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保福大讲堂丨创意储能

发布日期:2019.10.25 收藏


能源存储不仅可以提高能源系统的灵活性,缓解可再生能源发电的不稳定性,还可以提升电网系统的管理水平。储能的市场潜力非常巨大,根据市场调研公司Pike Research的预测,从2011年到2021年的10年间,将有1220亿美元投入到全球储能项目中来。在大规模的储能系统中,有哪些最广泛应用的储能方式呢?今天,就让我们跟随科技部陈凯一起,全面了解目前存在的能源存储技术。



全球现有的储能系统主要分为五类:机械储能、电化学储能、电储能、热储能和化学储能。从全球储能领域来看,大规模能源存储形式依旧以抽水储能为主,也是目前发展最为成熟的储能技术,其已建储能容量达149GW,占全部储能容量的96%。



大部分抽水蓄能电站和水电站、核电站一起结合应用,在很多国家都有推广,尤其是发达国家,在核电的开发、水能、风能的利用和蓄能配套方面已有一定成功经验,其中日本、美国和欧洲等国的抽水蓄能电站装机容量占全世界抽水蓄能电站总和的80%以上。其次是压缩空气储能,总装机容量为440MW,排名第三的是钠硫电池,总容量规模为316MW。


目前,全世界政府都在鼓励和倡导能源存储的推广与部署,不仅如此,自由化电力交易市场规则也在逐步改变,以使存储交易加入到电力交易市场的竞争中。




机械储能


机械存储系统(MSS)通常用于发电过程。三个典型的机械储能系统包括抽水蓄能(PHS),压缩空气储能(CAES),以及飞轮储能(FES)。


1.1 抽水蓄能

应用最广的机械存储系统是抽水蓄能,用于抽水电站。在水量大的季节,将一部分水泵送到高处,储存水势能,利用水自高而低的势能,带动涡轮机发电,效率一般为75%左右,俗称进4出3。这个存储系统贡献了世界大约99%的电力存储容量,大约是全球发电容量的3%。但因其依赖地势,选址较困难,且投资周期较大,加上抽蓄及线路损耗较高,因此并不能成为储能的发展趋势。

 

我国已先后建成潘家口、广州、十三陵、天荒坪、山东泰山、江苏宜兴、河南宝泉等一批大型抽水蓄能电站,根据水电水利规划设计总院发布的《中国可再生能源发展报告2017》,截至2017年底,中国抽水蓄能在建规模为38.51吉瓦,已建总装机容量为28.69吉瓦,是世界上抽水蓄能装机容量最大的国家。

 

1.2 压缩空气储能(CAES)

利用电力系统负荷低谷时的剩余电量,由电动机带动空气压缩机,压缩空气与天然气混合,膨胀,并进一步转化成混合气体,输送到燃气涡轮发电机以产生电力 ,压缩空气储能适用于大容量电力生产,但该储能方式效率较低。


空气受到压缩时温度会升高,释放膨胀的过程中温度会降低。在压缩空气过程中一部分能量以热能的形式散失,在膨胀之前就必须要重新加热,通常以天然气作为加热空气的热源,这就导致蓄能效率降低。

 


1.3 飞轮储能
由于电力电子和材料工程的进步,飞轮储能系统(FES)适用于电动汽车和动力系统。能量效率在90-95%和功率规模0-50 MW。飞轮系统包括在腔室中旋转的圆柱形本体,联接轴承,以及能量传递装置,发电机/电动机一起安装在一个共同的轴上 。利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来。需要能量时,飞轮减速运行,将存储的能量释放出来。

基本FES系统结构:(a)两个机械系统和(b)双向能量流 的单一机械系统

飞轮储能的主要优点是:

瞬时大功率:快速充放电、毫秒级响应速度、放电倍率高;

使用寿命长:飞轮储能不受重复深度放电的影响,能够运行上千万次,理论寿命超过20年;

工作范围宽:对环境温度没有严格要求,无需建设空调机房;

能量转换效率高:电能动能之间的转换效率高于98%,储能系统综合效率约95%以上;

低损耗、低维护:磁悬浮和真空环境使机械损耗可以被忽略,系统维护周期长;

可精确测量和控制:飞轮储能可精确测量转子转速从而精确推算出“剩余电量”,实现精确控制;

安全可靠无污染:飞轮储能98%以上的材料都是钢材,无化学物质释放,无化学爆炸等安全隐患,从生产到应用的整个环节对环境友好;

