张华明储能 张华明:大规模高效储能离我们有多远?

首先,大规模高效储能技术是实现太阳能、风能等可再生能源普及应用的关键技术。

风能、太阳能和海洋能等可再生能源发电受季节、气象和地域条件的影响,具有明显的不连续、不稳定性。发出的电力波动较大,可调节性差。当电网接入的风电发电容量过多时,电网的稳定性将受到影响。目前,可再生能源发电的大规模电网接入是制约其发展的瓶颈。

配套大规模高效储能装置,可以解决发电与用电的时差矛盾及间歇式可再生能源发电直接并网对电网冲击,调节电能品质。同时,储能技术在离网的太阳能、风能等可再生能源发电应用中具有不可或缺的重要作用。

其次,大规模高效储能技术是构建坚强智能电网的关键。

电力工业是国民经济的基础产业,为经济发展和社会进步提供了重要保障。智能电网技术是提高电力系统安全性、稳定性、可靠性和电力质量的重要技术,被奥巴马政府列为经济刺激方案的重要内容。储能技术作为提高智能电网对可再生能源发电兼容量的重要手段和实现智能电网能量双向互动的中枢和纽带,是智能电网建设中的关键技术之一。

第三,高效储能系统用于高耗能企业和国家重要部门的备用电源。

电解、电镀及冶金等行业,电车、轻轨和地铁等交通部门,都是集中用电大户。使用储能电池用"谷电"对储能系统充电,在高峰期应用于生产、运营,电能的利用效率高,不仅可以减轻电网负担,还可以降低运营成本。

高效储能系统的另外一个重要应用是用作政府、医院、军事指挥部等重要部门的备用电站。在非常时期保证稳定、及时的应急电力供应。

有哪些大规模储能技术?

至今为止,人们已经开发了多种储能技术。主要分为物理储能、化学储能两个大类。物理储能主要包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能和超导磁储能。化学储能主要包括铅酸电池、液流储能电池、二次电池(镍氢电池、锂离子电池)和钠硫电池。

根据各种应用场合对储能功率和储能容量要求的不同,各种储能技术都有其适宜的应用领域。适合于大规模储能的技术主要有液流电池、钠硫电池、铅酸电池、抽水和压缩空气储能。近几年来,随着锂离子电池技术的进步,锂离子电池也逐步向用于分散储能及规模储能领域渗透。

    抽水储能是目前唯一成熟的大规模储能方式。它是指在电力负荷低谷期将水从低水位水库抽到高水位水库,将电能转化成重力势能储存起来,在电网负荷高峰期释放高水位水库中的水发电。抽水储能的释放时间可以从几个小时到几天,主要用于电力系统的调峰、调频、非常时期备用等。

其突出优点是规模大、寿命长、运行费用低。但抽水储能电站的建设受地形制约,建设周期长,也会带来一定的生态问题,也受水资源的制约。因此,只能因地制宜适当发展。

化学储能有何优势?

钠硫电池储能

钠硫电池以钠和硫分别用作阳极和阴极。氧化铝陶瓷同时起隔膜和电解质的双重作用。在一定的工作温度下,钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应,形成能量的释放和储存。

钠硫电池最大的特点是:比能量密度高,是铅酸电池的3~4倍,体积小;可大电流、高功率放电;充放电效率高。且硫和钠的原料资源储量丰富。

钠硫电池的不足之处在于:其正、负极活性物质的强腐蚀性,对电池材料、电池结构及运行条件的要求苛刻;电池的充放电状态(SOC)不能准确在线测量,需要周期性的离线度量;运行温度在300℃~350℃,需要附加供热设备来维持温度;并且钠硫电池仅只在达到300℃左右的温度下才能运行,由此造成启动时间很长,这在一定程度上限制了其应用。

例如风力发电具有明显的季节性和随机性,在夏季风力资源不佳时,需要储能系统间歇性运行,这要求配套的储能有较好的启动特性。另外,如果陶瓷电介质一旦破损形成短路,高温的液态钠和硫就会直接接触,发生剧烈的放热反应,产生高达2000℃的高温,存在严重的安全隐患。

