能源结构调整需要大规模储能技术 液流电池是未来发展趋势

作者:张华民 发布时间:2017-11-30   来源:中国能源报

  可再生能源发展离不开储能

  历史上出现了三次能源革命:第一次能源革命煤炭代替了薪柴。当时英国抓住发展机遇,成为全球霸主,但也引发了诸多问题,如伦敦大雾霾,据不完全统计,当时英国能源结构中70%以上是煤炭。第二次能源革命油气代替了煤炭,美国借势成为新的世界霸主。第三次能源革命,则是可再生能源,普及可再生能源是全球实现低碳能源转型的关键。预计2030年以后,整个能源结构当中,可再生能源将会占主导。我国在“十三五”规划中提出的能源革命和能源结构调整战略方针是,到2020年,我国风能发电装机容量达到2.5亿千瓦,光伏发电达1.5亿千瓦,光热发电达500万千瓦。可再生能源正逐渐由辅助能源变为主导能源。

  电网在100多年历史中,没有储能也运行得很好,为何现在需要储能?风电、太阳能发电的不稳定、不连续性特性对电网造成冲击,配置储能,则根本上解决了这一问题,实现安全、稳定供电。近年来,弃风、弃光、弃水率居高不下,仅去年全年,我国弃风、弃光、弃水总量就高达1100亿千瓦时,超过三峡电站全年发电量。储能的重要性凸显——可平衡发电和用电、确保电网稳定,因此大规模储能技术是实现可再生能源普及应用的核心技术。

  近年来,随着可再生能源开发利用规模不断扩大,储能技术的研究与应用日渐广泛。与此同时,国家开始重视储能,一系列利好政策不断出台,尤其是近期5部委联合发布的《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》。作为国内首个储能产业政策文件,《指导意见》明确了储能产业未来10年的发展目标,标志着储能在电网中主体地位的确立。同时《指导意见》鼓励多种技术路线和应用场景并行发展,并且提出了由政府引导、市场主导,强调建立补偿机制,而非单纯给予补贴,预计未来与电化学储能相关的示范项目将加快推进,多种储能商业模式将有望蓬勃发展。

  不同储能技术各有优缺点

  储能技术可按规模大小区分,本文主要聚焦大规模储能技术,即时间长、功率大,适用于电网的储能技术。大规模储能技术需满足三个条件:一是安全性,二是生命周期的性价比高即经济性,三是生命周期的环境负荷低即环境友好。对大规模储能技术而言,由于系统功率和容量大,发生安全事故造成的危害和损失大,因此大规模储能技术的首要要求是安全可靠,解决安全可靠性是其重中之重。此外,无论多大规模的储能,报废后的废弃物处理成本必须算上,对环境的影响必须考虑进去。

  抽水储能、压缩空气储能、锂离子电池、钠硫电池、铅酸/铅炭电池、液流电池等是目前主要的几种储能技术,各有优缺点,在实际应用时要找准定位,使不同的储能技术在不同的领域和场景扮演关键角色。

  抽水储能技术,优点是技术成熟,世界范围已建127000MW、储能容量大,占储能总装机容量的99%,缺点是受地形、生态环境等条件的限制。在欧美,抽水储能装机容量一般占发电装机容量的5%-15%,而我国由于水力资源、地理环境等资源限制,抽水储能装机容量只占发电装机容量的不足1.7%。

  压缩空气储能技术,优点是储能容量大,缺点是选址地质条件限制大,需和燃气燃油电站配套。压缩空气储能技术比较成熟,早在上世纪80年代的德国和90年代的美国就有建过压缩空气储能电站,但目前世界上仅有2座百兆瓦级传统的压缩空气储能电站。

  锂离子电池储能技术,现在锂离子电池产能很大,价格不断下降,但要用到大规模储能上,则要重视安全性问题和容量衰减问题。锂离子电池储能系统做得越大,其能量衰减就越快。

  钠硫电池储能技术,优点是能量密度较高、单个电池的开路电压高,是高温型蓄电池(350℃运行),缺点是液态硫和金属钠对氧化铝隔膜具有强腐蚀性,易引起爆炸,危险性大;电池防腐、隔热与安全防护要求高;制造成本高;启动时间长(数十小时至上百小时)。目前,全球范围内能制造钠硫电池的只有日本NGK公司,钠硫电池中的金属钠容易着火,有极大安全隐患。日本在2010年2月和2011年9月的两场大型钠硫电池着火事件给日本钠硫电池公司造成重大打击,导致很多订单退货。

  铅酸、(铅碳)电池储能技术,优点是铅酸电池技术成熟、价格低廉、安全性能相对可靠;铅碳电池可大幅度提高电池寿命,缺点是循环寿命短、环境污染。通过近几年对铅碳电池研究,结果表明如果铅碳电池做得好,同样条件下,铅碳电池的寿命要比铅酸电池增加5倍,但仍存在一些安全性问题。

  液流电池是未来发展趋势

  根据咨询公司Navigant 2015年对储能技术的相关预测,认为锂离子、液流电池、铅碳电池将成为未来储能技术的发展趋势。

  全钒液流电池储能技术的工作原理是利用钒离子价态变化,实现电能储存和释放。全钒液流电池的优势是,安全性好,比较适合大规模储能,特别是兆瓦以上的储能和时间比较长(4个小时以上)的储能;目前在电池中寿命最长,大于13000多次;充放电响应速度比较快;电解液可循环使用。缺点是比能量较低,不适合电动车,只适合固定电站。

  中国开发全钒液流电池具有先天优势。就钒资源来看,全球目前已知的资源储量大约有6300万吨,中国钒储量占世界38%。全球目前适合开采的钒资源储量为1300万吨,其中95%在中国、俄罗斯和南非。此外,迄今在全钒液流领域,中国整个产业链最全,所有材料均已实现国产化。

  处于产业化示范阶段的全钒液流电池正在成为新能源发电和电网的重要储能技术之一。去年,国家能源局批准建设的首个大型化学储能国家示范项目——大连液流电池储能调峰站,采用的是国内自主研发、具有自主知识产权的全钒液流电池储能技术,建成后将成为全球规模最大的全钒液流电池储能电站。

      关键词: 能源,储能


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