規(guī)模儲(chǔ)能裝置經(jīng)濟(jì)效益的判據(jù)

楊裕生,程 杰,曹高萍

(防化研究院,北京 100191)

電能是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的重要保障,已成為人類(lèi)生產(chǎn)、生活中不可替代的組成部分。電能不能簡(jiǎn)單地直接儲(chǔ)存,電能的生產(chǎn)與耗費(fèi)必須時(shí)刻保持嚴(yán)格的同步,這給電能的供需平衡造成了很大的困難。電力系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)電和輸配電設(shè)備均需按照用電峰值配備,導(dǎo)致資源利用率低,系統(tǒng)內(nèi)存在大量可平移的負(fù)荷。電能以規(guī)模儲(chǔ)存,則可降低電力系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電和輸配電設(shè)備的規(guī)模、提高能效和利用率?，F(xiàn)代用戶(hù)對(duì)電網(wǎng)提出了越來(lái)越高的可靠性要求,這不僅需要電網(wǎng)的智能化,也需要規(guī)模儲(chǔ)能。我國(guó)核能發(fā)電迅速增長(zhǎng),核電裝置要求恒功率運(yùn)行,拉大了夜間電網(wǎng)的供需差距。風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電時(shí),功率、電壓和頻率的波動(dòng)大,且難以人為控制,如果直接并入電網(wǎng),將會(huì)影響供電質(zhì)量;尤其我國(guó)北方風(fēng)場(chǎng)夜間風(fēng)大,勢(shì)將增加電網(wǎng)調(diào)峰的壓力。為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、均衡供電,將部分電能轉(zhuǎn)換成其他能源形式儲(chǔ)存,顯得愈來(lái)愈迫切,開(kāi)發(fā)高效的規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)意義非常重大。

規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)中,物理方法有抽(揚(yáng))水蓄能、壓縮空氣蓄能、飛輪蓄能等,其中實(shí)用的當(dāng)推抽(揚(yáng))水蓄能。該方法的規(guī)模大、壽命長(zhǎng),但地理?xiàng)l件要求苛刻,且一次投入的建造費(fèi)用高。

化學(xué)方法有鉛酸電池、金屬-空氣電池、鈉硫電池、鋰離子電池、鎳基電池、超級(jí)電容器及液流蓄電池等。化學(xué)方法不受地理環(huán)境的限制,具有隨充隨放的突出特點(diǎn),但使用年限和循環(huán)壽命不顯優(yōu)勢(shì)。

本文作者對(duì)大規(guī)模蓄電裝置歸結(jié)了4大可能的用途[1]:①可再生能源的蓄電;②電網(wǎng)的調(diào)“峰”;③用電大戶(hù)的蓄電;④軍用蓄電。各種用途對(duì)規(guī)模儲(chǔ)能的要求各有側(cè)重,需要綜合考慮需求目標(biāo)和儲(chǔ)能手段。高安全可靠性是規(guī)模蓄電的首要要求,此外還需要考慮能量轉(zhuǎn)換效率、自放電率、初始投資、目標(biāo)充放電情況下的循環(huán)壽命、維護(hù)成本、環(huán)境適應(yīng)性和場(chǎng)地等等。再生能源蓄電及電網(wǎng)的調(diào)峰對(duì)于儲(chǔ)能裝置的比能量指標(biāo)要求不強(qiáng),而用電大戶(hù)和軍用蓄電還會(huì)要求儲(chǔ)能裝置的比能量達(dá)到一定的程度。對(duì)于化學(xué)電源,工作溫度也是必須考慮的,低溫(如-40℃)環(huán)境以 Cd/Ni電池和超級(jí)電容器最合適,高溫下(如 60℃)以Zn/Ni電池、MH/Ni電池和超級(jí)電容器較好,全釩液流電池的溫度范圍以5～40℃為好[2]。作為商業(yè)運(yùn)行,在選擇儲(chǔ)能技術(shù)時(shí),還必須切實(shí)考慮經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前,大規(guī)模蓄電裝置發(fā)展迅速,應(yīng)對(duì)蓄電裝置的經(jīng)濟(jì)效益有一個(gè)客觀的判據(jù)。

本文作者曾將放出單位能量的投資C、儲(chǔ)能-放能全壽命循環(huán)次數(shù)L和儲(chǔ)能-放能循環(huán)的轉(zhuǎn)換效率η等3個(gè)因子歸結(jié)為E,來(lái)衡量?jī)?chǔ)能裝置經(jīng)濟(jì)效益的相對(duì)大小[3][見(jiàn)式(1)]。

