專業定制醫療鋰電池
18年專注鋰電池定制
機器人電池定制
低溫鋰電池

儲能電池應用場景與未來發展技術探討

鉅大LARGE  |  點擊量:53次  |  2020年07月09日  

摘要
“潔能+儲能+智能”是能源互聯網的發展方向,未來清潔能源和智慧能源的發展離不開儲能的環節。2017年是中國儲能元年,《關于促進儲能技術與產業發展指導意見》的出臺,標志著儲能春天的來臨。盡管初春的氣候乍暖還寒,但儲能產業已經開始萌芽、開花。儲能項目尤其是儲能電池項目,在發電側、電網側、用戶側、微電網、通信儲能、應急電源等領域,目前正如雨后春筍般地快速涌現,儲能的春天已經到來。

潔能+儲能+智能是能源互聯網的發展方向,未來清潔能源和智慧能源的發展離不開儲能的環節。2017年是我國儲能元年,《有關促進儲能技術與產業發展指導意見》的出臺,標志著儲能春天的來臨。盡管初春的氣候乍暖還寒,但儲能產業已經開始萌芽、開花。儲能項目尤其是儲能電池項目,在發電側、電網側、用戶側、微電網、通信儲能、應急電源等領域,目前正如雨后春筍般地快速涌現,儲能的春天已經到來。


儲能技術包括物理儲能(抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、海水儲能、超導儲能)、化學儲能(儲氫、儲碳)、電化學儲能(電池儲能、超級電容儲能)和儲熱蓄冷等四大類型。在各類儲能技術中,電池儲能是發展最快、最受關注的儲能技術方向。截至2017年底,全球電池儲能項目總計投運1210.3MW,累計規模首次步入GW時代。


一、儲能電池應用場景


(1)可再生能源并網


可再生能源發電的間隙性和易變性,以及滲透率的不斷提高,對現有電網系統的正常運行和調度提出了嚴峻的挑戰。近年來,為了盡可能利用更多的可再生能源和提高電網運行的可靠性和效率,各種儲能技術研究及工程示范項目得以快速發展。大容量電池儲能技術應用于風電、光伏發電,能夠平滑功率輸出波動,降低其對電力系統的沖擊,提高電站的跟蹤計劃出力的能力,為可再生能源電站的建設和運行供應備用能源。


(2)電網輔助服務


電網輔助服務分為容量型和功率型服務,容量型服務如電網調峰、加載跟隨和黑啟動等,儲能規模需達到一定體量,一般1~500MW之間,放電時間大于1小時;功率型服務如調頻輔助和電壓支持,要電池在短時間內(分鐘級別)有較大的功率或電壓輸出。儲能電池技術在提高電網調頻能力方面,可以減小因頻繁切換而造成傳統調頻電源的損耗;在提升電網調峰能力方面,根據電源和負荷的變化情況,儲能系統可以及時可靠地響應調度指令,并根據指令改變其出力水平。


(3)電網輸配


儲能電池系統可以改善配電質量和可靠性。當配網出現故障時,可以作為備用電源持續為用戶供電;在改善電能質量方面,作為系統可控電源對配電網的電能質量進行治理,消除電壓暫降、諧波等問題,同時降低主干網絡擴容投入,節約擴容資金。


(4)分布式及微網


微電網系統要求配備儲能裝置,并要求儲能裝置能夠做到以下幾點:1)在離網且分布式電源無法供電的情況下供應短時不間斷供電;2)能夠滿足微網調峰需求;3)能夠改善微網電能質量;4)能夠完成微網系統黑啟動;5)平衡間歇性、波動性電源的輸出,對電負荷和熱負荷進行有效控制。儲能電池系統具有動態吸收能量并適時釋放的特點,作為微電網必要的能量緩沖環節,它可以改善電能質量、穩定組網運行、優化系統配置、保證微電網安全穩定運行。


(5)用戶側


用戶側儲能重要包括工商業削峰填谷及需求側響應。電池結合電力電子技術能夠為用戶供應可靠的電源,改善電能質量;并利用峰谷電價的差價,為用戶節省開支。


(6)電動汽車VEG模式的供能系統


新能源汽車產業的發展必須與儲能產業協同發展。為了滿足未來電動汽車安全快充的需求,有必要建立類似加油站的分布式能量站,能量站安裝有低成本、長壽命的兆瓦級儲能電池,可從電網充電儲存電量后,給電動汽車快速充電;同時,能量站還能夠與電網互動,用于電力調峰或調頻。


二、儲能電池的類型


儲能應用場景的復雜性決定了儲能電池技術的多元化發展方向。針對特定場景選擇合適的儲能電池技術進行應用將是未來很長時間內儲能市場的主旋律,未來新型儲能電池技術的研發方向也應遵循這一規律,針對特定場景放大其優點以獲得未來商業化應用的可能。


