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储热蓄电技术|光热发电复合储能钠镍熔盐电池

北极星储能网  来源:太阳能光热产业技术创新战略联盟  作者:张建城  2019/8/28 10:23:22  我要投稿  

北极星储能网讯:技术创新能够促进太阳能热发电产业进一步发展。光热发电资深学者张建城先生结合光热发电系统,电网对储能设备的要求,以及美国能源部2018储能“天计划”研发的经验教训,提出了采用钠镍熔盐电池作为电化学储能的重要手段,将该电池结合槽式光热发电系统循环实现储热蓄电互补。他指出,需要对传统钠镍熔盐电池结构进行颠覆性创新,以满足电网长时间、大容量储能,同时利用钠镍熔盐电池充放电产生的化学热进行梯级热利用。全文如下,以供参考。

(来源:微信公众号“太阳能光热产业技术创新战略联盟” ID:nafste 作者:张建城)

一、熔盐储能面临的技术问题

1、储能技术面临的现实问题

光热发电采用熔盐储能,为发挥光热发电独具的热储能优势,进一步降低成本,有必要进行创新或选择复合储能技术。

在各类储能技术商业示范应用中,虽然展现出储能在未来智能电网中的优势,但也暴露出不可回避的问题,尤其是电化学储能技术,距离“低成本、长寿命、高安全、易回收”的发展目标还有相当大的差距,有待出现颠覆性技术创新和突破。

2、熔盐电池具有复合储能优势

(1)现有技术成熟的高温熔盐电池包括:钠硫电池、钠镍电池、液态金属电池(液态金属电池是新派生的熔盐电池)。

(2)高温熔盐电池特点:工况环境温度高,在摄氏200到600度左右;能量密度居中,可达到100Wh/Kg以上;循环寿命较长;储能成本降低空间大,便于嫁接到光热发电系统循环中,可同时满足电力储能经济技术要求,其中钠镍电池性能优异。

二、高温熔盐电池比较选择

1、日本NGK生产的钠硫电池柱状结构和应用

图1:日本NGK公司垄断钠硫电池技术

日本NGK公司钠硫电池堆特点:

NAS 电池系统持续放电时间为6至7小时, 可与可再生能源联合使用,最大系统为50MW/300MWh。(不具有储热功能)计划2020年能将成本从300美元/千瓦时降低到200美元/千瓦时。

2015年6月5日,由南瑞继保和NGK共同承建的国内首座200KW/1440KWh钠硫(NAS)电池储能示范项目在南京江宁南瑞继保将军路智能化电气装备产业园投运。因钠硫电池存在安全风险和环保问题,已被拒国内市场。

2、钠镍熔盐电池主要特点

√开路电压高(300℃时为2.58V)

√比能量高(理论为790Wh/kg,实际达150Wh/kg)

√能量转换效率高(无自放电,100%库伦效率)

√可快速充电(30 分钟充电达50% 放电容量)

√工作温度范围宽,可融入槽式CSP系统(250℃~350℃)

√容量与放电率无关(电池内阻基本为欧姆内阻)

√耐过充、过放电(第二电解质NaAlCl4可参与反应)

√制作期间无液态钠操作(电池在放电状态下装配)

√维护简便(全密封结构、电池损坏呈低电阻方式)、安全可靠(无低沸点、高蒸汽压物质,是唯一通过美国先进电池联合协会(USABC)22 项安全测试的电池体系)

综上比较:钠镍熔盐电池性能优越,创新空间大,便于嫁接光热发电循环系统,为储热蓄电首选。

3、美国GE的“大松”钠镍电池生产和用应用

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图2: GE公司的钠镍熔盐电池结构

美国GE公司于2007年买下英国Beta R&D钠镍熔盐电池厂,在美国建立 “独拉松”(Durathon)或称“大松”钠盐电池品牌,经过11年研发,投入资金超过4亿美元,因销售业绩不佳,2015年1月宣布停产。

随后,超威与GE合作深耕钠氯电池。2017年1月超威公司发布公告,超威与GE合资成立浙江绿能(安力)能源有限公司,进军钠镍电池(简称钠盐电池)领域。超威及GE将分别出资3000万人民币,500万美元,对应85.7%及14.3%股权。根据技术转让及特许协议,合资公司将向GE 支付1400万美元(以获取特许权)、独家费用(以获取特许权的独家性)、实际使用费;GE 将向合资公司交付技术文件并提供技术支持,以协助合资公司将能源存储产品商业化。

图3:德国弗劳恩霍夫的固体电解质 β-Al2O3陶瓷管

2016年后,钠氯化物电池重回市场,德国弗劳恩霍夫将目光聚焦钠氯化物电池,发挥自身技术优势改进固体电解质结构和封接方式。

图4:德国弗劳恩霍夫的钠镍熔盐电池

2019年3月欧洲储能展。会上,弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所(IKTS)展示其最新开发的“cerenergy”陶瓷钠镍高温电池。“Cerenergy”为5千瓦时,由20个单电池组成,成本将低于每千瓦时100欧元。

