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颠覆能源系统认知的储能技术

时间:2017-03-21  来源:高端装备发展研究中心   发布:高端装备网 
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  传统的电网系统如何运作?

 

  传统的电网系统通过电力调度自动化系统,采集电厂的发电数据,给每个发电厂分配发电任务。此外电网公司还设有调度员,负责根据用电需求和电力设备的过载能力调整发电量,实现发、输、供、用电平衡。例如,在电力供应紧张时期,采取有保有限的供电原则,抑制高耗能行业用电(限电),确保普通居民用电需求。

 

  这就是为什么在电网系统还不是很发达的年代,停电成了家常便饭。而对于连续运转的工业化企业而言,停电会造成极大地经济损失。

 

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  如何颠覆?

 

  在广泛采用储能技术后,国家电网的电力需求将大幅下降。

 

  在发电侧,我国传统的电网系统以火电为主,未来随着储能技术的进一步发展,风能、太阳能等新能源电力将能够有效存储,避免了发电量过度供给而造成的尴尬。节能环保的新能源技术将成为储能产业高速发展的受益者。

 

  在售电侧,随着储能技术的发展,能够实现大规模储能的电厂将不再依赖电网系统的调度,将多余的电力存储起来售卖;分布式发电家庭也能够将存储的电能随心出售,而不必局限于上传电网。同时,高耗能的用电方不需要再看电网调度的“脸色”,可在电力低廉充足时从电网购电,而在电价升高时使用存储电能。这些改变与我国“售电侧改革”和“输配电价改革”的意见精神不谋而合。

 

  全球储能系统

 

  谈到储能,人们很容易想到电池,但现有的电池技术很难满足电网级储能的要求。目前世界占比最高的是抽水蓄能,其总装机容量规模达到了127GW,占总储能容量的99%,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。现有的储能系统主要分为五类:机械储能、电气储能、电化学储能、热储能和化学储能,下面对这些储能系统进行介绍。

 

  1、机械储能

 

  机械储能包括:抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能。

 

  抽水蓄能

 

  目前最成熟的大规模储能方式是抽水蓄能,它需要配建上、下游两个水库。在负荷低谷时段抽水蓄能设备处于电动机工作状态,将下游水库的水抽到上游水库保存,在负荷高峰时设备处于发电机工作状态,利用储存在上游水库中的水发电。其能量转换效率在70%到75%左右。但由于受建站选址要求高、建设周期长和动态调节响应速度慢等因素的影响,抽水储能技术的大规模推广应用受到一定程度的限制。

 

  在未来的5~10年,抽水蓄能技术的主要研究方向是变速抽水蓄能机组。变速抽水蓄能机组分为交流励磁变速抽水蓄能机组和阀控变频抽水蓄能机组。目前,有人提出了将泵和水轮机合并为一体的可逆式水泵水轮机的新抽水蓄能机组结构,有效提高了抽水蓄能电站建设的经济性,成为现代抽水蓄能电站应用的主要形式。2016年8月发改委出了个关于抽蓄电价的政策,以后可能会好些,但可以预见抽水储能技术肯定不是储能的发展趋势。

 

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北京十三陵抽水储能电站

 

  压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage)

 

  压缩空气蓄能是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,将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴,当系统发电量不足时,将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧,导入燃气轮机作功发电。

 

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  压缩空气储能(CAES)成本较低,并且具有安全系数高、寿命长(20~40年)、响应速度快等特性。但CAES储能密度低、依赖大型储气洞穴以及化石燃料燃烧污染是其主要的制约因素。目前,针对这些问题,CAES发展方向是积极开展新型压缩空气储能系统的研发,如等温压缩空气储能系统、地面压缩空气储能系统、液态空气储能系统、先进的绝热压缩空气储能系统以及空气蒸汽联合循环压缩空气储能系统等。

 

  无论国外还是国内,未来5~10年是研究新型压缩空气储能系统的技术成熟期,为了积极推进产业化和技术标准化,进行百兆瓦级别以上系统的技术验证势在必行。因此,百兆瓦级以上新型压缩空气储能系统的先进集成技术与控制技术在未来5~10年将成为主流。

