的关键技术突破及培育阶段；第二阶段是2016年~2020年，完善提升阶段和发展阶段；第三阶段是2020年~2030年，全面推广应用阶段。国家电网公司希望沿着这样的技术路线，有针对集中式和分布式储能系统，在这些应用环节形成示范应用，逐步推动和推进储能技术的应用。
　　
　　从储能技术今后的攻关路径来看主要包括几个方面：第一，电池本体关键技术，涉及到电池原材料制备技术，电池本体制造技术；第二，电池系统集成、成组技术，电池管理技术，能量转换与能量管理技术；第三是储能应用技术，涉及到大规模系统分析与配置技术，以及工程应用技术。从电池储能系统应用技术的攻关重点来看，需要应用技术在兆瓦级规模下开展试验数据积累。第一，不同应用目的下配置技术及配置后的使用效果；第二，运行工况下的统计分析，并据此提出不同应用场合下对储能系统的要求；第三，状态评估技术，安全问题始终是应用层面里悬的那把剑。
　　
　　技术之争无人称霸
　　
　　全球储能技术主要有物理储能（如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等）、化学储能（如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍镉电池、超级电容器等）和电磁储能（如超导电磁储能）等三大类。
　　
　　中国科学院大连化学物理研究所张华民教授说：“哪种技术更适合大规模储能技术的发展，何种储能技术最值得关注，都需要应用和实验结果的检验。就现在的发展趋势来看，谁也取代不了谁，谁也不能独霸天下。各自都有不同点和应用的空间，各种技术占领在不同的位置。”在目前已经获得实际应用或者第三方测试验证的各种大规模储能技术中，抽水蓄能和压缩空气技术相对成熟，适合100兆瓦以上级别储能系统；钠硫电池、矾电池、锂电池、铅酸电池和飞轮储能电池已经开始运用于兆瓦级别的项目中，而在百万千瓦及以下级别的应用中，大多数储能技术都能够满足需求。
　　
　　抽水储能是目前电力系统中应用最为广泛的一种储能技术，一般工业国家抽水储能装机占比约在5%~10%的水平。其主要作用包括调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、黑启动和提供系统的备用容量，还可以提高系统中火电站和核电站的运行效率。然而，大型抽蓄电站通常在山区，通常离风电场远，大型抽蓄电站与风电场的长距离意味着增加已经过负荷电网的负担和输电损失，为了补偿非常不稳定的风能，水泵的入力应当连续变化。为了解决上述问题，国际著名的安德里茨水电集团就此研发了一个创新概念，小型、分布式抽水蓄能电站，采用标准变转速水泵水轮机，同步电动发电机配全容量变频器。这个新概念的要点是抽蓄电站可在当地建设，靠近风电场，典型水头范围是在50米~200米。这一突破创新受到国内外电力公司和专家的关注。
　　
　　压缩空气技术可以用于冷启动、黑启动，响应速度快，主要用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电系统备用。2009年，压缩空气储能被美国列入未来10大技术，德、美等国有示范电站投入运营。
　　
　　总体而言，目前尚处于产业化初期，技术和经济性有待观察。飞轮储能利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成机械能储存起来，在需要时飞轮带动发电机发电。飞轮储能的优点是效率可达90%以上，无噪声、无污染、维护简单，可连续工作。缺点是能量密度比较低，保证系统安全性方面的费用很高，在小型场合还无法体现其优势。目前，飞轮储能技术可用于不间断电源、电网调峰和频率控制，主要作为蓄电池系统作补充。随着新材料的应用和能量密度的提高，其下游应用逐渐成长，处于产业化初期。
　　
　　目前，钠硫电池在国外已是发展相对成熟的储能电池，其寿命可达10年~15年。日本在2002年就已进入商业化实施阶段，2007年日本年产钠硫电池量已超过100兆瓦，并开始向海外输出。在国内，国家电网公司同中国科学院上海硅酸盐研究所合作，2008年完成了电池模块研制，2009年度攻关百万千瓦级储能设备，2010年实现世博会示范应用，到2011年进入大规模产业化阶段。将来该项技术极有可能成为首批电化学储能电站的应用技术。
　　
