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一家大型业主眼中的储能技术路线优劣势

2018-10-27

  2018年,是中国储能产业" title="储能产业" target="_blank">储能产业爆发的元年。在这个千亿级的市场上,锂电池、铅炭电池、液流电池、钠硫电池等技术路线都在试图分享蛋糕。每一种技术路线,优劣势各不相同,但是用户如何评判这些技术路线?

  (本文来源:能见Eknower 微信号)

  在一份电网侧储能项目案例中,业主对于各种技术路线是这样评判的:

  一电池储能技术现状

  (一)铅炭电池短期性价比优势明显

  铅蓄电池是使用最广泛的蓄电池储能技术,具有价格低廉、安全可靠等优点,但由于能量密度低、寿命短和不可深度放电等因素限制了更大范围应用。

  以铅炭电池为代表的先进铅蓄电池技术改善了传统铅蓄电池的缺陷,成为铅蓄电池技术发展的重要方向。铅炭电池相较传统铅蓄电池的生产成本仅有小幅增加,但充放电功率、循环寿命、充电速度等关键指标实现了明显提升。铅炭电池目前已步入商业化初期。

  与锂电池等其它主流电化学储能技术相比,铅炭电池的成本较低,短期性价比优势明显。但是铅炭电池放电深度一般在40%~60%(锂离子电池可达80%以上),同时大功率放电能力也弱于锂离子电池。

  长期来看,锂离子电池等其它电化学储能的发展和成本降低将对其市场空间构成一定挑战。

  (二)锂离子电池具备产业化发展优势

  锂离子电池应用范围广、能量密度高、充放电速率快,近年来其规模和技术发展迅速。在全球已建MW级电化学储能项目中,锂离子电池项目装机容量约占总容量的65%,国内的张北风光储示范电站、深圳宝清储能电站等项目,也都将锂电储能作为重点技术路线发展。

  受电动汽车动力电池需求增长的拉动,锂电产业快速发展。目前锂离子电池储能的规模效应已逐渐显现,储能成本实现快速下降。以电力储能领域应用较为广泛的磷酸铁锂电池为例,2013年磷酸铁锂电池成本在4500-6000元/kWh左右,2015年后最低可至2000-3000元/kWh,预计到2020年有望降至1000元/kWh。(备注:远景集团创始人兼CEO张雷2018年10月18日在“一带一路”能源部长会议上表示,过去十年间,电动汽车电池(锂电池)成本从每千瓦时1000美元降至200美元,预计到2020年有望降至100美元,2025年降至50美元。比业主预测更为乐观。)

  此外,动力电池梯次利用有望进一步提高锂电储能的经济性。动力锂离子电池容量下降到80%时须退役,但此时仍具有利用价值,可在电力储能领域继续工作,美国、德国、日本等起步较早的国家已有成功案例。随着未来国内电动汽车退役电池数量的快速增长,以及梯次利用技术和产业链的发展完善,有望推动锂电储能成本进一步下降。

  (三)全钒液流电池具有循环寿命长的优势

  液流电池种类繁多,具有充放电性能好、循环寿命长、功率容量可调的特点,适合大规模储能应用。全钒液流电池是目前应用最广泛的液流电池技术。全钒液流电池循环次数超过1万次,系统功率和容量相互独立,并且容量可在线恢复。

  全钒液流电池技术的主要缺点包括:单位千瓦时电池成本是铅炭、锂离子电池的2-4倍,造成初始投资较高,但考虑到其循环次数是铅炭、锂离子电池的2-3倍,单次循环的度电成本与铅炭、锂离子电池相比也具有一定的竞争力;能量转换效率较低,在70%左右;能量密度低,需要占用较多的土地和建筑资源;全钒液流电池正常运行需要电解液循环泵等辅助设备,运维相较其它电化学储能技术更为复杂。

  (四)钠硫电池技术受国外垄断

  钠硫电池可实现较高的储能容量,电池运行稳定,维护量非常少,循环寿命可达4000余次,并且已经有10年以上的业绩实证。但钠硫电池需要300℃~350℃的高温运行条件,具有一定的安全运行风险。

  钠硫电池在国外应用较为成熟,在全球范围内已建成200余座钠硫电池储能电站,其规模仅次于锂离子电池。日本NGK公司在钠硫电池系统研发方面处于国际领先地位,是全球唯一具有大规模商业化生产钠硫电池能力的企业。国内钠硫电池研制起步较晚,短期难以商业化推广。

  二电池储能技术分类及性能比较

  从储能技术的经济性来看,锂离子电池有较强的竞争力,钠硫电池和钒液流电池未形成产业化,供应渠道受限,成本昂贵。从运营和维护成本来看,钠硫电池需要持续供热,钒液流电池需要泵进行流体控制,增加了运营的成本,而锂电池几乎不需要维护。

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  数据来源:2018年4月,中信建投证券研究报告

  三磷酸铁锂电池的安全性论证

  对于锂电池来说,常见使用类型为三元锂电池和磷酸铁锂电池。三元锂电池正极材料的分解温度在200℃左右,磷酸铁锂电池正极材料的分解温度在700℃左右。实验室测试环境下短路磷酸铁锂电池单体,基本不发出现着火的情况,三元锂电池则不然,在使用三元锂电池时尤其要对热管理提出较高的要求,一旦出现过温、过充、过流等异常情况基友可能造成起火、爆炸等严重后果,因而在安全性方面磷酸铁锂电池较三元电池而言有着绝对的优势;同时,三元锂电池的理论寿命约为800次循环,而磷酸铁锂约为2000次以上,因而磷酸铁锂电池在循环寿命上具有绝对优势。

  新能源客车安全技术管理规定测试要求及标准以磷酸铁锂技术指标为测试验证指标,尤其在热失控及热失控管理方面的实验要求也仅仅只有磷酸铁锂电池符合要求。公共设施首重安全,公共汽车等尤为严格,对此严格要求,仅仅只有磷酸铁锂电池满足其要求。世博会期间,人流量高达45万多人,且在夏天高温情况下,磷酸铁锂电池大巴满足运载要求,未发生一例因磷酸铁锂电池引起安全事故,磷酸铁锂电池在如此恶劣的高温环境下经受住了考验,可见其安全性。

  磷酸铁锂电池的全名是磷酸铁锂锂离子电池,简称为磷酸铁锂电池。磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固,难以分解,即便在高温或过充时也不会出现结构崩塌发热或是形成强氧化性物质,因此拥有良好的安全性;磷酸铁锂为橄榄石结构,材料热稳定性高,不会形成尖锐的结晶,刺穿隔膜,导致内部短路;同时一些厂家采用了高安全性的六氟磷酸锂电解质,添加了阻燃添加剂和防爆添加剂,不会出现由于电解液而导致的安全故障。因此磷酸铁锂不出现燃烧、爆炸等危害。

  磷酸铁锂具有严格的生产工艺要求及质量检测要求。电池在无尘车间内生产,生产线为全自动产线,对每个工序都进行全程监控并配有追溯系统。质量部门对每批次都需进行抽样检测,而针刺检测是众多测试实验中最为直观验证磷酸铁锂电池安全可靠性实验。将针直接刺入电池壳体,此时电池发生内部短路,而发生内部短路的情况下,磷酸铁锂电池只是冒烟而无明火或爆炸现象。

  根据国内外储能系统应用现状和电池特点,磷酸铁锂电池具有高安全性,是储能应用技术最佳选择。