中國儲能網訊：能源結構調整中的大規(guī)模儲能技術
近年來，可再生能源開發(fā)利用規(guī)模不斷擴大，儲能技術的研究與應用也日漸廣泛。抽水儲能、壓縮空氣儲能、鋰離子電池、鈉硫電池、鉛酸/鉛炭電池等目前主要的幾種儲能技術都有各自的優(yōu)缺點，在實際應用時要找準定位，使不同的儲能技術在不同的領域和場景扮演關鍵角色。
發(fā)展可再生能源是大勢所需
上圖展示了我國能源消費情況：
2003年18億噸標準煤，2012年36億噸，2015年達到43億噸，2020年將達到48億噸，其中煤炭力爭控制在42億噸。
眾所周知，煤炭的大量消耗是我國環(huán)境污染、肺癌等疾病的成因之一。故，發(fā)展可再生能源是大勢所驅。歷史上出現了三次能源革命：
第一次能源革命，煤炭代替了薪柴，大英帝國抓住了機遇，稱霸全球。但也引發(fā)了諸多問題，例如倫敦大霧霾。據不完全統計，當時英國的能源結構中70%以上是煤炭。
第二次能源革命，油氣代替了煤炭，美國借勢成為新的世界霸主。
第三次能源革命，提出了可再生能源。中共中央在十三五規(guī)劃中提出能源革命和能源結構調整的戰(zhàn)略方針：到2020年，我國風能發(fā)電裝機容量達到2.5億千瓦，光伏發(fā)電達1.5億千瓦，光熱發(fā)電達500萬千瓦。
以上是世界各國在能源轉型上的一些規(guī)劃目標，可以看出，普及可再生能源是全球實現低碳能源轉型的關鍵。預計2030年以后，整個能源結構當中，可再生能源將會占主導。早在2004年的一次報告中我提出過：可再生能源正逐漸由輔助能源變?yōu)橹鲗茉?。至今我仍然堅持這一觀點。
為什么需要“儲能”?
電網有一百多年歷史，沒有儲能也運行得很好，那為什么現在需要“儲能”?
舉一個例子，上圖是日本的某個實驗：圖中曲線是某風機半夜兩點時段的發(fā)電輸出，可以看到這個風力發(fā)電不是那么穩(wěn)定，最高超過300千瓦，最低不到50千瓦。這是風機發(fā)電的特點，可能會對電網造成很大的問題。但如果有儲能裝置，發(fā)電多時將多余電存起來作為負載，發(fā)電少時往外放電，長此以往，計算出一個預估值，判斷多大風發(fā)多少電，根本解決風能、太陽能發(fā)電的不穩(wěn)定、不連續(xù)性特性，實現安全、穩(wěn)定供電。
再者就是，近年來由于風、光發(fā)電的不連續(xù)、不穩(wěn)定、并網難等特點導致棄風、棄光情況增加。去年全年，全國棄風、棄光、棄水總量高達1300億kWh。1300億電是個什么概念?相當于我國去年一年的棄風量、棄光量約等于1.6個三峽工程的年發(fā)電量。
所以說，儲能能夠平衡發(fā)電和用電，實現電網穩(wěn)定性，大規(guī)模儲能技術才是實現可再生能源普及應用的核心技術。
大規(guī)模儲能技術是國家的重大需求
值得高興的是，近幾年，無論是十三五還是兩會，一些文件的出臺都表明國家開始重視儲能：
2016.11.17，《國家能源委員會會議：通過能源發(fā)展十三五規(guī)劃》，指出，加快技術創(chuàng)新和體制改革是推動能源可持續(xù)發(fā)展的關鍵依托。要集中力量在可再生能源開發(fā)利用特別是新能源并網技術和儲能、微網技術上取得突破，全面建設“互聯網+”智慧能源，提升電網系統調節(jié)能力，增加新能源消納能力，發(fā)展先進高效節(jié)能技術，搶占能源科技競爭制高點。
2016.12.19《十三五國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》國務院加快發(fā)展先進核電、高效光電光熱、大型風電、高效儲能、分布式能源等，加速提升新能源產品經濟性，加快構建適應新能源高比例發(fā)展的電力體制機制、新型電網和創(chuàng)新支撐體系，促進多能互補和協同優(yōu)化，引領能源生產與消費革命。
大力發(fā)展“互聯網+”智慧能源。加快研發(fā)分布式能源、儲能、智能微網等關鍵技術，構建智能化電力運行監(jiān)測管理技術平臺，建設以可再生能源為主體的“源—網—荷—儲—用”協調發(fā)展、集成互補的能源互聯網。
還有前段時間大家一定都被由五部委聯合發(fā)布的《關于促進儲能技術與產業(yè)發(fā)展的指導意見》刷屏了，指導意見中明確指出:“應用推廣一批具有自主知識產權的儲能技術和產品。加強引導和扶持，促進產學研用結合，加速技術轉化。鼓勵儲能產品生產企業(yè)采用先進制造技術和理念提質增效，鼓勵創(chuàng)新投融資模式降低成本，鼓勵通過參與國外應用市場拉動國內裝備制造水平提升。重點包括100MW級全釩液流電池儲能電站、高性能鉛炭電容電池儲能系統等?！?