表征儲能電池的性能有許多特點參數,其中最為重要的是電池的功率特性和容量特性。因此,可以根據不同儲能應用場景關于電池功率容量比值(W:Wh,簡稱C)的不同要求,大致將儲能電池分為三種類型:容量型(≤0.5C)、能量型(≈1C)和功率型(≥2C)。比值越大,代表電池的功率密度越高,但容量密度會低一些,單位容量的價格會更高些。


例如,電力調峰、離網型光伏儲能或用戶側的峰谷價差儲能,一般要儲能電池持續充電或持續放電兩個小時以上,因此適合容量型電池的應用;關于電力調頻或平滑可再生能源波動的儲能場景,則要儲能電池在秒級至分鐘級的時間段快速充放電,所以比較適合功率型電池的應用;而在一些同時要承擔調頻和調峰的應用場景,能量型電池會更適合些,當然,這種場景下也可以將功率型與容量型電池配合一起使用。


在目前各類儲能電池中,液流電池和鋰漿料電池屬于典型的容量型電池,鋰離子電池中的鈦酸鋰離子電池則是一類典型的功率型電池,這是由上述電池的本質屬性決定的,難以改變。其它種類的電池,可以通過更改電池材料和工藝,進行某種程度的屬性調整,以適應不同的儲能應用場景。


三、儲能電池的技術內涵


未來針對電力調峰儲能的大容量電池和電力調頻儲能的大功率電池還有待技術的創新突破。儲能電池技術內容重要包括六個方面:材料技術、結構技術、制造技術、應用技術、修復技術和回收技術。


(1)材料技術


電池核心材料包括正極材料、負極材料和電解質材料,附屬材料還包括隔膜、集流體和電池殼體材料等。在過去的三十年里,鋰離子電池材料的研發重要集中在提升材料的能量密度、循環壽命和安全性能,開發低成本的材料制備技術;液流電池材料的研發重要集中在電解液和隔膜材料的改性。2006年鉛酸電池領域開始了負極鉛膏中碳材料添加劑的選擇與改性,以發展儲能用長壽命鉛炭電池。


縱觀儲能電池技術的研究歷史,雖然材料的進步能夠帶來電池性能的顯著改善,但能夠有實際效果的材料創新進程其實非常緩慢。尤其是實驗室論文報道的材料性能,并不等同于實際電池的性能,兩者之間往往有相當的差距。因此電池材料雖然很關鍵,但并不是電池技術研究的全部。目前儲能領域技術工程類項目的立項過于看重了實驗室的材料論文研究工作,忽視了與實際應用場景的對接,造成了科研工作與產業發展需求之間較大的脫節,應予以足夠重視。


(2)結構技術


并非所有的電池都可以稱為儲能電池,系統功率在1KW量級以上的,可以稱為儲能電池;系統功率≥1MW,用于儲能電站的電池稱為電力儲能電池。


儲能電池結構技術包括電池單體內部結構技術和外部系統結構技術。與小型的消費類電子產品用電池不同,儲能電池的結構更為復雜,具有系統串并聯的要求和大功率大容量的特點。


現有儲能和動力鋰離子電池是由手機電池等微小型鋰離子電池發展而來的,無論是圓柱型還是方型電池,從內部結構來看,所有類型的鋰離子電池內部采用的都是粘接的薄膜電極結構,這給儲能用鋰離子電池性能一致性的設計帶來了根本性的結構難題。另外,當電池報廢回收時,只能把粘接電極全部粉碎,內部破碎的鋁箔、銅箔材料以及Co、Li元素等要重新用冶金方式回收,導致回收成本高,并存在酸堿廢液污染處理的風險。因此,儲能用鋰離子電池的結構設計有必要借鑒融合鉛酸電池、液流電池等大型電池的結構思路,由容易出問題的嬌小富貴轉變為安全可靠的傻大笨粗,從而適合大電流大功率的儲能應用場景。


未來大型儲能電池的研發還要考慮電池內部結構與外部結構的融合設計。關于電力儲能而言,應用端客戶關心的是系統成本、系統效率、系統壽命和系統安全性,而不關心單體電池的能量密度或單體電池的循環壽命。因此,作為電池技術研發端,應主動考慮單體內部與系統外部結構的創新融合,通過內部結構的顛覆設計,減輕外部系統面對的成本和安全性壓力。這將是未來儲能電池結構技術研究的一個重要方向。


(3)制造技術


儲能電池制造技術與電池結構設計密切相關。儲能電池系統的串并聯特性要求電池必須具備較好的一致性,因此生產工藝的智能管控尤為重要。如何用低成本的裝備和工藝制造高性能的儲能電池?這是一個矛盾問題,也是目前儲能電池制造技術開發的關鍵問題。