據(jù)此,對(duì)各種儲(chǔ)能裝置定性地以“5分制”打分,得如下的排序:得5分的有抽水蓄能,得4分的有液流電池,得3分的有鋰離子電池和鈉硫電池,得2分的有鉛酸電池和超級(jí)電容器。上述3個(gè)因子是在不斷變化、發(fā)展的,如鋰離子電池的價(jià)格不斷下降,全壽命的循環(huán)次數(shù)在上升。這就是上述排序中,鋰離子電池的排序先于鉛酸電池的原因。

用E值可比較各種儲(chǔ)能裝置經(jīng)濟(jì)效益的相對(duì)大小,但不能定量地判別儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行結(jié)果是否有經(jīng)濟(jì)效益。本文作者考慮,有7項(xiàng)指標(biāo)與儲(chǔ)能裝置的經(jīng)濟(jì)效益有關(guān):儲(chǔ)能裝置的電能“進(jìn)價(jià)”(Rin)、“出價(jià)”(Rout),能量轉(zhuǎn)換效率(輸出電能與輸入電能之比,η),輸出1 kWh電能的初投資(C),輸出1 kWh電能的運(yùn)行成本(CO),儲(chǔ)能裝置的充放電深度(DOD)和相應(yīng)DOD下的循環(huán)壽命(L),由它們推導(dǎo)出“規(guī)模儲(chǔ)能裝置的經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)”(YCC,Yang-Cheng-Cao)關(guān)系式[見(jiàn)式(2)],并得出儲(chǔ)能裝置運(yùn)行的利潤(rùn)率(Pm)[見(jiàn)式(3)]。

式(2)中,Rin、Rout的單位為￥/kWh;L的單位為次,與η、DOD一樣,為無(wú)量綱量;C與CO的單位為元/kWh。當(dāng)計(jì)算出的YCC＞1時(shí),則Pm＞0,表示儲(chǔ)能企業(yè)盈利。以上僅以電池系統(tǒng)在常規(guī)條件(常壓、常溫或規(guī)定溫度、適宜的充放電倍率及充放電制度、不考慮充放過(guò)程中的自放電等)下的性能作為輸入條件,而未考慮維持電池系統(tǒng)外環(huán)境(廠房及其常規(guī)水電配置、用地、環(huán)境溫度及濕度保持等)、電池對(duì)于外環(huán)境的特異要求(如鋰離子電池防火、防爆設(shè)計(jì),有機(jī)系超級(jí)電容器防火、防爆設(shè)計(jì),鈉硫電池防火、防爆設(shè)計(jì),全釩液流電池臺(tái)架結(jié)構(gòu)及電解液防泄漏設(shè)計(jì)等)。經(jīng)驗(yàn)表明,電池恒溫工作的循環(huán)壽命最長(zhǎng),因此需要保證儲(chǔ)能電池工作的環(huán)境溫度和充放電時(shí)的局部溫度變化不大。顯然,比能量高的電池,所用廠房、用地及相應(yīng)費(fèi)用會(huì)低,但一般需要考慮特異的外設(shè)要求(防火、防爆等),附加費(fèi)用也會(huì)高。這些外環(huán)境等條件對(duì)儲(chǔ)能投資與收益的影響沒(méi)有確定指標(biāo)化數(shù)據(jù),本文沒(méi)有考慮。牽引型鉛酸電池100%DOD的循環(huán)壽命約800次[4-5],一般出廠價(jià)(即C)約 1 000元/kWh(進(jìn)口電池約為國(guó)產(chǎn)電池的3倍)。若企業(yè)以該鉛酸電池儲(chǔ)能,設(shè)Rin、Rout分別為 0.15元/kWh、0.80元/kWh,CO為0.05元,η為 75%,可得到Y(jié)CC=0.46,Pm=-54%,表示該儲(chǔ)能企業(yè)虧本。如欲保本(Pm=0),在其他指標(biāo)不變的情況下,則C應(yīng)降為360元/kWh(壽命為100%DOD下800次);或循環(huán)壽命升為100%DOD下1818次(C為1 000元/kWh)。日本開(kāi)發(fā)了70%DOD下循環(huán)壽命達(dá)到4 500次的鉛酸電池[6],若以上面提到的條件估算,用于儲(chǔ)能的利潤(rùn)率為63%,儲(chǔ)能企業(yè)能夠賺錢(qián)。以上的討論中,未考慮采用蓄電裝置儲(chǔ)能帶來(lái)的間接經(jīng)濟(jì)收益和社會(huì)效益。