大规模制造成本大幅下降:飞轮主要材质为钢材,大规模制造后成本急剧下降,无限接近钢材成本;

残值高:“废旧飞轮电池”可直接回收利用,残值高,二次回收成本低。


飞轮储能技术的应用
a. 电力调峰:据不完全统计,我国用电高峰与用电低谷电力负荷差在10%以上,就此数据可以看出电力调峰的重要性;飞轮储能技术具有能量储存与瞬态释放的特点,可以在任意时间间隔以任意的规模进行充放电操作;安置形势不受限,具备零排放、低噪声等优势,适应环境保护的要求,因此,飞轮大规模储能技术被认为是近期最有竞争力的新型储能技术。

b. 储能调频:在电力系统运行过程中,AGC主要通过实时调节电网中调频电源的有功出力,实现对电网频率及联络线功率的控制。储能系统能够快速、准确的控制功率输出,非常符合电网调频的需求。在全球范围内,新型储能系统规模化应用于电网调频始于美国,电力工业的相关主体协同进行了大量的理论验证、试验分析和实际测试,结果显示充分利用储能等高性能调频电源能够有效改善系统调频整体效率和经济性。在较完善的电力市场中,调频市场是能量市场以外的独立市场,由于电力系统调频功能的特殊性,其市场设计也自成体系。

随着飞轮储能单元并联技术及超导磁悬浮技术的逐渐成熟,飞轮储能系统在储能容量、自放电率等技术指标的进一步提高,其应用领域将逐步扩展到大电网储能领域。国外飞轮技术产品处于快速扩张时期,为防止飞轮储能电源产品全被西方国家垄断,我国应当积极从国家层面支持国内飞轮储能电源技术研究开发,缩短国内外相关技术差距,争取早日推出国产飞轮储能电源高技术产品。

1.4 瑞士水泥积木
瑞士公司Enegry Vault在2018年11月推出了一个创新的新系统,它能将潜在的能源储存在一个巨大的混凝土塔中,之后通过起重机“放下”混凝土砖来获取动能。


1.5 德国水力岩石储能技术

用圆柱体的岩石(像一个活塞一样)嵌放在形状相同的储水池中,有富余电力时(例白天有光伏发电时),泵会把水压入储水池中,此时岩石活塞就会被水压提起,即电能转化成了重力势能。而当电网需要电能供应时(例晚上无光伏发电时),闸门会打开,此时岩石活塞会下降,挤压储水池中的水流经泵来发电,此时重力势能会转化成电能。



1.6 德国水下空心混凝土球储能

直径30米,壁厚3米的混凝土球可以在几百米的深海中存储电能。



球的内空间的镶板/型芯,必须为了能让涡轮机通过相对小的空洞来从里面提取出,这样它们就可以再重复利用。解决方法是使用一种软管,用其来构成球内部的镶板/型芯,然后等混凝土球建设好后,再通过空洞抽出来。

 



电气储能


储能系统对于可再生能源的进一步普及至关重要,如果希望以更加环保的方式来生产和使用电能源,储能是必须要克服的障碍。


2.1超导储能(SMES)

超导磁储能装置是利用超导材料制成的线圈,由电网经变流器供电励磁,在线圈中产生磁场而储存能量,在需要时可将此能量经逆变器进回电网或作其他用途。超导储能系统大致包括超导线圈、低温系统、功率调节系统和监控系统4大部分。超导材料大致可分为低温超导材料、高温超导材料和室温超导材料。


超导体储能的优点是,利用它们可以进行局部放电,且能量密度可达到300到3000Wh/kg。此外,其不仅可以在超导体电感线圈内无损耗地储存电能,还可以通过电力电子换流器与外部系统快速交换有功和无功功率,用于提高电力系统稳定性、改善供电品质。但是超导储能的成本很高(材料和低温制冷系统),使得它的应用受到很大限制,可靠性和经济性的制约,商业化应用还比较远。

 


2.2超级电容器储能
用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电容量。充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保。超级电容器由储能作用机制的不同可以分为:常规电容器(使用静电力)、电化学双层电容器(使用静电力)、伪电容和混合电容(使用电化学反应)。超级电容器的效率通常在85%到98%之间,目前有专家正在设计自放电的超级电容器,可以在一定程度上提高效率。一般超级电容器可以实现的能量密度大概在5到10 Wh/kg,能达到的功率约为10000W/kg。但是和电池相比,超级电容器能量密度导致同等重量下储能量相对较低,直接导致的就是续航能力差,依赖于新材料的诞生,比如石墨烯,目前石墨烯材料为基础的新型超级电容器非常火。



