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储能技术应用前景广泛
来源: | 作者:kaixinda | 发布时间: 2016-05-12 | 3458 次浏览 | 分享到:
储能是智能电网、可再生能源接入、分布式发电、微电网以及电动汽车发展必不可少的支撑技术,可以有效地实现需求侧管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷,可以提高电力设备运行效率、降低供电成本,还可以作为促进可再生能源应用,提高电网运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。智能电网的构建促进储能技术升级、推动储能需求尤其是大规模储能需求的快速增长,从而带来相应的投资机会。

  随着储能技术的大量应用必将在传统的电力系统设计、规划、调度、控制方面带来变革。储能技术关系到国计民生,具有越来越重要的经济价值和社会价值,目前储能在中国的发展刚刚起步。国家应该尽快研究储能技术的相关产业标准,加强储能技术基础研究的投入,切实鼓励技术创新,掌握自主知识产权;从规模储能技术发展起始阶段就重视环境因素,防治环境污染;充分发挥储能在节能减排方面的作用,把对新能源的鼓励政策延伸到储能环节。

  近年来,我国电网峰谷差逐年增大,多数电网的高峰负荷增长幅度在10%左右,甚至更高。而低谷负荷的增长幅度则维持在5%甚至更低。峰谷差的增加幅度大于负荷的增长幅度,在电网中引入储能系统成为了实现电网调峰的迫切需求。

  储能技术拥有广泛的应用前景,但实现规模化储能当前仍是一个世界性难题。目前,我国约有40个储能示范项目,而规模在1000千瓦级的项目为数不多。这些储能项目多起到示范、探索性作用,并不具备产业化意义。

  储能产业的发展机遇

  由于我国的能源中心和电力负荷中心距离跨度大,电力系统一直遵循着大电网、大电机的发展方向,按照集中输配电模式运行,随着可再生能源发电的飞速发展和社会对电能质量要求的不断提高,储能技术应用前景广阔。储能技术主要的应用方向有:风力发电与光伏发电互补系统组成的局域网,用于偏远地区供电、工厂及办公楼供电;通信系统中作为不间断电源和应急电能系统;风力发电和光伏发电系统的并网电能质量调整;作为大规模电力存储和负荷调峰手段;电动汽车储能装置;作为国家重要部门的大型后备电源等。随着储能技术的不断进步,安全性好、效率高、清洁环保、寿命长、成本低、能量密度大的储能技术将不断涌现,必将带动整个电力行业产业链的快速发展,创造巨大的经济效益和社会效益。

  国家电网公司近期确定的智能电网重点投资领域中包括了大量储能应用领域,如发电领域的风力发电和光伏发电中应用储能技术项目,配电领域储能技术,电动汽车充放电技术等。无论是风电还是太阳能发电,其自身都具有随机性和间歇性特征,其装机容量的快速增长必对电网调峰和系统安全带来不利影响,所以,必须要有可靠的储能技术作为支撑和缓冲。先进储能技术能够在很大程度上解决新能源发电的波动性问题,使风电及太阳能发电大规模的安全并入电网。

  并网逆变器作为光伏电池与电网的接口装置,将光伏电池的直流电能转换成交流电能并传输到电网上,在光伏并网发电系统中起着至关重要的作用。并网逆变器性能对于系统的效率、可靠性,系统的寿命及降低光伏发电成本至关重要。

  储能技术发展有利于推进风电就地消纳,在当前产业梯度转移的大背景下,可考虑在大型风电基地附近布局供热、高耗能产业,同时加快建立风电场与这些大电力用户和电力系统的协调运行机制。国家电网近期确定的智能电网重点投资领域中包括了大量储能应用:发电领域如风光并网及储能项目,配电领域如储能技术、电动汽车充电和配电自动化等。

  根据国家关于新能源产业的规划,预计到2020年,国家将累计投资3万亿元大力发展可再生能源。届时,我国可再生能源在全部能源消费中将达到15%。按照市场普遍预期,2020年我国电力装机达到1500GW,风电占比10%,即150GW。配套储能装置的功率按照风电装机容量的15%计算,约为22.5GW。如果储能装置单位千瓦造价按照4000元/kW计算,至2020年的10年间,储能市场规模约为900亿元。