作為國內首個儲能產業(yè)政策文件，這份指導意見明確了儲能產業(yè)未來10年的發(fā)展目標，標志著儲能作為電網中的主體地位確立。該意見鼓勵多種技術路線和應用場景并行發(fā)展，并且提出了由政府引導、市場主導，強調建立補償機制，而非單純的給予補貼，起點研究預測未來與電化學儲能相關的示范項目有望加快推進，多種儲能商業(yè)模式將有望蓬勃發(fā)展。
各種儲能技術的特點
1、各種儲能技術及適用規(guī)模
上圖是美國能源局專家畫的圖，歸納了各種儲能技術及適用規(guī)模。這個圖不是說哪個技術可以代替誰，而是各種儲能技術需要找好自己的定位，不同的儲能適合不同的領域。
我們所說的大規(guī)模儲能技術，如圖中三角區(qū)域所示，時間長、功率大，屬于電網的儲能技術。如抽水儲能、壓縮空氣儲能、鈉硫電池、鉛炭電池等。
2、大規(guī)模儲能技術的要求
滿足以下三個條件就適合大規(guī)模儲能：
① 安全性
② 生命周期的性價比高(經濟性好)
③ 生命周期的環(huán)境負荷低(環(huán)境友好)
對規(guī)模儲能技術而言，由于系統功率和容量大，發(fā)生安全事故造成的危害和損失大，因此規(guī)模儲能技術的首要要求是安全可靠。解決其安全可靠性是其重中之重;無論多大規(guī)模的儲能，報廢后的廢棄物處理成本必須算上;對環(huán)境的影響必須考慮進去。
有人認為電動汽車儲能報廢下來后可以用到大規(guī)模儲能上。我的觀點是：電動汽車不到20-40個千瓦，你用到小規(guī)模儲能上也許可行，但用到兆瓦級以上的儲能，其經濟性、壽命各個方面都需要反復考量。
3、抽水儲能技術
優(yōu)點：
① 技術成熟：世界范圍已建127,000MW，
② 儲能容量大：占總儲能裝機容量的99%;數十MW ― GW
缺點：
受地形、生態(tài)環(huán)境等條件的限制
工作原理：
儲電：利用“谷電”，把水由低位水庫抽到高位水庫，電能轉為勢能。
發(fā)電：在用電高峰期，釋放高位水庫中的水，勢能轉化為電能。
在歐美，抽水儲能裝機容量一般占發(fā)電裝機容量的10%-15%;我國由于水力資源、地理環(huán)境等資源限制，抽水儲能裝機容量只占發(fā)電裝機容量的1.7%不到。
4、壓縮空氣儲能技術
優(yōu)點：儲能容量大
缺點：選址地質條件限制大 、需和燃氣燃油電站配套
壓縮空氣儲能技術是比較成熟的。早在上世紀八十年代的德國和九十年代的美國就有建過壓縮空氣儲能電站，但目前世界上僅有2座百兆瓦級壓縮空氣儲能電站，第三座終止建設。
5、鋰離子電池儲能技術
現在都說鋰離子電池好，但是兩個問題需要重視：一個是安全性問題，第二個是容量衰減問題。鋰離子電池做的越大，其能量衰減就越快。正如我剛才提到的，汽車電池報廢后用到大規(guī)模儲能上是需要慎重的。
6、鈉硫電池儲能技術
能量密度較高，單個電池的開路電壓高
高溫型蓄電池(350℃運行)
缺點：
液態(tài)硫和金屬鈉對氧化鋁隔膜具有強腐蝕性，易引起爆炸，危險性大
電池防腐、隔熱與安全防護要求高
制造成本高
啟動時間長(數十小時至上百小時)
目前，全球范圍內能造出鈉硫電池的只有日本NGK公司一家，中國要買它家電池要排隊五年，而且電池賣出去后，所有的電池管理系統、電池信息只能日本人看，買家只能用。然而鈉硫電池中的金屬納遇到水就著火，有極大的安全隱患。日本在2010年2月和9月的兩場大型鈉硫電池著火事件，也給日本鈉硫電池公司造成致命打擊，導致很多訂單退貨。