电化学储能


在各储能种类中,电化学储能是其中最瞩目、增长最快速的储能类别。根据中国化学与物理电源行业协会在大会上发布的统计报告,2018年中国电化学储能市场累计装机功率规模达到1033.7MW,首次突破GW水平,2018年复合增长率达147%。



3.1 铅酸电池铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液的蓄电池。目前在世界上应用广泛,性价比高,效率能达到 80%-90%,常用于电力系统的事故电源或备用电源。我国铅酸电池技术成熟,也是全球最大的铅酸蓄电池生产国和铅酸蓄电池消耗国。


我国大型国有通信基础设施综合服务企业——中国铁塔在2018年之前一直使用铅酸电池作为通信基站的备用电源。2015年开始,中国铁塔陆续在12个省市3000多个基站开展梯次利用电池替换铅酸电池试验。2018年,中国铁塔已停止采购铅酸电池,统一采购梯次利用电池。截至2018年底,已在全国31个省市约12万个基站使用梯次电池约1.5GWh,替代铅酸电池约4.5万吨。


铅酸电池虽然材料来源广泛,成本较低,但是能量密度低,循环次数少,使用寿命短,如果深度、快速大功率放电时,可用容量会下降,并且在生产回收等环节处理不当易造成污染环境。


 

3.2 锂离子电池一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池,主要应用于便携式的移动设备中,其效率可达 95%以上。锂离子电池能量密度高,适用温度范围宽,放电时间可达数小时,循环次数可达 5000 次或更多,响应快速,近些年来在储能市场的电化学储能装机中占据领导地位。据统计,2018年全球电化学储能新增装机中,锂离子电池占比94%,市场上主流的动力锂电池分为三大类:钴酸锂电池、锰酸锂电池和磷酸铁锂电池。前者能量密度高,但是安全性稍差,后者相反,国内电动汽车比如比亚迪,目前大多采用磷酸铁锂电池。


但锂离子电池用于储能,也存在着一些天然的劣势:

一、使用寿命短。4000个循环的动力电池衰减到2000个循环,如果装在储能系统里面,仅仅做削峰填谷的话,磷酸铁锂能用三到四年,而三元电池只能用两年;

二、成本高。动力电池如果从回收到运输再进行检测,再做成储能系统的话,隐形成本非常高;

三、存在安全隐患。目前汽车主流电池是三元电池,如果系统设计得不够好,或者系统超期服役的话,会留下许多安全隐患;

四、技术路线不同。动力电池和储能电池技术路线是有差异的,动力电池提升能量密度后循环寿命会越降越少,再拿来做梯级利用并不合适。


3.3 钠硫电池由熔融电极和固体电解质组成,负极的活性物质为熔融金属钠,正极活性物质为液态硫和多硫化钠熔盐。钠硫电池体积小、容量大、能量密度高,转换效率接近100%,响应时间快,循环周期可达到 4500 次,放电时间 6-7 小时,周期往返效率 75%,在电力储能中广泛应用于削峰填谷、应急电源、风力发电等储能方面。


但是成本高昂,达2000美元/kWh左右;对工作环境要求苛刻,300℃方能启动,如果发生短路故障,温度会高达2000℃左右,因此对技术有着极高的要求,钠硫储能电池国外应用较多,国内未能大规模推广。目前在日本、德国、法国、美国等地已建有 200 多处此类储能电站,主要用于负荷调平,移峰和改善电能质量。


 
3.4 液流电池
液流电池是一类较独特的电化学储能技术,通过电解液内离子的价态变化实现电能存储和释放。液流电池根据正负极活性物质不同,可分为铁铬液流电池、多硫化钠溴液流电池、全钒液流电池、锌溴液流电池等体系。其中,全钒液流电池技术最为成熟,已经进入了产业化阶段。全钒液流电池使用水溶液作为电解质且充放电过程为均相反应,因此具有优异的安全性和循环寿命(>1万次),在大规模储能领域极具应用优势。

