淺析儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)及鋰離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用前景

許科

摘 要：針對(duì)抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、熔融鹽儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能目前幾種典型的儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了分析，其中對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，特別對(duì)比分析了鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池和鋰離子電池集中典型技術(shù)方向，通過(guò)以上對(duì)比評(píng)估，從技術(shù)角度對(duì)于鋰離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的前景進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能、鋰離子電池、應(yīng)用

一.前言

儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)是伴隨著新能源產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來(lái)的。上世紀(jì)70年代以來(lái)，新能源開(kāi)發(fā)利用受到世界各國(guó)高度重視，許多國(guó)家將開(kāi)發(fā)利用新能源作為能源戰(zhàn)略的重要組成部分。儲(chǔ)能是構(gòu)建智能電網(wǎng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將有助于打破風(fēng)電、光伏發(fā)電等的接入和消納瓶頸問(wèn)題，能夠降低配套輸電線路容量需求，緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力。目前我國(guó)已將儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展列入中重點(diǎn)發(fā)展規(guī)劃領(lǐng)域。

二.常見(jiàn)儲(chǔ)能技術(shù)分類

2.1抽水蓄能

抽水蓄能是全球范圍內(nèi)廣泛采用的一種能源儲(chǔ)存技術(shù)，其原理是在負(fù)荷低谷時(shí)，利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，把低水庫(kù)的水通過(guò)管道抽到高水庫(kù)，將電能轉(zhuǎn)化成勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)；在高峰負(fù)荷時(shí)，將高水庫(kù)的蓄水通過(guò)管道放下，以水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，再將勢(shì)能轉(zhuǎn)換回電能。抽水蓄能電站的綜合效率一般在65%--75%，需要配備大火電機(jī)組運(yùn)行，且推廣應(yīng)用受地域限制。

2.2壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣能源儲(chǔ)存（CAES）的基本做法就是將基礎(chǔ)核電或煤電設(shè)施產(chǎn)出的非高峰時(shí)期的電能轉(zhuǎn)移到用電高峰時(shí)期，而僅僅消耗原本用于用電高峰時(shí)期發(fā)電（比如傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)）的燃?xì)饣蛉加偷囊徊糠?。在需要時(shí)壓縮空氣被釋放，通過(guò)渦輪進(jìn)行發(fā)電。壓縮空氣釋放后會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的冷卻效應(yīng)，這時(shí)必須進(jìn)行加熱，這樣才能使壓縮空氣在環(huán)境溫度下釋放出來(lái)，這種儲(chǔ)能方式往往效率較低，同樣收到地域條件限制。

2.3飛輪儲(chǔ)能

在負(fù)荷低谷時(shí)，利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能存起來(lái)，在高峰負(fù)荷時(shí)，飛輪利用慣性帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。它的優(yōu)越性還包括：作為智能電網(wǎng)的一部分，能遙控，能檢測(cè)；20年生命周期中完成數(shù)十萬(wàn)次充電-發(fā)電循環(huán)，按無(wú)維護(hù)操作而設(shè)計(jì)、建造；不需要燃料，不含危險(xiǎn)化學(xué)物，避免潛在的地面污染，零二氧化碳或其他不良排放。這些，都使其被譽(yù)為真正的可持續(xù)技術(shù)解決方案，受到行家的關(guān)注，然而目前飛輪儲(chǔ)能的機(jī)組收到限制，且成本較高，還無(wú)法批量推廣應(yīng)用。

2.4電磁儲(chǔ)能

是指把能量保存在電場(chǎng)、磁場(chǎng)或交變等電磁場(chǎng)內(nèi)儲(chǔ)能技術(shù)。主要技術(shù)發(fā)展方向?yàn)槌瑢?dǎo)電磁蓄能等。超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能（SMES）是利用超導(dǎo)體制成的線圈，由電網(wǎng)供電勵(lì)磁而產(chǎn)生的磁場(chǎng)儲(chǔ)存能量，這是一種不需要經(jīng)過(guò)能量轉(zhuǎn)換而直接儲(chǔ)存電能的方式，目前該技術(shù)正處于研發(fā)階段。

2.5熔融鹽儲(chǔ)能

熔融鹽儲(chǔ)能技術(shù)是目前國(guó)際上最為主流的高溫蓄熱技術(shù)之一，具有成本低、熱容高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。熔融鹽技術(shù)是利用硝酸鈉等原料作為傳熱介質(zhì)，一般與太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，是光熱發(fā)電系統(tǒng)具備儲(chǔ)能和夜間發(fā)電能力，可滿足電網(wǎng)調(diào)峰需要。

