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杨裕生:规模储能技术的需求和发展对策

北极星储能网  来源:中关村储能产业技术联盟    2021/11/25 10:11:21  我要投稿  

北极星储能网讯:实现“双碳”目标必需发展可再生能源,可再生能源发电的规模将不断地快速增加,形成全新的电网、能源网。为了用好不稳定、不适时的可再生能源,提高供电质量,杜绝“弃风、弃光”现象,还要应对连续阴雨天、无风天可再生能源发电严重不足的问题,必需储能来调节。

对规模储能技术的要求可以划分为三个层次:第一层次是安全第一,不安全则一切皆空;第二层次包括循环寿命长、造价低、能量转换效率高等与运行经济效益直接相关的指标;第三层次包括比能量、比功率、环境友好、使用方便性、地理适应性等应尽量提高的指标。

我国规模储能当今的主力是抽水蓄能,已建成的已超过3000万千瓦,在建的超过5000万千瓦,到2030年可能要达到1.2亿千瓦。抽水蓄能技术成熟,设备实现了国产化;除了能量转换效率偏低外,其它性能堪称满意,值得注意的是单位造价逐年上升。

抽水蓄能之外的技术现在统称为新型储能技术,发展较快。其中,电化学储能技术已可在单站规模上与抽水蓄能达到比肩的水平!

一、按时段的储能需求及相应的技术

可以将储能时段划分为分钟级以内、一昼夜以内、一昼夜以上等三个时段,其相应的需求和适用的技术归纳于下表。

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新型储能建设周期短、投资少、调节灵活、效率高、技术路线多元。其中,物理法的能量转换效率小于70%,有待提高。而电化学法成本下降、规模可大、寿命够长,能量转换效率高,适用范围广,前途可期。

二、完善已在规模储能的三种电化学技术

1、铅炭电池——铅酸电池负极中添加特种多孔炭

防化研究院与杭州南都电源和江苏双登集团合作,并设立院士工作站,在我国最早研究成功铅炭电池。工信部“强基工程”支持了江苏双登和浙江南都,各形成了年产1GWh铅炭电池产能。发改委、工信部等部委又于2016年4月7日、2016年6月20日、2016年8月及2017年9月22日的四个文件中均曾鼓励发展铅炭电池。

铅炭电池安全性高,在60%部分荷电态下充放电的寿命可达6000次,能量转换效率>85%,而且铅廉价,容易再生复用。经近些年政府主导、行业积极响应配合的整顿,淘汰了近90%的落后铅电池企业,工艺、设备进步很大,铅污染问题得到根本性的治理。

我国铅炭电池储能电站的总装机已超过1GWh,最大的单站容量300MWh;并为德国建了一座50MW/75MWh的电站,兼有电网调频和削峰填谷的功能。今年南都电源与美国德克萨斯州的大型光-储电站项目签订4GWh铅炭电池合同,8月起已按月分期供货。

现在铅炭电池的比能量在35-40Wh/kg,部分荷电态下实用的仅20-25Wh/kg,应予提高。还要进一步提高循环寿命。

2、铬铁液流电池——最古老而焕发青春的液流电池,具有安全性高、寿命长的特点。

该电池的正极溶液的活性物质为Fe+2/ Fe+3+ Cr+3,负极溶液为Cr+2/ Cr+3+ Fe+2,避免了两溶液成分互串引起的问题。

国家电投集团利用海归马志启博士的技术作工程开发,正在建厂准备批量生产。

铬铁电池除电压较低外,性能全面优于全钒电池,对比情况见表。

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铬铁液流电池的比能量约20Wh/kg,其电堆的比功率(决定于电极的电流密度)有待提高;此外,液流电池是一个电化工厂,要提高可靠性;还要提高电堆的比功率。

3、锂离子电池

在电动汽车发展的带动下,锂离子电池技术进步很快,价格迅速下降,能量转换效率> 90%,寿命延长。其中磷酸铁锂电池的寿命达万次,电池单体比能量提高到180Wh/kg,在我国电化学储能中现占了主要位置。

LiFePO4中的氧束缚在磷酸根中,不易产生助燃的氧,安全性比三元材料高些。但也发生燃烧、爆炸。韩国储能电站用三元电池,至今已燃烧、爆炸了32个电站;美国本土及美国Tesla在澳大利亚建的锂离子电池储能电站也发生了燃烧事件。这类电池在充放电时温度都可能升高,于是电池内部“燃烧三要素”同在,一旦燃起,烧的是占电池重量20%的易燃有机电解液,极难扑灭。我国太原烧了两座电站,用的是三元锂离子电池。镇江、北京两座电站一烧一炸,用的是磷酸铁锂电池。锂离子电池的安全性堪忧

要提高锂离子电池的安全性;要控制储能电站的单站规模,以降低事故概率;还应设立储能电站强制保险规定,减缓投资人的后顾之忧。

电动汽车的下岗电池堆积如山,有人提出在规模储能中梯次利用。再次警告:此做法太危险,切切不可采用!(可以“以大化小”、加以筛选、作分散利用,但不可聚集使用。为此,应该推行电池免焊接成组技术。)

三、要发展储能专用的安全水系电池

由于锂离子电池的性价比迅速提高,促使我国主管部门在储能中也过分热衷于它,而忽视了电池的安全性。现实是好老师,它指出必须改弦更张了。

几年来我曾一再提出,要为规模储能电站研制新型专用水系电池;要求:(1)安全和价格达铅炭电池水平,但比能量超过之;(2)寿命向液流电池看齐,但效率、方便性超过之。(3)比能量向锂离子电池接近,但安全性超过之。即集三种电池的优点,避三种电池的不足,这是一个大难题!

