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新型储能技术发展现状及发展方向

北极星储能网2020-05-22 15:04:02

  日前,第五届储能技术在分布式能源与微电网中应用高层研讨会在深圳顺利召开。纳新新能源科技有限公司总经理吴晓东,在会上以“新型储能技术发展现状及发展方向”为题做了精彩演讲。以下摘取了部分精彩内容供参考。


  作为电网储能来讲,我只是简单列了一下,对传统电力系统、可再生能源系统,它实际上所需要的东西不太一样,这里面都是需要储能的东西,传统的有削峰填谷,还有黑启动、调频服务等等。可再生能源是光伏和风能,本身波动性比较大,所以平抑波动和电压本身的支撑是很重要的环节,改善电能质量,中国的电能质量其实相对来讲有它的好处,也有它不好的地方,或者频率和电压的稳定性和国内的电能质量相比还是有差异,这块对供电的可靠性、供电的稳定性还有进一步要求,储能在里面可以发挥很大的作用。


  随着工业的发展,电力的需求会越来越大,反而从峰谷的波动来讲越来越大,中国整个配电的容量和总的用电量相比已经非常大,目前大家很少听到拉闸限电,实际上传统的欧美国家,很多国家的电力设施跟不上它的发展,所以经常碰到限电和断电的情况。随着工业的进一步发展,输配电本身升级投入很大,用储能可以缓解这样的工作。这是传统电力里面会涉及容量备用和黑启动的例子。光伏可能很典型,只有白天发力,晚上不出力,这是从凌晨到24小时的图,每天实际的用电情况也是中间会最大,然后两头会最少,实际上和光伏大致趋势相同,和光伏还是有些差别的,这些情况希望有储能来平抑波动性,从储能本身来讲,有包括机械、冷热储能、化学储能、电化学储能,都是属于机械储能。冷热储能也有显热、潜热、热化学。化学储能氢储能、合成染料。还有电化学储能相关的钠硫、液流等。最直接、最成熟的应该是抽水蓄能,我印象最早是北京有一个电站是抽水蓄能,主要是在十三陵,上下有两个水库,上水库在平常的时候可以往下放电,电网富裕的时候,就可以把下水库的水抽上来,这样整体的效率,十三陵达到60%多。广州也有一个抽水蓄能的电站,它的主要原理是上下电热差转化为电能的过程。


  海水是最低的,如果是普通的上下两层水库,下水库、上水库都要建,对海水只要挖上水库,这是大家大规模想办法做的事情。其他的机械储能,包括空气压缩,最早用的是有些洞穴是封闭洞穴,把空气通过压缩的方式打进去,通过一定的方式再返回来,通过压缩空气本身的机械能,再加上燃料的助推作用转化为电能,它最大的问题是效率比较低,利用地理的供需需要大型储能装置,依赖地理结构。现在在做的比较多的是储罐储能,它本身可以做到更大的压力,洞穴压力会对地理条件有压力,储罐储能密度可以得到很好的提高,全球也有很多的示范,包括2010年伦敦的350KW的示范工程,还有曼彻斯特5MW示范工程,中科院在廊坊也有1.5MW实验系统。


  飞轮储能,把电能转化为装置里面飞轮的动能,动能在一定的机构里面返回成电能,用这种方式储能。飞轮储能随着这两年超导的发展,这块可行性变得越来越好,实际上最大的问题是能量密度不够高,自放电率高。对几十秒级的应用飞轮储能是很好的技术。包括美国宇航局和德国研究所飞轮储能的机构做的示范的东西。国内做飞轮储能也有不少,包括清华大学、华北电力等等,都是做这样的工作。


  冷热储能,其实就是把电转化为热能,通过热能储存下来,需要热或者冷的时候利用起来,最典型的是屋顶太阳能热水器,实际上把光变成热能,大家要用热的时候,可以把它用起来,本身来讲是分成几种,主要是围绕热来进行的,包括显热、潜热和热化学,什么叫显热呢?它里面不产生向变,只是温度的变化储存热量,潜热是利用向变的过程,这个过程中它本身的热寒,热能会发生很大的变化,向变的点附近进行储热,热化学是化发生化学反应,显热和潜热目前应该是应用比较多,化学储热在研究阶段示范做得比较多。这是示范的案例。西班牙的光热和太阳能发电有点类似,不是用水储热,储热温度超过500度,这是和普通居民用的不一样。显热指得更多,不涉及向变,只涉及温度的变化。这是最基本的模型,里面主要的部件是热交换。这是潜热的装置,利用的是材料的向变产生的吸收或者放热的反应。这是国内国外都有的,这是热化学,热化学是在电或者其他东西在化学反应的时候,有热效应,燃烧本身就是热效应,其他的像吸水或者有机的分解或者是可逆的反应,用于热化学储能的装置,目前比较多的是无机氢氧化物的分解,还有碳酸化合物的分解,还有氨气的分解,还有铵盐的分解,都在这里面。热化学的特点,相对来讲会比显热和下面储的好,由于储热载体是固定的结构,所以是可以长期保存,不存在热损失的,显热和潜热由于吸热或者耗散的过程,本身会有热损失,热化学目前应该是储热的方向,同时本身的能量密度也会比较高,大家研究的是以这个为重点。