 

  CAES主要趋势包括:储热的压缩空气储能技术、液态空气储能技术、超零界空气储能技术、与燃气蒸汽联合循环的压缩空气储能技术、与可再生能源的耦合的压缩空气储能技术等。与这些新型压缩空气储能系统关联的新技术包括:多级高负荷向心透平技术、先进复合压缩机技术、紧凑型大容量蓄冷/热换热器技术等。

 

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德国Huntorf压缩空气储能电站

 

  飞轮储能(Flywheel Energy Storage)

 

  飞轮储能是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。

 

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飞轮储能(Flywheel Energy Storage)原理

 

  飞轮储能关键技术:(1)安全可靠并且支持高速运行的轴承;(2)可以承受高速旋转重力的转子设计与材质。因此,先进飞轮的设计在解决使用目的后,最重要的过程是功率与能量之间的合理设计,根据磁轴承承载特性与物理条件,同时转换成具体的转子形状,确定的材质与运行转速。FES的储能容量、自放电率等方面是制约飞轮储能系统发展的重要因素。随着日渐成熟的超导磁悬浮技术和单体并联技术,飞轮储能将逐渐克服现有的能量密度低、自放电率高等缺点,其应用领域将逐步扩展到大型新能源电力系统的储能领域。

 

  在未来5到10年,飞轮储能的发展趋势视应用市场不同而不同。首先,与备用柴油发电机或是与老式互动式UPS共同配置的飞轮仍有其市场。但是随着电子控制技术的突飞猛进,机械性的连接终将被先进的数字化电子自动化控制取代。未来的趋势是飞轮独立作为储能单元,附属于大电网,微网与局网的双向电源系统。

 

  飞轮在未来将取代部分铅酸电池,并且大规模应用于风力发电及其他新能源。而最大的市场将在电网调频服务与电源质量保障。这部分的应用随着可再生能源并网的比例增加,对秒级的初级调频服务的需求也相应增加。

 

  2、电气储能

 

  电气储能技术主要包括超级电容器储能和超导储能(SMES)。

 

  超级电容器储能

 

  超级电容器储能是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。超级电容器的发展很快,目前以石墨烯材料为基础的新型超级电容器是市场热点。

 

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  超级电容器具有容量大、功率密度高、免维护、环境友好型、寿命长及使用温度范围宽等优点,成为一种新型电化学储能单元,已在备用电源系统、便携式电子设备和电动汽车领域广泛应用。目前,超级电容器应用于具有间歇性、波动性的可再生能源,尤其是在平抑风电波动方面有着显著效果。

 

  能量密度低是超级电容器的最大瓶颈(通常是蓄电池的5%~15%),较难单独提供能源。如何提高能量密度以及对高电压工作环境的适应是其急需解决的问题。目前的解决办法是配合高能量密度的电池储能系统接入电网侧,实现电能的平滑输出和电网的削峰填谷。

 

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Maxwell 超级电容器

 

  超导储能(Superconducting magnetic energy storage)

 

  SMES是利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能的装置。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。超导材料技术开发是超导储能技术的重中之重。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。

 

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  不足之处: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。

 

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5mva超导储能系统

 

  3、电化学储能

 

  电化学储能主要包括铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池。

 

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  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,循环寿命可达1000次左右,效率能达到80%-90%,性价比高,常用于电力系统的事故电源或备用电源。不足之处:如果深度、快速大功率放电时,可用容量会下降。其特点是能量密度低,寿命短。铅酸电池今年通过将具有超级活性的炭材料添加到铅酸电池的负极板上,将其循环寿命提高很多。

 

  锂离子电池:是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,放电时间可达数小时,循环次数可达5000次或更多。锂离子电池具有比能量/比功率高、寿命长、充放电速度快、反应灵敏、转换效率高等特点。锂离子储能电池主要需要解决的是安全性、寿命和低成本,这三个方面在很大程度上取决于其电极材料体系的选择和匹配。因此如何选择长寿命、高安全和低成本的材料体系是当前的锂离子储能电池的重要技术。

