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大容量儲能技術的現狀與發展

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年09月02日  

□北京普能世紀科技有限公司俞振華


普能公司成立于2006年,專注于新型大容量儲能產品———全釩液流氧化還原釩電池(VanadiumRedoxBattery,簡稱為釩電池)的技術研發與商業化應用,面向全球市場以安全優質的儲能產品與解決方案來提高電力質量、突破可再生能源應用技術瓶頸、提升能源使用效率。目前,普能公司擁有全球釩電池領域核心發明專利的50%以上,共擁有核心專利15項,覆蓋全球24個國家和地區,并已經成功突破釩電池技術的成本瓶頸。


近幾十年來,儲能技術的研究和發展一直受到各國能源、交通、電力、電訊等部門的重視。儲能技術已被視為電網運行過程中采—發—輸—配—用—儲六大環節中的重要組成部分。電力系統中引入儲能環節后,可以有效地實現需求側管理,不僅更有效地利用電力設備,降低供電成本,還可以促進可再生能源的應用,也可作為提高系統運行穩定性、調整頻率、補償負荷波動的一種手段。


國際儲能技術的現狀與趨勢


目前電能儲存的形式可分為四類:物理儲能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等)、電化學儲能(如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池、超級電容器等)、電磁儲能(如超導電磁儲能等)和相變儲能(如冰蓄冷等)。


抽水儲能


抽水儲能技術在電力負荷低谷期將水從下池水庫抽到上池水庫,將電能轉化成重力勢能儲存起來,在電網負荷高峰期釋放上池水庫中的水發電。抽水儲能的釋放時間可以從幾個小時到幾天,綜合效率在70%~85%之間,主要用于電力系統的調峰填谷、調頻、調相、緊急事故備用等。抽水蓄能電站的建設受地形制約,當電站距離用電區域較遠時輸電損耗較大。目前,世界范圍內抽水蓄能電站總裝機容量9000萬千瓦,約占全


球發電裝機容量的3%。我國國家電網公司規劃2020年公司經營區域內抽水蓄能規模將達到2692萬千瓦。


壓縮空氣儲能


壓縮空氣技術在電網負荷低谷期將電能用于壓縮空氣,將空氣高壓密封在報廢礦井、沉降的海底儲氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲氣井中,在電網負荷高峰期釋放壓縮的空氣推動汽輪機發電。最早實現商業化運營的壓縮空氣儲能系統于1978年建于德國,裝機容量為290兆瓦。另一個成功案例是1991年建于美國亞拉巴馬州的壓縮空氣儲能系統,它把壓縮空氣儲存在地下450米的廢鹽礦中,可以為110兆瓦的汽輪機連續提供26小時的壓縮空氣。壓縮空氣儲能電站的建設受地形制約,對地質結構有特殊要求。目前隨著分布式電力系統的發展,人們對于8~12兆瓦微型壓縮空氣儲能系統(micro-CAES)開始關注。


飛輪蓄能


飛輪蓄能利用電動機帶動飛輪高速旋轉,將電能轉化成機械能儲存起來,在需要時飛輪帶動發電機發電。飛輪系統運行于真空度較高的環境中,其特點是沒有摩擦損耗、風阻小、壽命長、對環境沒有影響,幾乎不需要維護,適用于電網調頻和電能質量保障;缺點是能量密度比較低,保證系統安全性方面的費用很高,在小型場合還無法體現其優勢,目前主要應用于為蓄電池系統作補充。


鈉硫電池


鈉硫電池在300℃的高溫環境下工作,其正極活性物質是液態硫(S);負極活性物質是液態金屬鈉(Na),中間是多孔性陶瓷隔板。鈉硫電池的主要特點是能量密度大(是鉛蓄電池的3倍)、充電效率高(可達到80%)、循環壽命比鉛蓄電池長等;然而鈉硫電池在工作過程中需要保持高溫,有一定安全隱患。東京電力公司在鈉硫電池系統開發方面處于國際領先地位,2004年在Hitachi自動化系統工廠安裝了當時世界上最大的鈉硫電池系統,容量是9.6MW/57.6MWh。


液流電池


液流電池的活性物質可溶解分裝在兩大儲存槽中,溶液流經液流電池,在離子交換膜兩側的電極上分別發生還原與氧化反應。此化學反應為可逆的,因此可達到多次充放電的能力。此系統之儲能容量由儲存槽中的電解液容積決定,而輸出功率取決于電池的反應面積。由于兩者可以獨立設計,因此系統設計的靈活性大而且受設置場地限制小。


液流電池已有全釩、釩溴、多硫化鈉/溴等多個體系,液流電池電化學極化小,其中全釩液流電池具有能量效率高、蓄電容量大、能夠100%深度放電、可實現快速充放電,且壽命長等優點,全釩液流電池已經實現商業化運作,能夠有效平滑風能發電功率。在日本運營的容量為4兆瓦的全釩液流電池為當地32兆瓦的風電場提供儲能,并已運行27萬次循環,世界上還沒有任何其他儲能技術能夠實現這一要求。


鋰離子電池


鋰離子電池的陰極材料為鋰金屬氧化物,具有高效率、高能量密度的特點,并具有放電電壓穩定、工作溫度范圍寬、


自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應及無公害等優點。但目前鋰離子電池在大尺寸制造方面存在一定問題,過充控制的特殊封裝要求高,價格昂貴,所以尚不能普遍應用。目前世界上運行的最大鋰離子儲能系統是A123公司投資建設的,裝機容量為2兆瓦。