7、鉛酸、(鉛碳)電池儲能技術
優(yōu)點：
鉛酸電池技術成熟、價格低廉、安全性能相對可靠
鉛碳電池可大幅度提高電池的壽命
缺點：
循環(huán)壽命短、環(huán)境污染
鉛酸電池，我以前不看好。但通過近幾年對鉛碳電池的研究，從目前我的試驗室研究結果表明，如果鉛碳電池做得好，同樣的條件下，鉛碳電池的壽命要比鉛酸電池增加5倍。但仍存在一些安全性的問題，如十幾年以前，美國有一國際知名的儲能公司最近宣布破產，原因是其在美國本土和在夏威夷項目著火，其主要原因是在鉛酸電池和碳，碳和水在一起，充電過程當中超過1.7V(鉛酸電池電壓為1.8V)，控制不好就會產生氫氣，引起著火。所以解決這個問題是鉛碳電池的核心。
上圖是美國能源部2011年發(fā)布的美國能源部儲能規(guī)劃，圖中可以看出他們支持哪些電池。
上圖是一個叫Navigant的咨詢公司2015年對儲能技術的預測。上圖顯示了該公司認為的今后哪些儲能會主導。具體的百分比我不太相信，但其趨勢我比較認可。除了鋰離子、液流電池、歐洲還有一個P to G(Power-to-Gas)技術。我個人認為，從中期看，儲能的這三種技術是比較好的。
全釩液流電池儲能技術
1、全釩液流電池的原理及特點
原理：利用釩離子價態(tài)變化，實現電能儲存和釋放
2、全釩液流儲能電池的特點
① 功率和容量可獨立設計，尤其適合大規(guī)模儲能
儲能容量大：100skWh– 100sMWh;
輸出功率大：100skW— 100sMW
② 能量效率高、充放電性能好、循環(huán)壽命長：
能量效率80%, 可深度放電，循環(huán)次數>13,000
③ 啟動和響應速度快：無相變化, 充、放電切換只需0.02秒
④ 常溫封閉運行，電解液可半永久使用、性價比高
部件材料可循環(huán)利用、環(huán)境友好
⑤ 安全性好。
⑥ 使用壽命長，可達15～20年。
⑦ 比能量低
全釩液流電池比較適合大規(guī)模儲能，特別是兆瓦以上的儲能和時間比較長(四個小時以上)的儲能。因為四個小時以上的儲能其它電池技術都要增加電池，而全釩液流電池只要增加電解液;它的循環(huán)壽命大于13000多次，目前在電池中是最長的;其充放電相應速度比較快;其電解液可以半永久性使用;因為全釩液流電池是水溶液，所以安全性非常好;缺點是比能量較低，不適合電動車，只適合固定電站。
3、全釩液流儲能電池的內部結構
4、我國釩資源情況：
全球目前已知的資源儲量大約6300萬噸釩，中國釩儲量占世界38%;其中適合目前開采的資源儲量為1300萬噸釩，95%在中國、俄羅斯和南非。
電解液殘值高：電解液殘值可達50%~70%，用戶角度看，是一種保值或增值的物質。
全釩液流電池產業(yè)是釩資源綜合利用的重要方向。目前為止，在全釩液流領域中國是領先的，整個產業(yè)鏈最全，所有材料都是我國自己的。
5、釩電解質溶液
全釩液流電池電解液性能衰減的原因是微量副反應，長期積累等引起的物質失衡和價態(tài)失衡引起的?？赏ㄟ^在線或離線再生技術恢復，電解液可循環(huán)利用!
6、全釩液流電池關鍵材料—電極
全釩液流電池電極材料為碳材料(碳氈或石墨氈)，電池報廢后可以作為燃料燒掉，除CO2外無環(huán)境污染物。
原標題:【EIS2017】張華民：能源結構調整中的大規(guī)模儲能技術
責編：杉杉