近几年来国内、外报道了一些水系电池研究,尚无理想结果。

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由表可见,比能量高的寿命短,寿命长的比能量低。两指标均高的尚未出现!

电池发展历史说明,从一个新原理提出到实际应用,至少要经过10至15年的验证、改进、工程化才能产业化。建议主管部门加强战略眼光,尽早选择支持三、四个高安全性水系电池方案开展创新性研究,以便在尽量短的时间内做出一、两个适合规模储能的新电池来。

四、长时段储能——储能于化学物质中

在向碳中和目标的迈进中,光伏和风能发电量将在电能供应中占据主要份量。为应对数日阴雨、静风天气引起的电网严重缺电问题,现有的物理、电化学储能均已无能为力。于是有人倡导“氢能”--电解水制氢,储能于氢气中;但是,规模储存氢气问题很多:设备贵,输运难,压缩耗能高┅ ┅ 。有人倡导将氢气转成液氨,缓解储存的难题;但是氨气压缩成液体也耗能,压力容器储存也不方便,而且有毒、有刺激味道。

以液态有机能源材料形式储能,具有体积小,成本低,储运方便的优点。例如,电解水制成的氢气作为化工生产的原料,转化CO2为甲醇,在储能的同时又消除CO2;或者,直接电解还原CO2为甲醇,此法要研究高效电极,以降低能耗。

太阳能还可以通过生物质(甜高粱、秸秆、陈粮)转化为乙醇。

接下来的关键问题是,储于化学物质中的化学能如何大规模、廉价、及时地转化为电能、持续若干天供全社会使用。以后火电厂不占重要分量,化学物质已无从当作燃煤来发电了。

氢能与华贵又娇气的质子交换膜燃料电池并无必然联系,它可有多种更便宜、更可靠的用法,如内燃机、燃气轮机、SOFC等。所以不要夸大氢能和质子交换膜燃料电池的作用!在实事求是地比较全寿期的能效和经济效益后,将会认识到“氢能-燃料电池”该降降温!

使用甲醇、乙醇发电,如要准备若干亿千瓦的发电设备,专为应对偶然发生的大规模电荒,在经济性上不合算,在实际上也不可行。为此,本人提出新解决方案“VG-2-G” ┅Vehicle Generators-to-Grid ,利用增程式电动车上的发电机送电到电网。

增程式电动车是在纯电动车上加装发电机,电池与发电机并联,比燃油车节油50%;可解决纯电动车的安全、里程、充电、电池寿命等焦虑,是电动车的发展方向。未来增程式电动车不烧油,而烧甲醇、乙醇等由太阳能转化来的燃料,是近零排放!届时如有4亿辆车,一半作必要的行驶、一半闲置而发电,平均每辆30kW,共可有发电功率60亿kW,能够充分满足全社会用电需求而有余。

现有“V-2-G”(Vehicle -to-Grid )方案,是用纯电动车的电池储存电网的电,必要时向电网送电,其所储电量终究有限,而且消耗电池的寿命。新方案“VG-2-G”的优点是,不设厂、不占地、投资少、不影响电池寿命、车主可得回报而有积极性。剩下的问题就是及时、流动式给发电车辆补充液体燃料,这显然是不难解决的。

其实,“VG-2-G”方案还可用以解决电网尖峰缺电的困扰,免除为了一天内只有几十分钟的尖峰用电而化大代价建设使用效率不高的备用发电能力。这种用途可能比上述偶发的长时段大规模严重缺电更加频繁、更加急迫,又更容易操作。电网部门可在增程式电动汽车发展到一定规模时先行试用,积累经验。

小结

一、四条具体对策

安全第一,全面要求;

划分时段,分别应对;

物化并举,各显其能;

完善现有,大力创新。

二、八项关键技术

继续兴建大型抽水蓄能电站;重视发展中小型抽水蓄能电站。

发挥其它物理储能技术在特定场合的作用,要提高能量效率。

铅炭电池是目前规模储能的首选电池,要提高比能量和寿命。

铬铁液流电池的性能全面优于全钒液流电池,要提高比功率。

锂离子电池要提高安全性,控制单站规模,要设强制保险制。

大力发展新型的高安全、长寿命、高比能水系蓄能专用电池。

长时段储能需将能源储于化学物质中;氢气最好转化为甲醇。

新提出“VG-2-G”方案以甲醇、乙醇作超大规模长时段发电。

三、两个战略性举措

大力培养储能人才,加强创新力量。

普及储能科学知识,发动全民节能。


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