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應(yīng)用設(shè)計(jì)

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科普課堂 | 儲(chǔ)能知識(shí)知多少--基礎(chǔ)篇

科普課堂 | 儲(chǔ)能知識(shí)知多少--基礎(chǔ)篇

何為儲(chǔ)能

儲(chǔ)能技術(shù)是指利用化學(xué)或者物理的方法將一次能源產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)起來(lái)。并在需要時(shí)釋放。包括能量和物質(zhì)的輸入和輸出、能量的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存設(shè)備。

簡(jiǎn)單講就是把發(fā)的電存起來(lái),等到要用的時(shí)候再用。而電從生產(chǎn)出來(lái)到,到最后使用,大概經(jīng)過(guò)的流程是:生產(chǎn)電(發(fā)電廠,電站)---傳輸電(電網(wǎng)公司)----使用電(用戶)。

建立儲(chǔ)能的三個(gè)環(huán)節(jié)

1、發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能

發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能對(duì)應(yīng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”的“源”。發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式為:生物發(fā)電、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電等搭配儲(chǔ)能系統(tǒng)使用。

風(fēng)能、光伏、水力等發(fā)電具有間歇性、波動(dòng)性的特點(diǎn),輸出電能原始功率也一樣,無(wú)法直接并入電網(wǎng)使用,只有用儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行平抑后,才可輸入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng),獲得盈利。

2、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能

電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能對(duì)應(yīng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”的“網(wǎng)”。電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能可直接用于電腦、手機(jī)、冰箱等用電設(shè)備。

電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能代表是抽水蓄能,截止至2021年,全球電力儲(chǔ)能市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)規(guī)模的86.2%是抽水蓄能。其商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式為:抽水蓄能電站部分容量由新能源業(yè)主支付租金換取,剩下部分參與市場(chǎng)交易。

3、用戶側(cè)儲(chǔ)能

用戶側(cè)儲(chǔ)能對(duì)應(yīng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”的“荷(儲(chǔ))”。用戶側(cè)儲(chǔ)能包括家庭儲(chǔ)能、工商業(yè)儲(chǔ)能、儲(chǔ)能充電樁等,針對(duì)的客戶是用電方。

用戶側(cè)儲(chǔ)能主要在歐洲、美國(guó)、澳大利亞等人口稀少、地幅廣大、國(guó)家電網(wǎng)難以覆蓋的地方需求巨大。在我國(guó),近兩年受政策激勵(lì),增長(zhǎng)速度較快。

主要技術(shù)路線

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儲(chǔ)能類(lèi)型

氫儲(chǔ)能

基本原理:是將水電解得到氫氣并儲(chǔ)存起來(lái),當(dāng)需要電能時(shí)將儲(chǔ)存的氫氣通過(guò)燃料電池或其他方式轉(zhuǎn)換為電能輸送上網(wǎng)。電解水制氫需要大量電能,成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)制氫方式,但因?yàn)榭稍偕茉床⒕W(wǎng)的不穩(wěn)定性,我國(guó)具有嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光問(wèn)題,利用風(fēng)電、光伏產(chǎn)生的富余電能制氫可以有效的解決電解水制氫的成本問(wèn)題,并解決風(fēng)光電的消納,因此氫儲(chǔ)能正逐漸成為我國(guó)能源科技創(chuàng)新的焦點(diǎn)。

問(wèn)題:但目前我國(guó)缺少方便有效的儲(chǔ)氫材料和技術(shù),且氫儲(chǔ)能能量轉(zhuǎn)換效率較低,因此目前應(yīng)用較少,能否解決這兩方面的問(wèn)題將成為氫儲(chǔ)能未來(lái)能否獲得更多份額的關(guān)鍵。

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機(jī)械儲(chǔ)能

機(jī)械儲(chǔ)能通過(guò)物理方法對(duì)能量進(jìn)行存儲(chǔ),需要時(shí)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。機(jī)械儲(chǔ)能主要包括重力儲(chǔ)能、抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能