液流电池体积太大,电池对环境温度要求太高,价格贵,系统复杂。对于液流电池技术,需要进一步支持全钒液流电池降低成本,开展百MW级系统的应用示范并推广应用;同时,加强高能量密度、低成本锌基液流储能电池的研究,突破其规模放大技术,开展示范应用,推进其产业化。 


3.5 麻省理工学院新型液态金属储能

液态金属电池内部没有使用任何固体材料制作,电池的阴极、阳极和储能元件等全部都采用融化的液体来制作。电极部分采用了液态锑和液态镁,储能元件则采用硫化钠材料制作。由于密度不同,因此几种液态金属材料彼此之间并不会混合在一起,而会像油水那样出现分层结构。



在原来使用液态锑做电极材料时,系统需要保持700°C 的高温才能够运行,经过改进后研究人员使用了锂与铅和锑的混合金属制作电极,使得工作温度降低至400~500°C。同时研究人员发现使用这种新材料电极获得了更多的益处,获得了比仅使用锑更高的电压,以及比仅使用铅更低的熔点。


研究团队表示新版本的电池能够在更低的温度下工作,具有更长的使用寿命以及更低的主体成本。在测试中发现,经过十年的日常充放电后,这种电池仍能保持初始转化效率的85%(初始转化效率约为70%)。



热储能


全球热储能市场在过去几年得到了长足的发展。2017年,热储能行业实现了36.1亿美元的市场收入,预计2023年将达到69.7亿美元。据调查研究,2018年到2023年的复合年增长率将达到11.60%。


热储能系统中,热能被储存在隔热容器的媒介中,需要的时候转化回电能,也可直接利用而不再转化回电能。热储能有许多不同的技术,可进一步分为显热储存(sensible heat storage)和潜热储存(latent heat storage)等。储热作为储能领域中非常重要的组成部分,具有低成本、寿命长、容量大、环保无污染等诸多优点,但是热储能要各种高温化学热工质,使用场合比较受限。



在美国加州拉斯维加斯西南部40英里的莫哈韦沙漠有世界上最大的太阳能热发电场,艾文帕太阳能发电系统(Ivanpah Solar Electric Generating System,ISEGS),电场由3座塔式聚光太阳能系统组成,占地面积14.2万平方千米,由美国BrightSource能源公司、NRG能源公司和Google共同参与投资,项目总计投资达22亿美元。


4.1 熔融盐储能熔融盐储能技术,是利用白天的光照把蓄热介质熔盐加热后存储起来,到夜晚释放,通过换热产生蒸汽推动汽轮机发电。相较于光伏发电由光直接转化为电能的存储缺陷,光热发电的储能技术能避免夜间、阴雨天不能发电的麻烦,可实现持续发电、调峰发电。



2010年7月,意大利建成了世界首个完全使用熔融盐传热蓄热的太阳能发电站。据介绍,这个目前发电功率为5兆瓦的太阳能热电站,主要构成部分包括面积为3万平方米的反射镜面、长达5400米的熔融盐真空管、蓄热罐、蒸发器和涡轮发电机。反射镜面将太阳能集中于真空管,加热管中流动的熔融盐,可使其温度升高到550摄氏度。熔融盐将热量传导给蒸发器,通过热交换产生高温、高压的水蒸气,最后带动涡轮发电机发电。由于完全使用熔融盐为传热介质,提高了槽式集热管的工作温度,进而大幅提高了熔融盐蓄热的能量密度。

 

与普通太阳能光热发电站相比,这种电站能储存稳定的能量,即使在太阳光照射强度变化大的情况下,系统仍能维持正常运转。目前全球使用大规模熔融盐蓄热的商业化运行太阳能热发电站已有4个,总发电容量20万千瓦,总熔融盐用量达12万吨,另外在建的和计划建的有10座槽式、3座塔式总共104.9万千瓦的电站将采用熔融盐大规模蓄热技术。


4.2 阿联酋 Masdar理工学院沙子储热技术2015年12月,阿联酋Masdar理工学院宣布,其研究人员已成功证明沙子可以储存太阳热能用于光热发电,存储温度可达1000℃。该研究项目名为“Sandstock”,目标是寻求开发一种可持续的低成本的依靠重力给料的太阳能接收器和存储系统,即使用沙子作为传热和储热介质。沙漠里的沙子是一种潜在的储热材料,其热稳定性和比热容在高温下的特性已经被研究证明。用廉价的沙子可以降低成本,同时,储热材料工作温度的增加意味着效率提升。