2.6電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能也就是電池儲(chǔ)能。其原理是在正向化學(xué)反應(yīng)中吸收能量（充電），把電能儲(chǔ)存在化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)品中；在逆向反應(yīng)中則再釋放出電能。產(chǎn)品主要有鉛酸電池、二次電池（鎳氫電池、鋰離子電池）、液流電池、鈉硫電池、和各種燃料電池等。電化學(xué)儲(chǔ)能基本沒(méi)有地理自然環(huán)境的限制，基本涵蓋了所有的儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域，通過(guò)技術(shù)成熟度、成本、使用壽命和應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋面的綜合比較，電化學(xué)儲(chǔ)能是儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期的發(fā)展方向，是主要的投資機(jī)會(huì)所在。

三.典型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比

3.1鈉硫電池

鈉硫電池由熔融液態(tài)電極和固體電解質(zhì)組成的，比能量大于100Wh/Kg，是鉛酸電池的3-4倍，可以3倍率電流放電。電化學(xué)反應(yīng)時(shí)副反應(yīng)少，充放電效率高。但是鈉硫電池其工作溫度在必須保持在300-350℃，電池工作時(shí)需要一定的加熱保溫，總應(yīng)用量少，而且價(jià)格昂貴，折人民幣15000-20000/kW，無(wú)論從產(chǎn)能及價(jià)格方面都無(wú)法在短期內(nèi)帶動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展。

3.2釩液流電池

釩液流電池是一種活性物質(zhì)呈循環(huán)流動(dòng)液態(tài)的氧化還原電池。其將存儲(chǔ)在電解波中的能量轉(zhuǎn)換為電能，這是通過(guò)兩個(gè)不同類型的、被一層隔膜隔開(kāi)的釩離子之間交換電子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。釩液流電池優(yōu)點(diǎn)主要為：1）深度放電后壽不會(huì)受影響；2）電解液可以無(wú)限期使用；3）能量的存儲(chǔ)量（SOC）可以精確地測(cè)量出來(lái)。但其目前最大技術(shù)難題是電池壽命與成本受到隔膜技術(shù)的制約，高分子聚合物隔離膜占成本的60%以上，目前釩液流電池系統(tǒng)的價(jià)格約為10000-15000元/kW。

3.3鉛酸電池

為人們所熟知的鉛酸電池也在儲(chǔ)能系統(tǒng)中也有一定的應(yīng)用，其低廉價(jià)格已經(jīng)無(wú)法彌補(bǔ)其短暫的使用壽命與大功率充放電性能方面的不足。為了保證大功率性能及安全的管理控制，在現(xiàn)有鉛酸電池技術(shù)上將電池容量做大并加入電子器件進(jìn)行控制，將導(dǎo)致用于大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)的鉛酸電池價(jià)格成倍上漲，甚至達(dá)到2000元/kW以上。

3.4鋰電池

相比之下鋰離子電池優(yōu)勢(shì)更為明顯，其比能量高、使用壽命長(zhǎng)、高功率性能好、自放電小、使用條件要求低等，幾乎涵蓋了上述幾種電池的所有優(yōu)點(diǎn)，而且重量輕，組合簡(jiǎn)單，拆分方便，更適合于偏遠(yuǎn)地區(qū)的運(yùn)輸、安裝。但由于大容量、高功率鋰離子電池尚未形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。隨著電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車等技術(shù)的日益成熟，車用鋰離子電池必定會(huì)在幾年內(nèi)形成完善的產(chǎn)業(yè)，在其成本、成組一致性、安全等問(wèn)題進(jìn)一步解決后，鋰離子電池將會(huì)在在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。目前行業(yè)中鋰離子電池成組成本平均在1500-2500元/kWh左右，隨著車用鋰離子電池應(yīng)用的進(jìn)一步大規(guī)模推廣，成本有望降低至1000元/kWh一下，再結(jié)合車用鋰離子電池梯次利用，成本仍可大幅降低，將在儲(chǔ)能領(lǐng)域中占據(jù)越來(lái)越大的市場(chǎng)份額。

結(jié)束語(yǔ)：

各種儲(chǔ)能技術(shù)雖然在能量、功率密度方面存在差異，但都有著其獨(dú)有的特點(diǎn)及優(yōu)劣勢(shì)，都有其對(duì)應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域，但綜合比較，鋰電池在安全性、能量轉(zhuǎn)換效率、便利性等方面均具備明顯優(yōu)勢(shì)，隨著大規(guī)模應(yīng)用，成本將進(jìn)一步下降，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)將更加明顯，具備巨大的發(fā)展空間與應(yīng)用前景。