　　全钒氧化还原液流电池，简称钒电池，具有长寿命、大容量、频繁充放电等优势。目前，全球范围内能够提供工业化钒电池产品的企业包括日本住友电工、北京世纪普能、大连融科等企业。全钒液流电池已经实现商业化运作，能够有效平滑风力发电功率。在日本运营的容量为4兆瓦的全钒液流电池为当地32兆瓦的风电场提供储能，并已运行27万次循环，世界上还没有任何其他储能技术能够实现这一要求。近两年来，随着全球对储能技术的关注，钒电池在中国、美国陆续获得了一些项目机会。如北京世纪普能在9月获得国家电网公司在河北省张北县建设的国家风光储示范工程一期液流电池储能系统订单，将提供规模为8兆瓦的全钒液流电池储能系统。
　　
　　铅碳电池使用独特的循环用正极以及铅/碳负电极。这种电极处理技术促使电池能够在部分荷电状态（PSoC）下运行，并具有高循环寿命。西恩迪公司是铅酸电池领域的技术领先者，其解决方案以实现部分荷电状态运行下的高循环寿命为目标，利用集成碳负极和先进的正极板设计以及活性材料配方。
　　
　　深圳雄韬公司董事长张华农在2011储能会议中提到的“混合动力电池”也是新兴的概念，张华民表示，“由于铅酸电池长期的环保问题，导致混合动力电池的概念还尚未被业界所重视。”磷酸铁锂电池具有长寿命、低成本以及高安全性等优势，是目前最热门的电动汽车电池技术之一，也是电力储能系统的热门候选技术之一。由于产品生产工艺相对容易，磷酸铁锂电池在中国获得了高度的发展，无论是民间和政府都对该技术寄予厚望，其中以比亚迪公司实力最为雄厚。但从全球来看，标志性企业是美国A123公司。
　　
　　铅酸电池、锂离子电池的标准相对完善，但是对于液流储能电池是新兴的技术，标准还暂未制定。大连化物所正在牵头筹备国家电工行业液流电池标委会,组织各课题单位参与液流电池行业标准的制定，推动国内液流电池行业的规范化。国际电器工业协会（IEC）TC105组建了液流电池标准战略研究专家组正在修改液流储能电池标准指南建议书，国家973液流储能电池重大基础研究项目首席科学家张华民教授就是专家组其中一人。受欧洲标准化组织CEN&CENELEC邀请，参与欧洲液流储能电池标准协议的制定工作。这些都说明中国在液流储能电池技术已经处于领先地位，而大连融科正在这一领域积极开展研发工作。可以说，以全钒液流电池为代表的液流电池在国外已进入产业化初期。
　　
　　“能”力有限储能产业需政策扶持
　　
　　2010年《可再生能源法及修正案》中第一次提到储能的发展，在此指引下，江苏、河北、甘肃、湖南、深圳、上海等省市地方政府也相继出台储能相关政策，将规模电力储能技术作为产业发展重点。“十二五”规划中的七个战略性新兴产业，其中四个与储能紧密相关。7月13日，科技部正式发布的《国家“十二五”科学和技术发展规划》中，明确指出要重点发展大规模间歇式电源并网与储能等核心技术。
　　
　　如风能发电、光伏发电产业一样，电池储能产业离不开政府的扶持政策。市场参与方在政府引导或补贴政策的基础上，将通过不断开拓新的商业模式推动储能产业发展。
　　
　　从全国工商联新能源商会储能专业委员会最近撰写的《储能产业研究白皮书》中，我们可以获取这样的信息，“我国储能产业仍需要政府在管理机构设置、开展示范项目、扶植重点企业、建立产业机制、发展产业联盟等方面进行部署，协调好储能产业技术、政策和资本三者的关系，促进中国储能产业健康、可持续地发展。”中国的储能产业化才杠杆起步，政策还主要停留在指导层面，应用也仅仅在几个示范项目，商业运营模式并没有成熟，也并没有明确具体的产业扶持性政策。
　　
　　在全球化能源与环保问题催生下，可再生能源发电、电池储能等概念的热度日益上升。然而新能源产品市场，除光伏产业已经进入成熟发展阶段外，商业储能和家庭能源等产业仍处于示范和商业模式开发阶段。美国、德国、日本等发达国家近年对储能技术发展的重视程度已经不容小觑。
　　
　　为支持美国在储能技术方面的全球竞争力，美国能源部成立1个储能技术咨询委员会，负责咨询制定储能技术研究计划；创建4个储能技术研究中心，实施储能技术的研究开发及应用示范。2009年8月5日，美国总统奥巴马宣布拨款24亿美元，资助新一代环保电动汽车与储能电池的研发与制造。5月18日，德国经济技术部，环境、自然保护与核安全部及教研部三部委联合推出近2亿欧元储能技术研究开发计划，重点支持液流电池和压缩空气储能技术。
　　
　　近期，美国市场研究机构LuxResearch预测，全球智能电网配备的储能市场到2015年将达158亿美元。在储能商业化模式尚未成熟的时期，挑战与机遇并存，一方面市场不可预知，另一方面深不见底的市场充满诱惑。
　　
　　正如比亚迪电力研究院郭彬所说，“我们有理由相信，一旦正确把握住机会，我们一定能够创造新能源领域的辉煌。”而储能产业是否能把握时代的机遇，还需要时间来证明。
　　
　　编辑：Harris

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