鉛酸電池


鉛酸蓄電池的主要特點是采用稀硫酸做電解液,是用二氧化鉛和絨狀鉛分別做為電池的正極和負極的一種酸性蓄電池,具有成本低、技術成熟、儲能容量大等優點,主要應用于電力系統的備載容量、頻率控制,不斷電系統;缺點是儲存能量密度低、可充放電次數少、制造過程中存在一定污染等。日本DEDO曾經資助鉛酸電池與光伏發電配合使用的


示范項目,鉛酸電池儲能系統總儲能容量為4.95兆瓦。


鎳鎘電池


鎳鎘電池可重復500次以上的充放電,經濟耐用,壽命比鉛酸電池更長,其內阻很小,可實現快速充電,又可為負載提供大電流,而且放電時電壓變化很小,是一種比較理想的直流供電電池;缺點在于其記憶效應,而且鎘材料資源短缺,價格十分昂貴。目前在阿拉斯加GoldenValley運行的的鎳鎘儲能系統配置為4兆瓦×15分鐘。


超級電容器


超級電容器根據電化學雙電層理論研制而成,可提供強大的脈沖功率,充電時處于理想極化狀態的電極表面,電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子,使其附于電極表面,形成雙電荷層,構成雙電層電容。超級電容器歷經三代及數十年的發展,已形成容量0.5~1000F、工作電壓12~400V、最大放電流400~2000A系列產品,儲能系統最大儲能量達30MJ。但超級電容器價格較為昂貴,在電力系統中多用于短時間、大功率的負載平滑和電能質量峰值功率場合,如大功率直流電機的啟動支撐、態電壓恢復器等,在電壓跌落和瞬態干擾期間提高供電水平。


超導電磁儲能


超導磁儲能系統(SMES)利用超導體制成線圈儲存磁場能量,功率輸送時無需能源形式的轉換,具有響應速度快(ms級),轉換效率高(≥96%)、比容量(1-10Wh/kg)/比功率(104-105kW/kg)大等優點,可以實現與電力系統的實時大容量能量交換和功率補償。目前,世界上1-5MJ/MW低溫SMES裝置已形成產品,100MJSMES已投入高壓輸電網中實際運行,5GWhSMES已通過可行性分析和技術論證。


SMES可以充分滿足輸配電網電壓支撐、功率補償、頻率調節、提高系統穩定性和功率輸送能力的要求。和其他儲能技術相比,超導電磁儲能仍很昂貴,除了超導本身的費用外,維持系統低溫導致維修頻率提高以及產生的費用也相當可觀。目前,在世界范圍內有許多超導磁儲能工程正在進行或者處于研制階段。


全釩液流電池的發展


全釩液流電池發展歷史


早期的全釩液流電池研究主要集中在澳大利亞的新南威爾士大學。MariaSkyllas-Kazacos等提出全釩液流電池體系以后,開展了大量關于電極反應動力學的基礎性研究,所發表的單電池研究結果,構成了全釩液流電池發展的基礎。1988年,UNSW提出并開始建造1kW級全釩液流電池堆。該電堆由10個單電池組成,電極面積1500cm2,能量效率可達71.9%~88%。千瓦級電堆的開發和建造成功具有重大意義,標志著全釩液流電池開始走出實驗室,邁向工程化研發階段。


全釩液流電池工程發展的第二個階段主要集中在日本。從90年代初開始,以住友電工(SEI)和Kashima-kita電力公司為首的工業企業先后開發了一系列規模不一的試驗性電堆。逐步把全釩液流電池系統推向商業化試運營階段。目前,位于日本北海道由J-power電源開發會社為30兆瓦的風電場建設的全礬液流電池,使用最大輸出功率6兆瓦、儲能容量6MWh的全釩電池,成為世界上最大的全釩液流電池系統。


全釩液流電池對于提高可再生能源的可預測性、可調度性的重大作用


風電和太陽能等新能源自身的不穩定性和間歇性是對電網的重大挑戰,新能源并網應用的規模越大,電網就越不安全。根據國內外風光電站并網的實踐,借助儲能技術可以實現新能源發電功率的平滑輸出,并能在電壓、頻率及相位控制上方便地進行控制,使大規模風電及太陽能電力方便可靠地并入常規電網。從一定意義上講,儲能技術應用的程度將決定新能源發展的水平。儲能和風機匹配后,平滑了風機功率輸出曲線。


全釩液流電池發展前景


由于全釩液流電池容易實現大規模蓄電,具有規模大、壽命長、效率高、造價低、


安全可靠等基本特征,并已開始步入商業化運行,有望在風能等可再生能源發展過程中發揮重要作用,存在廣闊的市場空間。


從目前的市場需求與液流電池的基本特點考慮,全釩液流電池將主要應


用在以下幾個技術領域,并逐漸成為蓄電儲能產業的主流技術之一。


1.風電與光伏互補系統組成的局域電網,用于偏遠地區供電、工廠及辦公樓供電;2.通訊系統中作為不間斷電源和應急電能系統;3.風能和太陽能發電系統的并網電力質量調整;4.電力公司作為大規模電力儲存和負載調峰手段;5.國家重要部門作為大型后備電源。


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