图5:我国的研究成果

2018年发布信息称,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所成功突破了制备β-Al2O3陶瓷技术,掌握了动态烧结技术和批量化静态烧结技术,达到国际先进水平。成功地进行了陶瓷玻璃封接、金属与陶瓷连接。

4、钠镍电池与钠硫电池性能比较

表1:钠镍电池与钠硫电池性能比较

三、钠镍熔盐电池创新及热利用

单体电池创新方向为变柱状结构为平面结构。

1、传统钠镍熔盐电池存在的问题

(1)传统钠镍熔盐电池零部件多、结构复杂、组装工艺不尽合理,固体电解质β-Al2O3陶瓷管成品率低、制造成本高。

(2)实现储热蓄电互补需着力改进现有电池结构,充分发挥钠镍熔盐电池技术优势。

(3)钠硫电池技术被日本NGK垄断,且无法消除安全和环境隐患;适于电网储能的大型钠镍熔盐电池在国际上尚处于开发阶段,我们应急起直追,积极参与,力争占据钠镍熔盐电池竞争高地。

(4)美国能源部ARPA-E自2008年重点支持钠镍熔盐电池结构创新,其中主导创新的电池结构为平面结构,但至今未实现突破。

2、美国能源部创新平面钠镍电池规划

图6:美国能源部创新平面钠镍电池规划

美国能源部自2008年开始支持钠镍电池平面化技术研发,规划到2016年实现商业化,以替代现有铅酸、锂离子、镍氢等化学电池;主要应用于电力储能。美国能源部科学家持之以恒支持该创新,可谓对平面钠镍熔盐电池情有独钟。

3、美国研发进程

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图7:美国PNNL实验室的平面结构设计

上图是美国太平洋西北国家实验室的平面钠镍电池结构,该项目2009年获美国能源部ARPA-E计划资金支持。

高温钠镍电池是一种很有前景的用于电网的存储技术,但现有生产方法既昂贵又不可靠。美国能源部2009年支持102万美元研发高温Sodium-Beta Batteries。该项目由EaglePicher公司与PNNL合作,修改了传统的管状钠镍电池结构,使用堆叠结构设计并提高电池性能,从而降低昂贵的管式结构制造成本。新设计简化了beta氧化铝固体电解质膜(关键技术)的制造过程为后续可伸缩的模块化电池制造提供了最佳途径,预计成本是现有管状设计的一半。

其经济性分析:预测该项目可以帮助美国建立一个可行的钠镍电池制造产业,到2013年,预计能源存储电池市场将超过10亿美元,钠镍电池的市场份额将接近7亿美元。

但令人遗憾的是,该项目研发失败,计划已被取消。


图8:美国MSRI公司的钠镍熔盐电池结构

该项目获2012年美国ARPA-E给予的280万美元财政支持,基于项目未取得实质进展,计划被撤销。

4、自主创新钠镍熔盐电池原则

(1)钠镍熔盐电池用于储热蓄电必须创新,不能照抄照搬,但应肯定美国能源部选择平面结构的合理性。

(2)全新的钠镍熔盐电池应为模块化设计奠定基础,电池单元模块串并联后可组成大型电池堆。

(3)创新钠镍单体电池,减少金属结构件,重点提高工艺可靠性,实现自动化、规模化生产,降低制造成本。

(4)新构造设置集中式温度补偿和温度监控调节装置,相比GE模块和NGK钠硫模块分散管理简单可靠。

图9:新型钠氯化物单体电池构造

其结构优势有:(1)阴极比表面积显著增大;(2)β-Al2O3或微晶玻璃固体电解质的力学强度显著增强;(3)组装工艺简单,安全可靠。

图10:新型钠镍熔盐电池组

该单体电池峰值功率力争大于500W,电池组峰值功率力争大5KW。

创新型钠镍熔盐电池优势如下:

(1)结构优势:阴极比表面积和电池功率密度显著增大;β-Al2O3或微晶玻璃的力学强度显著增强;关键零部件数量减少,核心部件特别适合大规模专业化生产,为降低电池单位造价创造前提。

(2)规模大:钠镍熔盐电池蓄电站电压高、功率大,可实现长时间电网供电,担任电网调峰重任。

(3)应用灵活:既可应用大电网储能,也适合分布式微电网储能;既适合供电侧储能,也适合需求侧储能;模块化结构适合安装使用。

(4)热控制:采用聚光太阳能或采用辅助电力集中加热熔盐电介质和热控制,相比给每个电池组单独设立热管理系统有易于降低制造成本。

(5)热发电:利用光伏、风电以及电网超负荷过载电力加热储热介质,再利用存储热能辅助发电可有效应对弃风弃电,变垃圾电为优质电。

(6)热利用:钠镍熔盐电池堆通过熔盐、导热油、高温硅油或氮气等介质集中调节和管理电池堆温度,充分利用蓄电池充放电产生的化学热实现多功能热利用,例如在储热蓄电设备中配置冬季供暖和夏季制冷设备,或采用低温多效技术淡化海水等,或为小村镇社区、生活居住区配套,扩大利用范围。