1、重力儲(chǔ)能

重力儲(chǔ)能介質(zhì)主要分為水和固體物質(zhì),基于高度落差對(duì)儲(chǔ)能介質(zhì)進(jìn)行升降來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過(guò)程。

除較成熟的抽水蓄能外,主流重力儲(chǔ)能方式為 Energy Vault(EV)提出的儲(chǔ)能塔,其利用起重機(jī)將混凝土塊堆疊成塔,通過(guò)混凝土塊的吊起和吊落進(jìn)行儲(chǔ)能和釋能。根據(jù) EV 官網(wǎng)信息,其儲(chǔ)能塔能源效率可達(dá) 90%,可以在 8-16 小時(shí)內(nèi)以 4-8MW 連續(xù)功率放電,實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)需求的高速響應(yīng)。

2、抽水蓄能

抽水蓄能電站包含上下兩個(gè)水庫(kù),在電力負(fù)荷低谷時(shí)利用過(guò)剩的電力抽水至上水庫(kù),高峰時(shí)將水放出,利用水從上水庫(kù)流向下水庫(kù)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能發(fā)電,從而達(dá)到調(diào)峰的作用。

抽水蓄能可以實(shí)現(xiàn)能量的大規(guī)模存儲(chǔ),因此廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)峰。但由于其響應(yīng)速度較慢,初始投資高,且受地理選址限制,因此未來(lái)發(fā)展空間有限。

3、飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能在儲(chǔ)能時(shí),電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行,電機(jī)帶動(dòng)飛輪加速轉(zhuǎn)動(dòng),飛輪以動(dòng)能的形式將能量存儲(chǔ)起來(lái);釋能時(shí),高速旋轉(zhuǎn)的飛輪拖動(dòng)電機(jī)發(fā)電,完成機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。

飛輪儲(chǔ)能比功率大,使用壽命長(zhǎng)達(dá)15-30 年,且響應(yīng)速度可以達(dá)到毫秒級(jí)。因此飛輪儲(chǔ)能主要用于調(diào)頻和 UPS。但因?yàn)槠淠芰棵芏鹊颓覀潆姇r(shí)長(zhǎng)無(wú)法超過(guò) 30 分鐘,因此無(wú)法應(yīng)用于大規(guī)模儲(chǔ)能電站。

4、壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)源于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)。用電低谷通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓縮并儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣室中,使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能以存儲(chǔ);用電高峰時(shí),高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放,進(jìn)入燃料室同燃料一起燃燒,驅(qū)動(dòng)透平做工,帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

壓縮空氣儲(chǔ)能是抽水蓄能之后另外一項(xiàng)適合 GW 級(jí)大規(guī)模電力儲(chǔ)能的技術(shù),除存儲(chǔ)能量高之外,還具有能量密度和功率密度高、運(yùn)營(yíng)成本低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),但與抽水蓄能類(lèi)似,壓縮空氣儲(chǔ)能也受地理?xiàng)l件限制,需要高氣密性的洞穴作為儲(chǔ)氣室,這也進(jìn)一步限制了壓縮空氣儲(chǔ)能的發(fā)展。

電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能即通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)完成電能和化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。目前主要應(yīng)用的儲(chǔ)能電池主要包括鉛酸蓄電池、液流電池和鋰離子電池和鈉離子電池,未來(lái)鈉離子電池隨產(chǎn)業(yè)鏈成熟也將逐步應(yīng)用于儲(chǔ)能。

一、鉛酸電池

鉛酸電池是以二氧化鉛為正極、金屬鉛為負(fù)極、硫酸溶液為電解液的一種二次電池,發(fā)展至今已有 150 多年歷史,是最早規(guī)?;褂玫亩坞姵?。

鉛酸電池的儲(chǔ)能成本低,可靠性好,效率較高,廣泛應(yīng)用于UPS,也是我國(guó)早期大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能的主導(dǎo)技術(shù)路線。但因?yàn)殂U酸電池循環(huán)壽命短、能量密度低、使用溫度范圍窄、充電速度慢,且鉛金屬對(duì)環(huán)境影響較大,鉛酸電池未來(lái)應(yīng)用將會(huì)受極大程度限制。