  中国可再生能源协会提供的数据显示,截至2011年年底,中国有47000MW的风电装机,目前只有大约有20%的风电机组解决了并网的问题,但如果以20%的比例全部配备储能则需要安装9400MW的储能,即使按照每兆瓦2000万元的工程成本计算,需要一次性投入1880亿元。

  这是一笔庞大的投资,但这笔投资无论如何都得考虑其经济性。目前的锂离子电池寿命一般为5年,摊薄至每年的投资接近400亿元。倘若这个配备比例提高10个百分点,则摊薄至每年的投资将达到600亿元,况且这还不算每年新增的风电规模机组和其他可再生能源。

  储能技术在智能电网中的作用

  优质、自愈、安全、清洁、经济、互动是我国智能电网的设定目标,储能技术尤其大规模储能技术具备的诸多特性得以在发电、输电、配电、用电4大环节得到广泛应用,储能技术是构建智能电网及实现目标不可或缺的关键技术之一。

  储能技术在电力系统稳定中的作用。储能技术的应用可以改变传统电力系统稳定控制的思维方式,从一个新的角度认识电力系统的稳定性问题,并寻求一种可能会彻底解决电力系统稳定性的方法。在传统的电力系统中,任何微小扰动引起的动态不平衡功率都会导致机组间的振荡,而只要储能装置容量足够大而且响应速度足够快,就可以实现任何情况下系统功率的完全平衡,这是一种主动致稳电力系统的思想。由于这种与储能技术相关的稳定控制装置不必和发电机的励磁系统共同作用,因此,可以方便地使用在系统中对于抑制振荡来说最有效的部位。同时,由于这种稳定控制装置所产生的控制量可直接作用于导致系统振荡的源头,对不平衡功率进行精确的补偿,可以较少甚至不考虑系统运行状态变化对控制装置控制效果的影响,因此装置的参数整定非常容易,对于系统运行状态变化的鲁棒性也非常好。

  储能技术在新能源发电中的作用。化石能源供应不足已成为全球经济发展的瓶颈。同时,使用化石能源造成的环境污染问题已受到全球的高度重视,积极开发新能源和储能技术,减少人类对化石能源的依赖,已成为业界和科技界研究的热门课题。在可再生能源中,风能和太阳能因来源丰富、取之不尽、用之不竭,并在利用过程中无环境污染或污染很小而特别引起关注,但风能和太阳能存在间歇性、不稳定性和不可控性等缺陷,为保证其供电的均衡性和连续性,储能装置成为风力发电、光伏发电系统的关键配套部件。因此,在利用太阳能和风能的同时,必须重视储能技术的开发。近年来,特别是在!中华人民共和国可再生能源法?出台之后,我国风力发电和光伏发电产业发展迅速,但大规模发展新能源仍存在技术瓶颈,主要是风力发电、光伏发电的并网技术、发电的间歇性问题需要成熟的储能技术加以解决。因此,在新能源装机容量提升的同时,必须同步提升储能容量,有效地改善其电能输出质量。

  储能技术在分布式发电中的作用。当今社会对电力供应的质量与安全可靠性要求越来越高,传统的大电网供电方式由于自身的缺陷已经不能满足这种要求。目前,大电网与分布式发电相结合被世界上很多能源电力专家公认为是能够节省投资、降低能耗、提高电网安全性和灵活性的主要方法,是21世纪电力工业的发展方向。

  分布式发电是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的配置较小的发电机组,以满足特定用户的需要或支持现存配电网的经济运行。分布式发电包括微型燃气轮机发电、燃料电池储能、可再生能源如太阳能和风力发电等。基于电网稳定性和经济性考虑,分布式发电系统要存储一定数量的电能,用以应付突发事件。现代储能技术已得到了一定程度的发展,在分布式发电中已经起到了重要作用,可以改善电能质量、维持电网稳定;在分布式电源不能发电期间向用户提供电能。

