鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)在電力能源中的應(yīng)用模式與發(fā)展趨勢(shì)

賴春艷, 陳 宏, 倪嘉茜, 許 康, 胥 超, 姜宇杰

(1.上海電力大學(xué), 上海 200090; 2.上海市節(jié)能工程技術(shù)協(xié)會(huì), 上海 200083)

儲(chǔ)能技術(shù)是智能電網(wǎng)中不可或缺的重要環(huán)節(jié),是新能源發(fā)電消納的關(guān)鍵技術(shù)[1]。近年來(lái),隨著新能源發(fā)電比例的不斷提高,新能源汽車(chē)數(shù)量激增,儲(chǔ)能技術(shù)遇到了新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2017年,國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)(以下簡(jiǎn)稱“發(fā)改委”)、能源局等部門(mén)聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》(以下簡(jiǎn)稱“指導(dǎo)意見(jiàn)”),確定了儲(chǔ)能技術(shù)在我國(guó)能源革命、現(xiàn)代能源體系建設(shè)中的戰(zhàn)略地位,并提出了未來(lái)10年間我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要目標(biāo)和任務(wù)。隨后,各級(jí)政府部門(mén)、能源行業(yè)企業(yè)都相繼對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展提出了更多的支持措施和辦法。我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了快速發(fā)展期,各項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)得到了飛速進(jìn)步。

1 儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)重要政策梳理

自2017年的指導(dǎo)意見(jiàn)之后,各部委又相繼發(fā)布了一系列支持儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的相關(guān)政策,國(guó)家電網(wǎng)公司也陸續(xù)推出了支持儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的相關(guān)措施和辦法。對(duì)近4年國(guó)家政府部門(mén)和電網(wǎng)公司推出的有關(guān)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的重要政策和措施進(jìn)行了梳理和匯總,結(jié)果如表1所示。

表1 近4年國(guó)家針對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的政策措施

從表1可以看出,近年來(lái)政府部門(mén)和國(guó)家電網(wǎng)公司推出的政策措施涉及儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展方向、發(fā)展模式、保障措施、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系建立和重要示范項(xiàng)目。同時(shí),還對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)、學(xué)科建設(shè)等方面進(jìn)行了規(guī)劃,為儲(chǔ)能技術(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2 儲(chǔ)能技術(shù)在電力能源中的作用及分類

2.1 儲(chǔ)能技術(shù)在電力能源中作用

儲(chǔ)能技術(shù)已被視為電網(wǎng)運(yùn)行中的重要組成部分,貫穿于電力能源的發(fā)電端、電網(wǎng)端和用戶端[2]。在電力系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能技術(shù),可提高現(xiàn)有發(fā)電裝機(jī)容量的利用率和電網(wǎng)運(yùn)行效率,有效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障,提升用電可靠性以及解決新能源風(fēng)電、光伏間歇波動(dòng)性等問(wèn)題[3]。

儲(chǔ)能技術(shù)在電力能源系統(tǒng)中的功能可概括為5個(gè)方面:一是提高電網(wǎng)運(yùn)行安全性和可靠性;二是實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)削峰填谷作用;三是緩解電力跨區(qū)供需矛盾;四是提高供電可靠性;五是滿足風(fēng)、光等可再生能源利用需求。

2.2 電力儲(chǔ)能技術(shù)分類

常用電力儲(chǔ)能技術(shù)主要有抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能[4]。

抽水蓄能通過(guò)用電低谷和高峰時(shí)電能和水的勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電力調(diào)節(jié),是一種安全、節(jié)能、高效的儲(chǔ)能技術(shù)[5],也是目前我國(guó)裝機(jī)規(guī)模最大的一類儲(chǔ)能技術(shù)。相較于其他國(guó)家,我國(guó)抽水蓄能建設(shè)起步較晚,但發(fā)展迅速,目前無(wú)論是規(guī)模還是技術(shù)均已達(dá)到世界先進(jìn)水平。該技術(shù)的缺點(diǎn)是受地勢(shì)環(huán)境和水文資源限制,無(wú)法靈活使用。

飛輪儲(chǔ)能是利用飛輪裝置將電能儲(chǔ)存為機(jī)械能,當(dāng)需要用電時(shí)飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電的技術(shù)[6],目前主要應(yīng)用于航天、交通、軍事等領(lǐng)域,以及作為不間斷電源等。遼寧、北京等地已有飛輪儲(chǔ)能技術(shù)用于電力并網(wǎng)的示范項(xiàng)目。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好、無(wú)污染,但存在相對(duì)能量密度低、自放電率高等缺點(diǎn)。