現有的鋰離子電池生產工藝是從過去磁帶制造工藝過渡而來的,以適應電池薄膜涂覆極片的精度要求,加之電池產品型號五花八門,缺乏規范,導致了電池生產過程的材料利用率低、產品合格率低、設備運轉率低、制造成本高。因此,未來要結合電池結構的顛覆設計,從根本上降低儲能電池生產工藝的復雜度和生產設備的參數要求,同時推進大數據、物聯網技術與儲能電池生產設備和制造工藝的融合發展,通過智能制造升級,規范制造工藝標準,嚴格控制產品質量,提高產品終檢效率,降低儲能電池的制造成本。


(4)應用技術


儲能電池應用技術重要指BMS、pCS和EMS。BMS(電池管理系統)是電池本體與應用端之間的紐帶,重要對象是二次電池,目的是提高電池的利用率,防止電池出現過度充電和過度放電。pCS(電池儲能系統能量控制裝置)是與儲能電池組配套,連接于電池組與電網之間,把電網電能存入電池組或將電池組能量回饋到電網的系統。EMS(能量管理系統)是現代電網調度自動化系統總稱,包括:計算機、操作系統和EMS支撐系統、數據采集與監視、自動發電控制與計劃、網絡應用分析。


目前很多儲能示范項目的落地是由電池生產供應商與電網公司直接對接,并且缺乏責任認定標準和應用技術標準,這給后期的系統運維和可能的事故認定帶來難題。未來應該會出現以應用技術開發為核心的獨立的儲能電池系統應用服務商,負責儲能系統的設計規劃、租賃運維和報廢回收,并與保險公司合作,承諾負責系統的使用壽命和運行安全。


(5)修復技術


儲能電池的修復技術包括電池系統的電氣維修技術和在線再生技術。前者包括環境腐蝕修護、電氣絕緣老化檢測、電連接檢測、溫度壓力傳感維護和電池巡檢技術等,后者是針對新型儲能鋰離子電池提出的新的技術方向。因為理論上講,除了電池活性顆粒內部晶格紊亂問題以及集流體的腐蝕脫落問題,儲能鋰離子電池的其它界面問題都有可能通過在線再生的方式進行維護延壽。當電池使用一段時間后,可以通過正負極材料表面SEI膜原位修復、電解液的補充和更換等方式對電池性能進行再激活,延長儲能鋰離子電池的實際日歷使用壽命。例如,鋰漿料電池的漿料厚電極形態賦予了其在使用期進行在線再生的可能性。


(6)回收技術


任何電池都有使用壽命的期限。消費類小型電池目前國內的使用總量有幾億只,且大多數體積較小,廢電池利用價值較低,加上使用分散,絕大部分被當作生活垃圾處理,存在污染隱患。報廢后的儲能電池不可能像消費類小型電池相同丟棄于環境中,必須做回收再生處理。


儲能電池的回收技術包括廢舊電池的更換處理技術、安全運輸技術、回收處理技術和資源再利用技術。目前,鉛酸電池的回收再生技術比較成熟,但存在不規范回收環節的污染風險。鋰離子電池的回收流程和技術還不成熟,要與材料技術和結構技術相結合,發展方便回收再生的新型儲能電池技術,在產品設計方面加以創新改進,從生產端提前考慮電池回收處理的環節,以實現儲能鋰離子電池產業的資源可持續發展,這一點具有重要的戰略意義。


四、儲能電池技術發展目標


儲能的春天已經來臨,但產業蓬勃發展的夏季還遠未到來,各類儲能技術已經開展商業或示范應用,在應用中展現了儲能的優勢,也逐漸暴露了一些問題,尤其是電池儲能技術,距離低成本、長壽命、高安全、易回收的發展目標還有很長的路要走,有待創新與突破。


(1)低成本


狹義的儲能電池成本僅包括一次(采購)成本,廣義的儲能電池成本還包括二次(使用)成本和三次(回收)成本。


其中,一次成本包括電池的材料成本和生產制造成本。在材料成本下降空間有限的情況下,通過電池結構技術的顛覆設計,簡化電池生產工藝,降低制造成本和人力成本,將會是新型儲能電池重要的降成本方向。


二次成本與電池使用壽命息息相關。要結合材料技術和結構技術,發展新型修復再生技術,提升電池使用壽命,降低容量型電池的度電成本和功率型電池的頻次成本。


三次成本重要指電池的回收成本。目前儲能電池的回收再生環節若要做到完全符合環保標準的要求,成本還是非常高的,要有創新的回收再生思路,降低電池的三次成本。


儲能電池技術成本降低可以分為以下四個目標階段。當前目標:開發非調峰功能的儲能電池技術和市場,例如調頻儲能電池和移動儲能電池;短時間(5-10年)目標:低于峰谷電價差的度電成本;中期(10-20年)目標:低于火電調峰和調度的成本;長期(20-30年)目標:低于同時期風光發電的度電成本。