  化学储能大家就比较熟悉,氢气是大家关注最多的,电解可以从水里面得到氢气,氢可以一直存储、运输,当放到燃料电池或者内燃机转化为机械能或者电能,这是氢储能完整的过程,这是大规模氢储能的电解路线图。它一条是变成工业生成的燃料,它本身也是可以做成发电的东西,另外它可以通过氢进一步合成像甲烷、天然气这样的东西,返过头来再进行发电,这是它储能的过程。这是一些示范应用的实际场景,日本家用热点很多,燃料电池是典型通过氢直接转换为电能储能的过程。氢储能,关键是储氢的过程。储氢和运输是关键的技术。另外还有一条化学储能是合成燃料,通过热和电的方式,把氢和含碳和氢的东西变成最终燃烧的燃料,把能量转化为化合物里面的能量,化合物变成燃料或者燃烧的东西以后,再可以发电,整个过程就是储能的过程,从能量再转换为电的过程。这是电化学储能的过程,钠硫电池、铝离子电池都是电化学储能的一部分。钠硫是以钠和硫作为正负极,也是可逆的反应。钠硫电池最关键的问题是电解质层,这层厚了效率低,薄了,安全性不好,目前只在一些小型示范里面做的比较多,日本在这方面做得比较前,基本上要300度的工作温度,然后钠硫的可逆反应进行储能。钠硫有它的有点,能量转化比较高,瞬时相应比较快,而循环寿命长。缺点也是一样,钠硫之间的反应,充放电状态很难实时检测,只能做完整的循环以后才知道,一旦涉及过充,钠硫本身就是比较危险的东西,危险性比较高,高温工作,350度,在特定范围内它是很好的东西,大规模应用目前看起来不是特别理想。


  目前在电网储能国内也有用,也就是液流,它是把正负极通过流体形式分割开,通过机械的方式把氧化和还原来进行处置。目前是示范做得最多的。这个结构是很有意思的,不同于固向反应有可能产生负反应,液流本身循环寿命不错,包括里面像钒有毒,腐蚀性强,大规模应用不多。


  钠锂子电池,因为钠很多,包括合成成本都会降低很多,同时可以变成液态,就是水系的体系,它有可能觉得比锂离子电池降低很多的体系,目前在研究和小规模使用情境中。钠锂子电池有可能被应用,铅酸电池有可能被钠锂子电池取代,目前有些技术没有攻克,所以没有得到广泛替代。


  铅酸电池是时间最长的,有140多年历史,生命力很旺盛,目前出货量最大的仍然是铅酸电池。它虽然有环保方面的问题,但是目前看起来还是一样,整个成本、循环寿命逐步提高,很多应用场合仍然大规模使用,目前也新出来铅炭电池,是这两年讨论比较多的,特别是60%左右的放电深度,它比铅酸电池有很大的提升。铅炭目前是内混,是把铅和炭一起混在里面做电极,对铅板本身有很大的提升作用,还有两种分开,这种结构目前不是特别理想,因为加工过程会带来很多复杂性。


  目前铅炭电池主要是指内混的,它有很多的改善,特别是循环性有很多的改善。铅酸电池深度充放电表面会硫酸盐化,这之后的铅酸电池能放电出来的容量会大大压缩,极板表面包裹着钝化的硫酸盐体系,这种钝化就会被削弱。我在网上找到一些数据,铅炭电池经过改善以后,特别是在循环性上有很大的提高,成本也是有比较多的提高。市场上按照0.1C到0.15C,比铅酸电池提升了20%-30%的成本,但是放电深度只有50%-60%。