铅酸电池储能

铅酸电池是比较成熟的蓄电技术,具有价格低廉、安全性相对可靠的优点。但循环寿命短、不可深度放电、运行和维护费用高等缺点,加上失效后的回收难题,都使得铅酸电池在规模储能领域应用还有很长一段路要走。

锂离子电池储能

锂离子电池分为液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)。其中,液态锂离子电池是指Li 嵌入化合物为正、负极的二次电池。电池正极采用锂化合物LiCoO2 或LiMn2O4等,负极采用锂—碳层间化合物。

锂离子电池具有高储存能量密度,可达200~500Wh/L,重量轻,相同体积下重量约为铅酸产品的1/5~1/6;额定电压高(单体工作电压为3.7V或3.2V),便于组成电池组。并且锂离子电池产业基础较好,这使得锂电池在车用动力电池领域备受青睐。

但锂离子电池耐过充/放电性能差,组合及保护电路复杂,电池充电状态很难精确测量,成本相对于铅酸电池等传统蓄电池偏高,单体电池一致性及安全性仍不符合要求等因素制约了锂离子电池在规模储能领域的应用。美国A123公司使用磷酸铁锂电池建成1MW(0.5MWh)移动储能电站。但至今未有在大规模风电场中应用的实例。

    液流电池储能

液流电池是电池的正负极或某一极活性物质为液态流体氧化还原电对的一种电池。根据活性物质不同,研究较多的液流电池有锌溴电池、多硫化钠/溴电池及全钒液流电池三种。其中全钒液流电池被认为是最具应用前景的液流储能电池技术。

全钒液流储能电池具有循环寿命长(大于16000次)、蓄电容量大、能量转换效率高、选址自由、可深度放电、系统设计灵活、安全环保、维护费用低等优点,在输出功率为数千瓦至数十兆瓦,储能容量数小时以上级的规模化固定储能场合,液流电池储能具有明显的优势,是大规模高效储能技术的首选技术之一。

2005年,日本住友电工公司在北海道为36MW的风电场建造了4MW/6MWh全钒液流电池系统。该系统在3年的应用中实现充放电循环27万次,对于平滑风电场输出和储能发挥了重要作用。全钒液流储能电池是目前唯一一种在大规模风电场中进行了应用的储能技术。日本的示范经验表明,液流电池是最适合风力发电的储能技术。

我国大连化物所与大连融科储能技术发展有限公司联合,采用全钒液流电池实施了多项"光—储"、"风—光—储"应用示范工程,推动我国自主知识产权的液流电池技术进入产业化初期阶段。

但液流储能电池能量密度和功率密度低。并需要加快工程化和批量化生产技术开发,进一步降低成本、提升性能,以满足液流电池商业化需要。

大规模储能前景何在?

循环寿命、储能效率、最大储能容量、能量密度、功率密度、响应时间、建设成本和运行维护成本、技术成熟度等是衡量各种储能技术的关键指标。在不同应用场合,关注的指标也不同。如配合风力发电应用的储能要求容量大、寿命长、建设成本和维护成本合理、并要求响应时间快。但对于电力调峰,储能的响应时间指标就不是很关键,如调峰电源的响应时间可以为分钟。因此,各种储能技术在不同领域会找到最适宜的应用。

由于我国储能行业起步比较晚,随着可再生能源的普及应用、电动汽车产业的发展及智能电网的建设,各种储能技术都面临巨大挑战和前所未有的发展机遇。加大储能研发和应用示范力度,突破关键技术;尽快明确国家的产业政策和支持措施;建立起储能产业链,推动储能行业的健康快速发展是实现我国新能源振兴和落实节能减排国策的重要保证。

(作者张华民系"973"大规模高效液流电池储能技术的基础研究项目首席科学家,中国科学院大连化学物理研究所研究员,大连融科储能技术发展有限公司 总工程师)