依據(jù)文獻(xiàn)[4-12]的數(shù)據(jù),對(duì)不同的化學(xué)電源以此進(jìn)行評(píng)估,得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 不同化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的性能及以電價(jià)進(jìn)出為0.15元/kWh和0.8元/kWh估計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益Table 1 Energy storage devices'performance and their operation economic profits based on the prices of input and output electricity of 0.15￥/kWh and 0.8￥/kWh respectively

從表1可知,大部分的化學(xué)電源不能在儲(chǔ)能中取得收益,長(zhǎng)壽命鉛酸電池、超級(jí)電容器和全釩液流電池等循環(huán)壽命長(zhǎng)的裝置最終可能獲得經(jīng)濟(jì)收益,因此,循環(huán)壽命和成本是化學(xué)電源是否能夠在儲(chǔ)能中獲得經(jīng)濟(jì)利益的關(guān)鍵因素。

由YCC關(guān)系式可得到明確的啟示:必須提高化學(xué)蓄電裝置的循環(huán)壽命和降低成本,才能適應(yīng)規(guī)模儲(chǔ)能需求的發(fā)展。當(dāng)然,拉開(kāi)晝夜電價(jià)也是必須的。

電池技術(shù)的進(jìn)步和電池相關(guān)材料的價(jià)格波動(dòng),都會(huì)影響儲(chǔ)能用電池的基本性能,從而影響規(guī)模儲(chǔ)能裝置的經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)。儲(chǔ)能電池因規(guī)模巨大,大量生產(chǎn)后,原材料價(jià)格可能會(huì)大幅度變化。材料來(lái)源豐富的電池體系,可能具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

YCC關(guān)系式將有助于儲(chǔ)能裝置選擇和儲(chǔ)能技術(shù)研究,從而能夠推動(dòng)可再生能源及電網(wǎng)蓄電的健康、有序發(fā)展。

[1] YANG Yu-sheng(楊裕生).大規(guī)模蓄電的化學(xué)電源[A].第26屆全國(guó)物理與化學(xué)電源學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集[C].Xiamen(廈門(mén)),2004.G01.

[2] Perrin M,Malbranche P,Lemaire-Potteau E,et al.Temperature behaviour:comparison for nine storage technologies:results from the INVESTIRE network.[J].J Power Sources,2006,154(2):545-549.

[3] YANG Yu-sheng(楊裕生),CAI Sheng-min(蔡生民),LIN Zugeng(林祖賡),et al.簡(jiǎn)述發(fā)展大規(guī)模蓄電的液流蓄電池[J].Science and T echnology Review(科技導(dǎo)報(bào)),2006,24(8):63-66.

[4] Linden M D,Reddy T B.Handbook of Batteries[M].Columbus:The M cGraw-Hill Companies,2001.

[5] Execcutive summary[EB/OL].http://www.ceic.unsw.edu.au/centers/vrb＞.

[6] Hisaaki T,Ichiro S,Koichi O,et al.Valve-regulated lead-acid batteries with a long cycle life for power storage system[J].Shin-Kobe T echnical Report,2005,(15):31-38.

[7] Ponce de León C,Fr ías-Ferrer A,Gonzá lez-García J,et al.Redox flow cells for energy conversion[J].J Power Sources,2006,160(1):716-732.

[8] Schaber C,Mazza P,Hammerschlag R.Utility scale storage of renewable energy[J].The Electricity Journal,2004,17(6):21-29.

[9] Klementov A D,Litvinenko S V,Stepanov A B,et al.Internal losses and features of asymmetric capacitor operation[A].Proceeding of the 11th international seminar on double layer capacitors[C].Florida,2001.

[10] Electrochemical capacitor module for hybrid transport application[EB/OL].http://www.esma-cap.com.

[11] Electrochemical energy storage-a mission to the USA,report of a DTI global watch mission[EB/OL].http://www.globalwatchonline.com.

[12] Gǜnter G.Hybrid electric vehicles and electrochemical storage systems-a technology push-pull couple[J].J Power Sources,1999,84(2):275-279.