  锂电池,可能大家看到的最多,包括最近特别火的特斯拉,这个电池和特斯拉没关,因为电池是松下做的。但是特斯拉成为全球的领导者。下面是荣威550PHEV磷酸铁锂电池,从手机电池变成全面切换锂电池,锂电池这两年的发展非常迅猛。我总结了锂电池的四个分类:圆柱。方形有方形硬壳和软包,还有一种是异形、扣式,蓝牙耳机是异形,圆柱是卷绕,方形硬壳是叠片和卷绕。


  目前全球出货量最多的还是日常的Leaf和Volt PHEV,特斯拉用的是松下原来给笔记本用的电芯,续航里程很长,但是车的性价比低很多。上面三种材料加上左边的磷酸铁锂是正极材料,那边是石墨等。主流的是以石墨材料为主,目前也有人添加少量的硅负极,容量能够有些提升。


  这是我总结的正极材料的特点,大家可以看一下其他的,各个材料各有特点,像钴酸锂、三元NCM、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴铝酸锂NCA、高电压镍锰酸锂、富锂相Li-rich。电池的循环寿命影响是电芯工厂的主要工艺水平,我认为所有的锂电池,如果各方面工艺控制的好,每个材料都可以超过1万次,这是我想说明的第一点。从成本构成来讲,目前的成本波动非常大,锂电池原材料成本上涨而不是下降,你说短期锂电池成本大规模下降,除非来自于一些结构件的减少和部件的减少才有可能,从电芯本身来讲很难,因为材料成本上升,主要受控是钴和锂,钴在中国的储量很少,锂储量不少,主要是一些动物的饲料添加剂里面会用锂,这两年随着电动汽车用量起来,锂用量迅速膨胀,导致供应跟不上,锂从4万不到1吨到目前的13、14万一吨,反正波动很大,所以这两个材料控制得好,锂电池的成本才有可能大规模下来。


  磷酸铁锂目前看下来,可能规模储能,处于安全性、循环寿命、倍率特性、综合成本等综合因素,磷酸铁锂有很好的优势,但是成本比三元材料稍微高点,综合成本还是磷酸铁锂有更大的优势。锂电池就算在5倍的情况下,仍然有100%的标称容量的放出。目前铅炭电池会比原来的铅炭电池好一些,仍然不够好,铅炭电池仍然在0.2C左右的正常工作的电流的情况。磷酸铁锂电池也有一些不足,充放电平台太平,SOC估算难,导电性差,它必须包炭,工作电压也低一些。


  不同的储能所应用的场景会有比较大的差异,锂电池会集中在分布式、需要频繁使用,有可能需要瞬间响应的场合,从几度电到几MW级别,锂电池是首选,对大规模集中式储能是储能电站百MW级的储能,有可能以成本低廉的机械、热或者化学储能为主。这是我们得出的初步结论。


  下一代锂电池,全固态锂电池很火,很多厂家希望用全固态锂电池解决电池方面遇到的所有问题,但是路可能很远。全固态锂电池是通过固体电解池取代原来溶液的电解质解决问题,固体电解质金属锂有可能应用起来,原来金属锂不是不能用,还有一次锂电池,但是循环安全性受到影响。上世纪80年代,以色列有一家公司专门出过使用金属锂的电池,但是那个产品在投放一年之后就会大规模出问题,因为金属锂在充放电过程中会形成一种物质,导致产品最后出现隐患。大家给整个电池更高的可想象性,能量密度、循环寿命等等方面,包括更高电压的材料,包括金属锂、循环寿命都有很大的提升,主要的问题点在于金属锂复合电极这部分。目前做的最好的是差两个数量级,就是固态和液态导电性的问题。从区别来讲,把电解液和业态换成固态,有了更换以后,原来4V体系完全可以提高到5V,甚至5V以上的电压,能量密度提高。所以现在的关注点集中在解决续航里程、能量密度等方面,都在想固体电池,我没有那么乐观。


  结构和现在的锂电池没有明显区别,都是正负级,中间用电解质隔开,原来是隔膜,加上里面含有电解质的液体能够进行离子的导通,这是原来业态锂电池,固态锂电池去掉隔膜,那个东西存不存在不影响电化学的活性,能够分散正极材料和负极材料之间,能够格挡开来,这是所需要的研究,因为到了固体电池,界面就成为非常关键的东西,在固体和界面处微观的研究就成为关键的要求。我简单罗列了固体电解池,包括含各种物质的物体,目前还是一样,导电性相对于液态导电性还是差不少。关键是谁把固体电解池做的很好。关键问题是材料、界面、电池性能,金属锂和锂复合负极,固固界面这是阻碍固态电池产业化的两个关键问题。


来源:中国储能网