图11:德国西门子储热蓄电热管理

图12:德国西门子钠镍电池储热蓄电热利用技术设想

四、光热发电储热蓄电

1、钠镍熔盐电池储热蓄电技术创新

值得关注的是:2015年11月美国能源部为SunShot聚光太阳能发电阿波罗(CSP:APOLLO)子计划拨款3200万美元,其中给予犹他州盐湖城Ceramatec公司和乔治亚技术研究所总计234.878万美元,自行配套147.6706万美元,重点开发聚光太阳能高温熔盐钠盐蓄电模块和固体电解质,预计实现的蓄电效率目标拟超92%;虽然技术模式不同,创新路线却不谋而合。

图13:美国能源部为SunShot聚光太阳能发电阿波罗

图14:美国聚光太阳能储热蓄电原型

2、与槽式太阳能热发电系统配套

图15:在槽式太阳能热循环储热蓄电系统为光伏和风力发电配套

图16:槽式太阳能储热蓄电发电示意图

所以说,适合我国自然地理环境的槽式太阳能储热蓄电发电系统是

(1)本装置易选用高温硅油做传热介质,工况温度400度,无低温冷凝结晶疑虑。

(2)储热罐采用单罐固体储热介质填充技术,替代价格昂贵的熔盐。

(3)蓄电装置采用钠镍高温熔盐电池堆,中心工况温度300度。

(4)蓄电来源主要吸纳风电、光伏和电网超负荷过载电力。

(5)本装置参与电网削峰填谷、调频调压任务,目标为电网基荷电源。

五、关注美国能源科技创新目标

1、为什么要关注美国能源部创新储能技术?

(1)抽水蓄能(PSH)提供了美国电网95%以上的固定电能存储容量,但在过去30年里由于受地理条件制约,难以批准新项目建设(我国也如此)。

(2)电化学电池尤其是锂离子电池,在电网应用迅速增长,但其高昂的能源成本限制了其在长期应用中的可行性,其次安全隐患大,回收困难。

(3)电网系统需要长时间大容量储能,寄希望提供几天(days)的备用电力,或接纳更多的风能、太阳能等具有间歇性的可再生能源,从而增加现有电网的可靠性和提高其应用价值。

2、应该关注美国能源科技创新的哪些目标?

(1)美国能源部2018年5月1日宣布提供3000万美元资金支持新设立的“DAYS”长周期电能储存计划,组织开发安全、弹性的电网存储技术。

(2)DAYS计划要求构建满足电网长时间能源存储的创新技术,可提供10至100小时长周期电能存储系统(LDES)技术。

(3)LDES系统在整个存储周期(即10至100小时)内,以5美分/度电的固定成本(LCOS)提供电力。

(4)DAYS计划要求新型固定电力存储系统能增强电网弹性,提供低成本容量,支持传输和配电的基础设施,在发电组合中提供更多低成本、间歇性的风能和太阳能资源,以及其他好处。

(5)ARPA-E希望通过DAYS计划采用化学、电化学、热学和机械技术方法来潜在地解决这个问题。该计划要求所有提议的存储系统都单独用电,并以发电作为唯一的输出。

图17:美国NREL采用高温固体大规模储热蓄电

美国可再生能源研究室NREL为实现《DAYS计划》,满足电网长时间能源存储,由华裔科学家马志文提出固体储热蓄电创新技术,可提供10至100小时长周期电能,该存储系统在整个存储周期(即10至100小时)内,以5美分/度电的固定成本(LCOS)提供电力。

六、结语

(1)钠镍熔盐电池储热蓄电是聚光太阳能、光伏、风电等可再生能源相结合的最佳选择。

(2)钠镍熔盐电池储热蓄电可实现电化学热的高效利用,可广泛配套供热、制冷、海水淡化等热利用设施。

(3)钠镍熔盐电池储热蓄电技术是建立经济性、安全性、环保性、大规模、高功率、高可靠、长寿命储能电站和能源互联网、智能电网的必然选择。

(4)钠镍熔盐电池储热蓄电专利技术最具创意全新结构、高效耐用的钠镍熔盐电池有望成为光热发电和电网基础设施的标准构件。

所以说,新型钠镍熔盐电池是电网发电侧或用电侧最优的储能选择,一旦规模化应用即可承担部分燃煤燃气电站削峰填谷、调频调压的任务,同时成为风电光伏发电站的专属配套设备;新型钠镍熔盐电池市场应用前景可期。

作者简介:

退休公务员,曾履职政府管理部门分管科技合作。2003年步入光热发电领域研发槽式太阳能集热管产品,最早将强化传热理念引入其中;2009年,作为北京中航空港通用设备有限公司首席顾问在北京天竺工业园建立国内第一个槽式太阳能热发电实验装置。

现持有光热发电系列发明专利及文献20余项,主要集中在线聚焦集热管强化传热和制造、光热发电与风电互补储热、光热发电超临界二氧化碳系统循环、钠镍熔盐电池结构创新和复合储热蓄电,太阳能风能与燃气互补制氢制甲烷循环热发电技术等。

原标题:光热发电复合储能钠镍熔盐电池储热蓄电技术

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