  储能技术在电动汽车中的作用。电动汽车以电能为动力,能够实现运行时零排放、低噪音,是解决能源和环境问题的重要手段。坚强智能电网的建设将大大促进电动汽车的发展,包括建成完善的电动汽车配套充放电基础设施网络,形成科学合理的电动汽车充放电站布局,充放电站基础设施满足电动汽车行业发展和消费者的需要,电动汽车与电网的高效互动得到全面应用。与传统燃油汽车相比,电动汽车还存在充电时间长、续驶里程短、使用成本高等一系列问题。其中储能技术是阻碍电动汽车产业发展的主要瓶颈,储能技术的发展必将带动电动汽车产业的更大发展。

  储能技术原理和运行模式

  储能的基本原理是,储能技术通过功率变换装置,及时进行有功/无功功率吞吐,可以保持系统内部瞬时功率的平衡,避免负荷与发电之间大的功率不平衡,维持系统电压、频率和功角的稳定,提高供电可靠性;可以改善电能质量,满足用户的多种电力需求,减少因电网可靠性或电能质量带来的损失;可以利用峰谷电价有效平衡负荷峰谷,减少旋转备用,实现用能的经济性,提高综合效益;此外,储能还可以协助系统在灾变事故后重新启动与快速恢复,提高系统的自愈能力。

  就目前的储能技术发展水平看,单一的储能技术很难同时满足能量密度、功率密度、储能效率、使用寿命、环境特性以及成本等性能指标,如果将两种或以上性能互补性强的储能技术相结合,组成复合储能,则可以取得良好的技术经济性能,基于这种认为,有专家提出将飞轮储能与抽水蓄能电站结合起来,或许能解决未来的储能难题。

  尽管已经出现了各种各样的储能模式,如果不考虑其经济性的话,飞轮储能和抽水蓄能似乎已经普遍被业界所接受。在各种储能技术中,飞轮储能是能量密度、功率密度、使用寿命等技术性能结合得非常好的一种储能技术,在很多应用中都具有优势。

  飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转,将电能转化成动能储存起来,在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。飞轮储能的研究主要着力于研发提高能量密度的复合材料技术和超导磁悬浮技术。其中超导磁悬浮是降低损耗的主要方法,而复合材料能够提高储能密度,降低系统体积和重量。截止2012年我国还没有100千瓦、1万转以上的飞轮储能电机。

  飞轮储能技术是一种新兴的电能存储技术,它与超导储能技术、燃料电池技术等一样,都是近年来出现的有很大发展前景的储能技术。虽然目前化学电池储能技术已经发展得非常成熟,但是,化学电池储能技术存在着诸如充放电次数的限制、对环境的污染严重以及对工作温度要求高等问题。这样就使新兴的储能技术越来越受到人们的重视。尤其是飞轮储能技术,已经开始越来越广泛地应用于国内外的许多行业中。

  抽水蓄能电站利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库,在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站。又称蓄能式水电站。它可将电网负荷低时的多余电能,转变为电网高峰时期的高价值电能,还适于调频、调相,稳定电力系统的周波和电压,且宜为事故备用,还可提高系统中火电站和核电站的效率。

  抽水蓄能电站是目前最成熟的,应用最广泛的大规模储能技术,具有容量大,寿命长(经济寿命约50年),可为电网提供调峰、填谷、调频、事故备用等服务,其良好的调节性能和快速负荷变化响应能力,对于有效减少新能源发电输入电网时引起的不稳定具有重大意义。

  但是,抽水蓄能电站其自身的劣势也暴露无疑,其选址需要有水平距离小、上下水库高度差大的地形条件,岩石强度高、防渗性能好地质条件,以及充足的水源保证发电用水的需求。另外还有上、下水库的库区淹没问题,水质的变化以及库区土壤盐碱化等一系列环保问题需要考虑。