電池儲能輔助AGC調頻會先于調峰儲能發展起來。未來只有當儲能電池應用成本低于火電調峰成本后,儲能電池系統才可能作為重要補充得以規模發展,并納入到電網的調峰調度系統。


(2)長壽命


一般來說,關于消費類小型電池(如手機電池),3至5年的使用壽命足以滿足電子產品的壽命要求,但目前還是希望電池單次充電后的待機時間能夠更長一些,因此關于電池的能量密度有著更高的直接的需求。然而關于電力儲能電池,基本上都要求十年乃至二十年以上的日歷使用壽命。因此,提升儲能電池的日歷使用壽命尤其重要。


電池循環次數壽命是日歷使用壽命的基礎,但并不等同于電池的實際日歷使用壽命。因為從熱力學角度來說,電池系統是一個高度非平衡的化學體系,在漫長的循環使用歲月中,還存在不可逆的體相和界面的化學變化,導致電池內阻的新增和容量的衰減。目前,還缺乏合適的加速老化實驗標準能夠對應電池實際的日歷衰減變化。未來除了要建立相關測試標準以外,還要開發創新的在線修復再生技術,提升儲能電池的日歷使用壽命,滿足實際儲能的工況要求。


(3)高安全


儲能電池的安全性非常重要。相對而言,水系電池如液流電池、鉛酸電池等安全性較好,能夠滿足儲能電站的安全性要求,但也要嚴格控制電池的充電截止電壓,以防止水溶液過壓電解后的析氫爆炸;有機系鋰離子電池的安全性問題較為突出,目前總體而言處于安全及格線上下的水平,有待技術突破;固態電池不含易燃的電解液,因此具有最高的安全性,在未來實現量產后有可能會首先應用到高安全要求的某些特殊場景。當然,固態電池要規模應用于電力儲能,在降本增壽方面還有相當的困難要克服。另外,固態電池的回收處理也是一大難題。


防止電池(內部或外部)短路的安全預防技術以及在電池短路發生后的應急維護技術是儲能電池安全技術發展的重要方向。僅僅通過外部滅火裝置進行儲能鋰離子電池的安全保護,是遠遠不夠的,未來必須開發顛覆性的電池結構技術和安全維護技術,從電池內部徹底解決電池的安全問題,確保儲能電池的安全運輸和儲能電站的安全運行。


(4)易回收


資源的循環再生利用將是儲能電池未來規模應用面對的最大挑戰。儲能電池要達到易回收的目標有三點基本要求:1、電池回收過程符合安全和環保標準;2、稀有貴金屬元素做到接近100%的再生利用;3、電池有一定回收殘值。


現在示范應用的儲能鋰離子電池系統基本上沒有考慮到未來電池報廢后的回收處理環節。更為嚴重的是,目前電池界廣泛存在一種錯誤的觀念,認為報廢鋰離子電池富含各類有價值的貴金屬,因此根本不用擔心回收處理的問題。


本文作者了解到的實際情況是,報廢電池的價值與環保之間存在較為嚴重的沖突和矛盾,現有儲能鋰離子電池的材料體系選擇和電池結構設計,使得完全符合環保要求的有價值的回收處理工作非常困難。因此,有必要開展細致的儲能電池全產業鏈污染分析和環保評估,引導儲能電池技術創新的環保發展方向,以促進產業的健康可持續發展。


五、結語


可再生能源+儲能是新能源發展的必然選擇,而儲能應用場景的復雜性決定了儲能電池技術的多元化發展方向。未來針對電力調峰儲能的大容量電池和電力調頻儲能的大功率電池還有待技術的創新突破。儲能電池包括六大技術內涵:材料技術、結構技術、制造技術、應用技術、修復技術和回收技術。其中,電池材料是基礎,但不是儲能電池技術研究的全部。建議以后基礎探索類項目可以偏重于新材料的研究,而技術工程類項目則應重視其它非材料技術方面的立項突破,在已有商業及示范儲能電站的相關經驗基礎上,圍繞低成本、長壽命、高安全、易回收的總體目標,發展各類容量型峰谷儲能電池、功率型調頻儲能電池和能量型復合儲能電池,與其它類型儲能技術配合,支撐儲能產業的快速發展。


聲明: 本網站所發布文章,均來自于互聯網,不代表本站觀點,如有侵權,請聯系刪除(QQ:378886361)

點擊閱讀更多 v
立即咨詢
鉅大精選

鉅大核心技術能力

山东群英会选号