 

  钠硫电池:是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。循环周期可达到4500次,放电时间6-7小时,周期往返效率75%,能量密度高,响应时间快。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。不足之处:因为使用液态钠,运行于高温下,容易燃烧。而且万一电网没电了,还需要柴油发电机帮助维持高温,或者帮助满足电池降温的条件。

 

  液流电池:利用正负极电解液分开,各自循环的一种高性能蓄电池。电池的功率和能量是不相关的,储存的能量取决于储存罐的大小,因而可以储存长达数小时至数天的能量,容量可达MW级。这个电池有多个体系,如铁铬体系,锌溴体系、多硫化钠溴体系以及全钒体系,其中钒电池最火吧。不足之处:电池体积太大;电池对环境温度要求太高;价格贵(这个可能是短期现象吧);系统复杂(不像锂电等非液流电池那么简单)。

 

  4、热储能

 

  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。热储能又分为显热储能和潜热储能。热储能储存的热量可以很大,所以可利用在可再生能源发电上。

 

  不足之处:热储能要各种高温化学热工质,用用场合比较受限。

 

  5、化学类储能

 

  化学类储能: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。

 

  不足之处:全周期效率较低,制氢效率仅 40%,合成天然气的效率不到35%。

 

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  PHS-抽水蓄能;CAES-压缩空气;Lead-Acid:铅酸电池;NiCd:镍镉电池;NaS:钠硫电池;ZEBRA:镍氯电池;Li-ion:锂电池;Fuelcell:燃料电池;Metal-air:金属空气电池;VRB:液流电池;ZnbBr:液流电池;PSB:液流电池;SolarFuel:太阳能燃料电池;SMES:超导储能;Flywheel:飞轮; Capacitor/ Supercapcitor:电容/超级电容;AL-TES:水/冰储热/冷系统;CES:低温储能系统;HT-TES:储热系统。

 

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各类储能技术的成熟度及优缺点对比

 

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电力储能系统的充放电循环效率

 

  美国2017-2022年储能市场

 

  近期,GTM Research发布了《U.S. Energy Storage Monitor: 2016 Year in Review and Q1 2017 Executive Summary》研究报告,根据GTM Research的预测,美国储能市场规模将从2016年的221MW增长到2022年的2.6GW,增幅达12倍。到2022年,美国储能市场规模预期达到33亿美元,与2016年相比有近10倍的增长。其中2017-2022年的储能市场累计收入将达到110亿美元。

 

  随着马萨诸塞州、俄勒冈州、纽约州、田纳西州等地区相继借鉴加利福尼亚州此前的储能产业政策经验,制定和发布储能产业发展目标和储能激励计划,储能将在美国更多地区以更为广泛的方式得以应用。未来,储能在美国市场的应用将呈现出以调频辅助服务和工商业用户侧为引领,以调峰和容量应用为新增长点的多元化发展局面。

 

  中国新能源储能市场

 

  2016年上半年中国新增投运储能项目规模28.5MW,主要布局于西北地区的集中式可再生能源并网领域。在新增投运的9个项目中,格尔木时代新能源光储电站项目和科陆电子甘肃玉门风光储项目因规模分别达到15MW和10MW,成为其中的代表项目。除了多个项目建成投运,2016年上半年更为引入注目的是中国企业对于规划部署储能项目的大力度和高热情。据CNESA项目库的统计,仅2016年上半年,中国已公布的储能项目建设规划累计规模已经达到600MW。

 

国内部分电力储能示范项目情况

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  以三星阳光、大连融科、南都电源、协鑫集成、猛狮科技为代表的储能技术企业和系统集成商纷纷宣布了数十兆瓦至百兆瓦级的储能项目规划,涉及锂离子电池、液流电池、铅蓄电池等多种储能技术,主要应用于电力调频调峰、大规模可再生能源并网、工商业微网等领域。可以预见,未来一到三年,随着这些项目建成投运,中国储能装机规模将会保持持续快速增长之势。

 

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