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發(fā)展儲能支撐新型電力系統(tǒng)建設——電力系統(tǒng)中電化學儲能技術應用分析及成本預測

中國電力新聞網發(fā)布時間:2021-08-24 13:41:01

電力系統(tǒng)中電化學儲能技術應用分析及成本預測

鄒貴林  黃  琰  王  偉

今年7月,國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)了《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》,明確提出“將發(fā)展新型儲能作為提升能源電力系統(tǒng)調節(jié)能力、綜合效率和安全保障能力,支撐新型電力系統(tǒng)建設的重要舉措,以政策環(huán)境為有力保障,以市場機制為根本依托,以技術革新為內生動力,加快構建多輪驅動良好局面,推動儲能高質量發(fā)展。”還提出儲能發(fā)展目標:“到2025年,實現(xiàn)新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)?;l(fā)展轉變,裝機規(guī)模達3000萬千瓦以上;到2030年,實現(xiàn)新型儲能全面市場化發(fā)展。”

筆者針對目前電力系統(tǒng)中主要應用的鋰離子電池、鉛碳電池、液流電池等新型電化學儲能技術應用,尤其是儲能技術進步趨勢和市場需求預期,進行了技術經濟分析,提出了未來電化學儲能的成本下降趨勢為“三個5”——“每5年,循環(huán)壽命將提升50%,成本將下降50%”。到2030年,電化學儲能循環(huán)壽命將超過當前水平的2倍以上,功率成本和能量成本將下降到當前水平的1/3以下,度電成本低于0.1元/千瓦時·次。

“常勝將軍”的鋰離子電池,當前已具備規(guī)?;瘧媚芰?,適用于電力系統(tǒng)調峰、調頻、新能源消納、緊急事故備用、黑啟動等大部分應用場景,是電力系統(tǒng)優(yōu)質的靈活調節(jié)資源。

鋰離子電池由正極、負極、隔膜和電解液組成,其材料體系豐富多樣,其中適合用于電力儲能的主要有磷酸鐵鋰、三元(鎳鈷錳酸鋰)、鈦酸鋰等,此外近年來還發(fā)展了一些高能量密度的新型鋰離子電池體系。鋰離子電池充電時鋰離子從正極脫出,通過電解質和隔膜向負極遷移,并在負極嵌入負極材料;放電時整個過程逆轉。

“后起之秀”的鉛炭電池,當前充放電深度較低,系統(tǒng)可靠性較差,出力特性難以掌握,僅在部分用戶側儲能項目中得到應用,對于電力系統(tǒng)的適應性還需加強。

鉛炭電池是在鉛酸電池的鉛負極中以“內并”或“內混”的形式引入具有電容特性的碳材料而形成的新型儲能裝置。鉛炭電池的正極是二氧化鉛,負極是鉛—炭復合電極。目前,鉛炭電池負極中加入的炭材料主要有石墨、炭黑、活性炭、碳納米管、石墨烯等。目前,鉛炭電池儲能系統(tǒng)的能量成本約為1300元~1800元/千瓦時,但由于充放電深度一般低于80%,因此實際成本略高。

“揚長避短”的液流電池,從技術原理上講,液流電池儲能系統(tǒng)在實際工程應用時存在能量轉換效率低(約為60%~65%)、能量密度低的缺陷,但由于其循環(huán)壽命長的顯著優(yōu)勢,在特定場景中具備較好的應用前景。

全釩液流電池,其包括正負兩極的電解液罐、水泵以及中間的電堆,電堆中包括端片(絕緣框架)、集流體(主要為銅)、石墨片、碳/石墨氈電極及離子交換膜。正負極電解液是分別含有V4+、V5+和V2+、V3+的水溶液,在充放電過程中電解液流過電極表面發(fā)生化學反應,其內部的電荷平衡是通過溶液中的H+在離子交換膜兩側遷移來完成。目前,全釩液流電池關鍵材料和部件還未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化,生產成本較高。

電化學儲能技術未來前景可期。以鋰離子電池為代表的電化學儲能技術近年來在本體研發(fā)、系統(tǒng)集成、工程驗證等關鍵技術領域持續(xù)提升,初步具備了規(guī)?;瘧玫臈l件,將成為“雙碳”進程中發(fā)展速度最快,應用前景最廣的儲能技術。

以磷酸鐵鋰電池為代表的電化學儲能技術擁有85%左右的高能量轉化效率、百毫秒級的四象限功率快速響應能力以及建設靈活性等優(yōu)勢,是理想的儲能資源。得益于電動汽車動力電池的蓬勃發(fā)展,鋰離子電池在生產成本、能量密度、模塊化集成等方面取得了長足的進步,給電化學儲能應用奠定了良好的基礎。

而面向電力儲能應用需求,電化學儲能技術近年來也在多個領域取得了關鍵性的突破,在規(guī)模化集成方面,實現(xiàn)了電化學儲能由兆瓦級向百兆瓦級集成規(guī)模的突破;而在功能實現(xiàn)與工程驗證方面,通過國家風光儲輸、江蘇、河南、廣東等地電網側儲能等一系列電化學儲能示范工程,驗證了其在調峰、調頻、新能源消納、緊急功率支撐等多場景中的功能與應用價值。

總之,電化學儲能技術已通過了規(guī)?;瘧霉δ茯炞C。面向未來,鋰電池循環(huán)次數(shù)仍有一定提升空間,且能量成本仍將進一步下降,到2030年其單位容量建設成本將低于抽水蓄能,且隨著固態(tài)電池、高安全集成等電池制備與系統(tǒng)集成技術的突破提升,其在應用安全性與靈活性等方面的優(yōu)勢將進一步凸顯。

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