《电子技术应用》

储能电池技术助力新一代电力系统发展

2018/3/13 21:31:05

  储能被达沃斯经济论坛评为未来可能改变世界的十大新技术之一,储能电池是储能技术研发和应用最活跃的领域。目前储能电池技术发展很快,一旦取得突破,将对新能源发展、电网运行控制、终端用能方式等产生重大影响。未来储能电池技术将在新一代电力系统中实现广泛应用。

2018031308343362.jpg

  新型储能电池技术成为当前研发的热点和技术前沿

  现有商用电池技术包括锂离子电池、铅酸电池、镍氢/镉电池、钠硫/镍电池等,这些电池技术成熟,已广泛应用在电动汽车、手机、笔记本电脑、风电场储能系统、电网调频、分布式电源和微网等领域。

  目前,处于商用和示范应用、实验室研发或概念设计阶段的新型储能电池超过30种。其中,已示范应用的电池技术包括三元材料锂离子电池、全钒/锌溴液流电池、铅碳电池、超级电容电池等;处于实验室研发阶段的电池技术包括石墨烯/锂硫/锂空等新一代锂离子电池、半固态/无薄膜等新一代液流电池、铝/锌等金属空气电池、钠/镁离子电池、液态金属电池等;石墨烯超级电容电池、双碳电池、纳米微电池、有机电池等处于概念设计阶段。这些新型储能电池技术已经成为当前研发的热点和技术前沿,未来有望大幅提升储能电池的性能,推动储能电池大规模应用。

  半固态液流电池结合了锂离子和液流电池的优点,将在提高电池能量和功率密度、缩小体积、降低成本方面实现质的飞跃。目前美国麻省理工大学已研发出半固态液流电池,能量密度达到250瓦时/千克,比目前的液流电池提高10倍以上,成本仅100至250美元/千瓦时,比目前降低70%以上。石墨烯锂电池以高导电性、质量超轻的石墨烯为材料,利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速穿梭运动的特性,将充电时间缩短至分钟级。西班牙Graphenano公司和科尔瓦多大学共同研发出全球首例电动汽车石墨烯电池,充电时间只需8分钟,续航里程达到1000公里。锂硫电池理论能量密度可达2600瓦时/千克,是传统锂离子电池的8至10倍。美国Polyplus公司、德国弗朗霍夫材料与光束研究所研发的锂硫电池能量密度已达到420瓦时/千克、600瓦时/千克。铝空气电池以空气为正极、铝为负极,通过铝与氧气发生化学反应释放出能量,电池能量密度在理论上可达8100瓦时/千克,居各种电池能量密度之首。以色列Phinergy公司已研发出专供电动汽车使用的铝空气试验电池,能量密度超过800瓦时/千克,续航里程达到1600公里。

  锂离子和液流电池有望成为未来储能电池的主流技术

  锂离子电池是当前最受关注的储能技术,据美国能源部统计,至2016年年底,美国、日本、欧盟和中国储能装机占全球总装机的94%,其中电化储能示范数量近百项,项目数占比为53%。在电化学储能示范项目数中,锂离子电池所占比重最高,达到48%,在电池储能中位列最高。未来,新一代锂离子电池技术将对电池的安全性、能量密度、充电时间等指标带来根本性的改变,在电网调峰调频、电动汽车、商用/家用储能系统等领域具有广阔的应用前景。

  液流电池具有容量大、成本低的优势,能够建成10万千瓦级以上、经济可靠的储能电站,为提高电网调度控制灵活性、大规模发展新能源提供重要支撑。在大型能源基地、中枢变电站、负荷中心、电网末端等地区建设投运储能电站,能够提供调峰、调频、调压等多种辅助服务,在保持发用电平衡、缓解电网局部阻塞、应对电网紧急事故等方面发挥重要作用。在新能源发电基地配置大容量液流储能系统,能够有效平抑新能源发电出力波动,灵活跟踪发电计划曲线,促进新能源发电成为主力电源。

  综合国际可再生能源署、国际能源署等机构的判断,2030年左右锂离子和液流电池将突破技术瓶颈,电池整体性能得到全面提升,成为最具大规模商用前景的主流电池技术,占全球储能电池容量的比例将超过50%,极大推动储能电池技术的发展和应用。

  多种储能电池技术创新发展将在新一代电力系统中发挥重要作用

  随着未来多种电池储能技术发展和广泛应用,储能电池将应用到电力系统“发、输、配、用、调”的各个环节,有可能改变现有电力系统生产、运输和使用方式,助力传统电力系统向“广泛互联、智能互动、灵活柔性、安全可控”的新一代电力系统转型。

  在发电侧,锂离子电池、液流电池将成为支撑新能源大规模发展重要的储能技术,推动新能源成为新一代电力系统的主力电源。截至2017年年底,我国风电、光伏发电并网容量合计达到2.93亿千瓦,占全部电源装机的比重达到17%。未来我国新能源还将加快大规模发展。根据国家非化石能源发展目标、碳减排目标,考虑在水电和核电装机放缓情景下,2030年年底全国风电、光伏发电等新能源发电总装机容量至少要达到8.8亿千瓦,是2016年年底新能源发电装机容量的3.5倍左右,占全部电源装机容量的比重达到30%左右。未来,高比例新能源接入将成为我国新一代电力系统的主要特征,如何驾驭大规模新能源并网运行需要大幅提升电力系统灵活性。锂离子电池、液流电池将在短时大功率输出、响应速度快等性能方面实现进一步突破,有效平抑大规模新能源发电出力波动,灵活跟踪发电计划出力曲线,实现新能源电厂可观、可测、可控。

  在电网侧,液流电池作为大容量电网级储能电站备受青睐,可为电网提供多种辅助服务,增强电网调度控制的灵活性和安全性。液流电池具有循环寿命长、容量大、响应速度快、安全性高的技术优势,未来有望代替目前已投运的锂离子储能电站,发展成为10万千瓦及以上的电网级储能电站,提供调峰、调频、调压等多种辅助服务,在发用电不平衡调剂、应对电网紧急事故中发挥作用。同时,在大型能源基地周边、中枢变电站、负荷中心、电网末端等地区建设大容量液流储能电站,能够充分发挥不同地域储能电站在缓解局部电网阻塞、促进电力平衡中的重要作用。

  在用户侧,锂离子电池将成为推动分布式小型电池储能系统发展的主流技术,新型电池可作为锂离子电池的补充配合应用。未来锂离子电池技术进一步突破,能量密度将接近600瓦时/千克,续航能力超过500公里,比目前提高一倍左右;充电时间将缩短至30分钟以内,使用寿命达到15年,满足小型分布式储能、移动式电源的性能要求。新型电池可配合锂离子电池共同在电动汽车、家用分布式储能等领域实现融合应用。未来,分布式光储应用潜力较大,部分用电需求小、对电网依赖性不强的用户,出于经济利益考虑,可能选择分布式光储系统独立供电,美国夏威夷已经出现了用户选择“分布式光储+电网”供电模式。


继续阅读>>