壓縮空氣儲(chǔ)能是利用用電低谷時(shí)的電能將空氣儲(chǔ)藏在高壓密封空間內(nèi),在用電高峰時(shí)釋放出來(lái)推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電的技術(shù)[7]。目前,我國(guó)唯一的國(guó)家級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目是2020年開(kāi)建的位于江蘇常州金壇區(qū)直溪鎮(zhèn)的“金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能?chē)?guó)家試驗(yàn)示范項(xiàng)目”。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的單機(jī)規(guī)?？蛇_(dá)100 MW,僅次于抽水儲(chǔ)能。在不具備建設(shè)抽水儲(chǔ)能電站地理?xiàng)l件的地區(qū),該技術(shù)是大型儲(chǔ)能技術(shù)的首選。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具有運(yùn)行維護(hù)方便、響應(yīng)快、環(huán)境友好、安全系數(shù)高、存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),但也存在儲(chǔ)能效率較低的缺點(diǎn)。

超導(dǎo)儲(chǔ)能是一種利用環(huán)形超導(dǎo)磁體實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換的技術(shù)[8]。該技術(shù)具有功率密度高、轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、循環(huán)次數(shù)無(wú)限制等優(yōu)勢(shì)。但受制于大容量高溫超導(dǎo)磁體材料發(fā)展等因素,目前超導(dǎo)儲(chǔ)能項(xiàng)目在電力能源中的應(yīng)用和研究以仿真研究為主,實(shí)際并網(wǎng)項(xiàng)目不多。

與上述各種儲(chǔ)能技術(shù)相比,電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)具有設(shè)備機(jī)動(dòng)性好、響應(yīng)速度快、能量密度高和轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)[9],是目前各國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研究開(kāi)發(fā)的重要方向。電化學(xué)儲(chǔ)能裝置主要包括鉛酸電池、鈉硫電池和釩液流電池、鋰離子電池等[10]。這些電化學(xué)儲(chǔ)能電池各有優(yōu)缺點(diǎn),如鉛酸電池性能可靠、價(jià)格低,但能量密度和功率密度均較低;鈉硫電池具有原料成本低、充放電效率高、存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì),但需要附加供熱和保溫裝置;釩液流電池壽命長(zhǎng)、可深度放電、電解質(zhì)溶液可反復(fù)再生,卻也存在體積大、比能量低、密封性不好等問(wèn)題。從綜合性能來(lái)說(shuō),目前鋰離子電池以其能量密度高、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)在電力系統(tǒng)儲(chǔ)能方面有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力[11]。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,近年來(lái)國(guó)內(nèi)已運(yùn)行的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置中,鋰離子電池占比達(dá)到80%以上,且該數(shù)據(jù)呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

3 鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)在電力能源中的應(yīng)用場(chǎng)景和模式

目前,鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。應(yīng)用場(chǎng)景包括發(fā)電側(cè)、用戶側(cè)和電網(wǎng)側(cè);應(yīng)用模式主要有各種類型的儲(chǔ)能電站、備用/應(yīng)急電源車(chē)及多種儲(chǔ)能裝置。在發(fā)電側(cè),鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用主要有風(fēng)/光儲(chǔ)能電站、AGC調(diào)頻電站等;在用戶側(cè),主要有光儲(chǔ)充一體化電站、應(yīng)急電源等;在電網(wǎng)側(cè),主要有變電站、調(diào)峰/調(diào)頻電站等。不同的應(yīng)用模式對(duì)鋰離子電池性能的要求不同,中國(guó)科學(xué)院電工研究所陳永翀[12]指出:鋰離子儲(chǔ)能電池應(yīng)用于調(diào)峰、光伏儲(chǔ)能時(shí),一般采用能夠較長(zhǎng)時(shí)間充放電的容量型電池;用于調(diào)頻或平滑新能源波動(dòng)時(shí),一般采用能夠快速充放電的功率型電池;在既需要調(diào)頻又需要調(diào)峰時(shí),則采用能量型電池。

3.1 在發(fā)電側(cè)的應(yīng)用

鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)在發(fā)電側(cè)的應(yīng)用包括大規(guī)模新能源并網(wǎng)、電力輔助服務(wù)[13],主要功能是促進(jìn)新能源的消納、增強(qiáng)電力系統(tǒng)的調(diào)峰能力。目前,電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)已在風(fēng)、光發(fā)電系統(tǒng)中大量應(yīng)用,規(guī)?；匿囯x子電池儲(chǔ)能技術(shù)與風(fēng)光發(fā)電結(jié)合可以較好地解決新能源并網(wǎng)問(wèn)題,解決棄光難題。例如,位于青海省的“青海格爾木直流側(cè)光伏電站儲(chǔ)能項(xiàng)目”[14]就是鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于光伏電站的案例。該光伏電站規(guī)模為180 MW,儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模為1.5 MW/3.5 MWh,項(xiàng)目采用了分布式直流側(cè)光伏儲(chǔ)能技術(shù),有效解決了儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏電站間的接入匹配問(wèn)題。