2016年7月,全球首个以沙子作为工质的塔式光热电站在意大利西西里岛正式启动。该项目的核心技术是一种基于沙子流化床的太阳能蒸汽发生技术,是首个在MW级规模对沙子储热工质进行示范的电站,能够吸收和储存太阳能并将热量转化为电力和其他热能使用。


化学类储能


化学类储能,通过系统中化合物的化学反应来储存和释放能量。利用氢或合成天然气作为二次能源的载体,利用多余的电制氢,可以直接用氢作为能量的载体,也可以将其与二氧化碳反应成为合成天然气(甲烷),氢或者 合成天然气除了可用于发电外,还有其他利用方式如交通等。德国热衷于推动此技术,并有示范项目投入运行。化学类储能全周期效率较低,制氢效率仅 40%,合成天然气的效率不到 35%。总体来说,目前研究发展主要还是集中于超级电容和电池(锂电池、液流电池)上,材料领域的突破才是关键。


瑞典 SaltX新型盐结晶储能技术

SaltX储能系统主要由两部分构成——反应器(R)和冷凝器(C)。这两个罐体被置于真空环境中,顶端通过管道连接。在反应器中,含有嵌入矩阵的盐晶体与溶液,受热后发生化学反应。另一个罐中不含任何盐分,只有基质,用来进行液体冷凝。


反应器需要热量进行驱动,其工作温度至少为100摄氏度。热源包括光热电站镜场收集的热量、气体燃烧器的余热以及发电机运转过程中产生的废热。当输入热量达到100摄氏度后,就可将反应器中的溶液煮沸,这时,保持加热,盐晶体就会不断析出。直到晶体储存的热量达到饱和,溶液会自动流入冷凝器。值得注意的是,在蓄电过程中,一部分热量储存在盐晶体中,另一部分则作为冷凝热排出。


当热量停止供应后,储热介质盐晶体开始放热。同时,原处于真空中的冷凝器与空气接触,或与空气调节系统连接,来蒸发或煮沸罐中溶液,此时的冷凝器变成蒸发器。而溶液之所以可以在室温状态下被煮沸,因为在真空环境下,压力值接近零。


随着反应器中储存的热量不断释放,罐内温度逐渐降低,当下降到一定水平时,蒸发器中的溶液蒸汽流入反应器,遇低温冷却并与盐晶体发生反应,促进盐中的化学能量进一步释放。而蒸汽逐渐排空后,蒸发器中的温度则再次下降到冷凝器水平。整个储能系统按照上述步骤循环运行,源源不断地为后端系统提供热能。由于盐晶体和基质表面均有纳米涂层,因此将不会发生降解现象。



各种储能技术的性能比较


综合而言,机械储能方面,压缩空气储能以及飞轮储能等传统的储能方式正在经历不断改进和创新,将不断适应未来电网日益增长的储能需求。化学储能方面,液流储能电池相比于目前常用的铅酸电池、锂离子电池等二次蓄电池,具有安全性高、功率和储能容量可独立设计、寿命长、可深度放电以及环境友好等优点,将是规模储能技术的首选技术之一。其他储能方面,氢能绿色无污染、能量密度高、运维成本低、可长时间存储,不存在类似蓄电池的自放电现象,一旦技术成熟,将是极具潜力的新型大规模储能技术。



在能源互联网大背景下,储能技术应用前景十分广阔,更多安全性高、寿命长、成本低、绿色环保、能量密度高的大规模储能技术将不断涌现。


储能产业相关政策


近期各国储能产业相关政策主要集中在以下几个方面:在储能尚未推广或刚刚起步的国家或地区,发展储能逐渐被纳入国家战略规划,政府开始制定储能的发展路线图;在储能已具备一定规模或产业相对发达的国家或地区,政府多采用税收优惠或补贴的方式,以促进储能成本下降和规模应用(尤其是用户侧的应用);在储能逐步深入参与辅助服务市场的国家或地区,政府通过开放区域电力市场,为储能应用实现多重价值、提供高品质服务创造平台。 


成本的不断下滑和政府的大力倡导加速了某些领域能源存储部署,然而前期较高的投入仍然是能源存储推广的障碍。为使能源存储在能源系统中全面发挥自身优点,市场和监管框架还需进一步完善。此外还必须要推行基于现有电网基础设备的区域储能系统一体化建设,扩大能源存储容量、简化审批程序、及时收集市场和技术数据。


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