  另外还有电池储能,储能蓄电池主要是指使用于太阳能发电设备和风力发电设备以及可再生能源储蓄能源用的蓄电池。储能不仅能保证在最上游的发电环节接入的新能源电力是持续而且稳定的;在能源的使用端,白天和黑夜的巨大需求差异也需要储能削峰填谷;而新增加的电动车,有专家表示,如果中国现有车辆全部转换为电动车,将等于重建一个国家电网系统,简直是灾难性的投入。最理想的状态下,电动车应不仅能作为能量的吸取方,也可将电力输送回电网以调节峰谷,这可大大减少电网为了平衡负荷增加过多的建设。在终极能源版图里,储能将成为一种分布式、智能可控能源格局里基石。而现在,储能只不过占装机总量的不到2%。这显然意味着在上述3个方面,储能蕴藏这巨大的商业机会

  储能项目经济性难题的根源在于缺乏储能电池关键性材料的研发技术,从而导致储能电池的成本居高不下。以国内主流储能电池如锂电池和全钒液流电池来说,核心材料都依赖大量进口,价格高昂。锂电池隔膜进口依赖度达到80%以上,电解质的核心材料六氟磷酸锂的进口依赖程度更是高达80%~90%;全钒液流电池的核心部件全氟离子交换膜则全部靠进口,此膜材料一度占钒电池成本比重的50%。

  显然,实现储能材料加工利用的技术突破、降低储能电池的成本,是储能实现产业化的关键。对此,笔者有两点建议:一是相关研究机构和企业要重视储能材料关键性技术的研发,加强储能技术基础性研究,掌握核心技术;二是国家要加大储能技术知识产权的保护力度,出台相应的优惠政策,更重要的是制定明确的中长期产业发展规划。

  储能产业所面临的挑战

  作为智能电网、电动汽车和可再生能源发展的关键环节,储能产业的发展引起投资者的高度关注。目前,我国储能技术“门派众多”,正处于产业化的初始阶段。

  然而我国储能处于初级发展阶段,无法大规模的投入应用,一是各种储能技术繁多,多数人不知如何使用和选择;二是相关技术及性能不成熟;三是价格偏高。与国际上较为先进的国家相比,我国储能市场没有建立起相关产业链,仍处于“一窝蜂”上马的状态。从国家政策层面而言,在储能方面的投入有所不足。

  从短期发展来看,储能材料本身还没有完美的答案。从电网的调度和储能来说,存在产能和储能地区问题。因此,需要在储能发展路线、材料、技术方面有所突破,需要在效率、成本和安全问题上有所突破。

  其一是经济性难题。储能本身是一个产业,但目前的成本居高不下也是影响储能大规模发展的一个主要因素。当前阶段大多处于示范工程的储能工程是由社会性代替经济性,必然会出现推广难的问题,其关键材料、制造工艺和能量转化效率也是各种技术面临的共同挑战。

  其二是应用性难题。由于储能在电力系统的应用时间短,尤其目前尚未在电网系统大规模应用,其抽水蓄能电站也仅是试验示范工程。电力行业对产品可靠性要求高,传统上至少需要5年以上的实地可靠性测试和试用才能通过电力用户的最低标准,导致产品规模生产前定型周期长;储能产品的方案设计成熟度、可靠性与一定的规模化直接相关。基于上述这种实际,要想在短期内大规模推广储能不太现实,但目前紧锣密鼓发展的智能电网急需解决储能这个关键难题,因此应用性是首当其冲的考验。

  其三是政策性难题,储能由于发电、输电、配电和售电等电力系统环节整体受益,但目前尚未出现主导环节,势必导致利益分配不公。由于储能的经济价值难以计算,如果由政府主导,其实施企业则会出现积极性不高等各种问题。因此,如何选择适用的储能技术、如何在电力系统中进行规模应用、如何建立行业机制,这也是国家相关主管部门和企业共同协商制定储能产业政策需要考虑的核心问题。

  中国科学院大连化学物理研究所研究员张华民也指出,随着可再生能源的普及应用、电动汽车产业的发展及智能电网的建设,各种储能技术都面临巨大挑战和前所未有的发展机遇。

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