3.2 在用戶側(cè)的應(yīng)用

鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)在用戶側(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛,包括光、儲(chǔ)、充一體化的充電站、工業(yè)園區(qū)、數(shù)據(jù)中心、通信基站、地鐵和有軌電車(chē)、港口岸、島嶼、醫(yī)院、商場(chǎng)、政府樓宇、銀行、酒店以及大型臨時(shí)活動(dòng)場(chǎng)所的用電保障和應(yīng)急供電等[15]。另外,也包括一些商業(yè)儲(chǔ)能項(xiàng)目,如電解、電鍍公司和冶煉廠等用電大戶利用儲(chǔ)能電站在低谷期充電、在用電高峰時(shí)放電,以降低企業(yè)用電成本。近年來(lái),隨著電力能源需求響應(yīng)的發(fā)展和完善,用戶側(cè)電池儲(chǔ)能項(xiàng)目快速增長(zhǎng);5G通信基站的逐漸普及,對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)的需求迅速增加;而各地政府對(duì)用戶側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目建設(shè)的支持也促進(jìn)了其快速發(fā)展。

3.3 在電網(wǎng)側(cè)的應(yīng)用

鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)側(cè)的主要應(yīng)用包括電網(wǎng)輔助服務(wù)、輸配電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、分布式及微電網(wǎng)。主要功能是保障電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定,提供調(diào)頻[16]、調(diào)峰、備用、黑啟動(dòng)等服務(wù),提高輸配電設(shè)備利用率;減緩現(xiàn)有輸配電網(wǎng)的升級(jí)改造,解決偏遠(yuǎn)地區(qū)供電問(wèn)題等;提高供電可靠性和靈活性[17]。隨著鋰離子電池集成度和電池?zé)峁芾硭降奶岣?大規(guī)模鋰離子電池儲(chǔ)能項(xiàng)目不斷出現(xiàn)。如,2020年1月,福建晉江電網(wǎng)儲(chǔ)能項(xiàng)目(30 MW/108 MWh)啟動(dòng)并網(wǎng),配套的大規(guī)模電池儲(chǔ)能電站統(tǒng)一調(diào)度與控制系統(tǒng)可為附近3個(gè)220 kV重負(fù)荷的變電站提供調(diào)峰調(diào)頻服務(wù)。

對(duì)近3年鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)在電力能源的發(fā)電側(cè)、用戶側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的一些典型應(yīng)用案例進(jìn)行匯總和分析,結(jié)果如表2所示。

表2 近3年鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用案例

從表2可以看出,目前鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)在電力能源系統(tǒng)的發(fā)電側(cè)、用戶側(cè)和電網(wǎng)側(cè)均有應(yīng)用,裝機(jī)規(guī)模從幾兆瓦到幾百兆瓦。根據(jù)資料顯示,2019年我國(guó)鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)的總裝機(jī)規(guī)模超過(guò)1 300 MW。

4 鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有兩個(gè)方面:一是進(jìn)一步降低成本;二是提高可靠性。

儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用潛力在很大程度上決定于其成本。目前,鋰離子電池的成本約為0.9元/Wh(儲(chǔ)能系統(tǒng)成本為1.2元/Wh),在國(guó)內(nèi)大部分峰谷電價(jià)差不到0.7元/kWh的地區(qū),不具備明顯的經(jīng)濟(jì)性。因此,進(jìn)一步降低電池成本是鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)的重要發(fā)展方向。廣大的科研工作者正在開(kāi)發(fā)價(jià)格更低、能量密度更高的鋰離子電池材料體系,未來(lái)的鋰離子電池可能會(huì)使用更高能量密度的正極材料取代目前常用的磷酸鐵鋰和三元正極材料[18]。再結(jié)合規(guī)?；纳a(chǎn)技術(shù),鋰離子儲(chǔ)能電池的單位成本有望進(jìn)一步降低。

可靠性(尤其是安全性)是鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)另一個(gè)受人關(guān)注的性能。近年來(lái),電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全事故頻發(fā),其中大部分是由鋰離子電池的起火爆炸所導(dǎo)致。對(duì)于傳統(tǒng)鋰離子電池來(lái)說(shuō),電解質(zhì)中易分解、燃燒的有機(jī)溶劑[19]和聚合物隔膜材料是影響安全性的重要因素。目前對(duì)于鋰離子電池安全性的解決方案主要有材料體系改性、電池組熱管理和能量管理系統(tǒng)優(yōu)化等。

用固態(tài)電解質(zhì)取代鋰離子電池體系中的電解液和隔膜以提高其安全性,被認(rèn)為是從根本上消除鋰離子電池安全隱患的重要方向。具有實(shí)用化前景的固態(tài)電解質(zhì)材料主要包括聚氧化乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和鋰鑭鋯氧等[20]。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)成本的進(jìn)一步降低,性能不斷完善,可靠性逐漸提高,其必將在電力能源行業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,為電力能源安全和高效利用提供更好的保障。