二、液流電池

液流電池技術(shù)路徑包括全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池等,其中,全釩液流電池綜合性能最佳、商業(yè)化程度最高。

液流電池正、負(fù)極電解液儲(chǔ)罐獨(dú)立分離,放置在堆棧外部,通過(guò)兩個(gè)循環(huán)動(dòng)力泵將正、負(fù)極電解液通過(guò)管道泵入液流電池堆棧中并持續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),通過(guò)將化學(xué)能與電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換作用來(lái)完成電能的儲(chǔ)存和釋放。液流電池功率取決于電極反應(yīng)面積大小,存儲(chǔ)容量則取決于電解液體積與濃度,故液流電池規(guī)模大小設(shè)計(jì)更為靈活多變。

我們認(rèn)為,在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能方面,全釩液流電池將具備成本優(yōu)勢(shì),較鋰電池等其他技術(shù)路徑具差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

三、鋰離子電池

鋰離子電池通過(guò)鋰離子在正負(fù)極電極材料中的嵌入和脫嵌實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)。鋰離子電池能量密度較高,壽命長(zhǎng),因此正逐漸成為電化學(xué)儲(chǔ)能的主流路線。根據(jù)正極材料的不同,鋰離子電池又分為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元電池等。

磷酸鐵鋰電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域綜合優(yōu)勢(shì)顯著,其能量密度適中,安全性、使用壽命均優(yōu)于其他電池類(lèi)型,且成本較低;鈷酸鋰電池因金屬鈷的稀缺性價(jià)格遠(yuǎn)高于其他電池,且循環(huán)壽命、安全性差,因此在儲(chǔ)能領(lǐng)域幾無(wú)應(yīng)用;錳酸鋰電池能量密度與磷酸鐵鋰電池相近,價(jià)格雖低于磷酸鐵鋰,但使用壽命低導(dǎo)致其全生命周期度電成本高于磷酸鐵鋰電池,故應(yīng)用較少;三元電池能量密度遠(yuǎn)高于其他電池類(lèi)型,使用壽命也可以達(dá)到 8-10 年,但安全性相對(duì)較差,成本遠(yuǎn)高于磷酸鐵鋰電池,因此在不需要極高能量密度的儲(chǔ)能領(lǐng)域,應(yīng)用前景弱于磷酸鐵鋰電池。

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四、鈉離子電池

鈉離子電池工作原理與鋰離子電池類(lèi)似,利用鈉離子在正負(fù)極之間嵌脫過(guò)程實(shí)現(xiàn)充放電。鈉離子電池相對(duì)磷酸鐵鋰電池安全性能、低溫性能、快充性能更高,成本更低,且鈉資源遠(yuǎn)比鋰資源豐富且遍布全球各地,若鈉離子能夠廣泛應(yīng)用,我國(guó)將很大程度上擺脫目前鋰資源受限的情況。

鈉離子電池劣勢(shì)主要體現(xiàn)在循環(huán)次數(shù)較低和產(chǎn)業(yè)鏈不成熟。目前鈉電池循環(huán)壽命普遍在 2000-3000 次,產(chǎn)業(yè)鏈不成熟則導(dǎo)致上游價(jià)格較高,鈉電池成本優(yōu)勢(shì)無(wú)法顯現(xiàn)。

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綜合而言,抽水蓄能、鋰電池、鈉電池與全釩液流電池,四者的發(fā)展空間較大。

具體來(lái)看,在大規(guī)模調(diào)峰方面,抽水蓄能具有全生命周期成本優(yōu)勢(shì),將繼續(xù)成為主流選擇;后三者則將廣泛與風(fēng)電、光伏配合使用,全釩液流電池主要用于 4 小時(shí)以上長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能,鈉電池將在大型儲(chǔ)能電站中對(duì)鋰電池形成一定替代,對(duì)能量密度敏感性較高的工商業(yè)與家用儲(chǔ)能中,鋰電池仍將占主導(dǎo)地位。

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王靜
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