儲能技術在電力系統中的應用狀況

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近年來風電、太陽能等可再生能源發展迅速,因其清潔性、無排放、可再生等優點受到推崇;但另一方面由于風、陽光受氣候條件左右,不可控,波動、間歇,甚至被有的觀點稱為垃圾電而被排斥,棄風現象大受垢病。因此在風電、太陽能發電場中引入儲能裝置,以改善電網穩定狀況、減少棄風現象,越來越受到重視。既使是在常規燃煤發電廠,為保證礦山、數據庫等特殊要求的穩定供電,提高電廠運營效率,也有引入儲能裝置的情況。

  隨著智能電網、分布式供電等新技術的推廣應用,儲能的作用進一步突現出來。我國也在張家口搞了風光儲示范,遼寧法庫風電場也建設了5MW全礬液流電池儲能裝置。在電網中建設儲能裝置可簡單比喻為電路中如只有電源、電阻(用戶),電路不夠穩定,加上電容后電路穩定性大大提高。為深入了解國際儲能技術現狀和發展趨勢,為我國儲能行業的快速發展參考,現整理匯總儲能技術在電力系統中的應用、定位和價值分析、國內外儲能應用現狀及產業政策等相關情況。

  關于各種儲能技術

  按照電力系統應用領域劃分,儲能可分為功率型儲能和能量型儲能兩種,能量型儲能主要用于高能量(電能)的調配和管理,典型應用如調峰電站;功率型儲能主要用于瞬間高功率輸入和輸出場合,典型應用如用于電網調頻。

  按照技術類型劃分,儲能技術主要包括物理儲能和化學儲能。物理儲能主要包括抽水儲能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能。前兩種儲能系統具有規模大、壽命長、安全可靠、運行費用低的優點,建設規模一般在百兆瓦級以上,儲能時長從幾小時到幾天,適用于電力系統的削峰填谷、緊急事故備用容量等應用。其中抽水儲能是目前在電力系統中應用最為廣泛的儲能方式,全球總裝機容量達127GW,占儲能總裝機容量的99%。但兩種儲能技術也都有建設的局限性。飛輪儲能具有響應速度快、轉換效率高、比功率大等優點,可以實現與電力系統的實時高功率補償,特別適合電力系統用功率型儲能技術,但目前技術未達到實用化要求,尚需要技術積累和產業配套發展。

  化學儲能包括鉛酸電池、鉛炭電池、液流電池、鈉硫電池、鋰電池和金屬空氣電池等,相比于物理儲能技術具備系統簡單、安裝便捷以及運行方式靈活等優點,建設規模一般在千瓦至百兆瓦級別,適用于電力系統分散式的儲能設備,是目前電力儲能在風電、太陽能等領域應用發展的重點。(見表1)

  在化學儲能技術中,鉛酸電池是比較成熟的技術,具有價格低廉、安全可靠等優點,但其循環壽命短、不可深度放電、運行和維護費用高等問題,使鉛酸電池只能運行在淺充淺放或備用的工況,主要作為電力系統備用電源使用。鉛炭電池是對傳統鉛酸的電極進行改良,一定程度提高了電池充放電壽命,用于電力系統備用和短時功率型工況。鈉硫電池是以金屬鈉和液態硫為活性物質,工作在300℃的高溫型蓄電池,具有儲能密度高、轉化效率高等優點,適用于電力系統調峰和調頻應用。目前鈉硫電池累計裝機約304MW,但2011年兩起著火爆炸事件使用戶關注其安全性的隱患。鋰電池具有高比功率和高轉化效率的優點,特別適用于電動汽車等移動式儲能方式,近年來在電力系統備用電源及電網調頻等方面的應用也備受關注。液流電池近些年發展迅速,其安全性好、壽命長、系統設計靈活等優點使其作為 電力系統調峰、調頻、可再生能源并網、分布式供能等儲能裝置有廣闊的空間。

  化學儲能技術適合于電力系統分散、靈活的儲能布局,目前技術的發展呈百花齊放局面,液流電池、鋰電池、鈉硫電池、鉛炭電池是目前電力系統用儲能的主流技術。高安全性、高可靠性、高性價比、高能量效率、長壽命是儲能技術的發展方向。

  關于儲能技術在電力系統中的

  應用和價值分析

  近幾年太陽能、風能等可再生能源發電在電力系統中比例逐漸增加,給現有電網的安全運行和高效調度帶來了新的挑戰,智能電網則成為推動新能源發展及保障電網安全的重要載體。儲能技術尤其大規模儲能技術是智能電網在發電、輸電、配電、用電四大環節調節電能質量、優化能源效率等主要目標的實現手段,逐漸成為構建智能電網不可或缺的關鍵環節。(見表2)

  可以看出,儲能在整個電力系統中的作用體現在“調劑、優化、提高、保障”,即調劑全系統內電能的高效和靈活分配,優化全系統設備的資源配置和利用、提高全系統的運行效率和電能質量、保障全系統穩定和安全運行。其中儲能的必要性體現在保障電網安全,實現全系統的能量管理,接納可再生能源;經濟性體現在優化設備的配置、提高全網的效率;技術先進性體現在相比于傳統調峰、調頻、旋轉備用設備來說其快速、準確的響應性和高效率等方面的突出優勢。

  當前,儲能在電力系統的細分領域應用主要包括可再生能源接入儲能、電網調峰/調頻儲能、配電側分布式儲能和用戶側分布式微網儲能幾種,儲能在這些應用中具有直接和間接經濟價值。(見表3)

  綜上,投資者(發電公司、電網運營商、用戶側)衡量儲能的價值除考慮各個應用模式下的直接收益外,更多的要衡量儲能對全系統內的綜合性價值,包括設備投資減少、運營費用降低、發電/用電效率的提高等,另外開放的電力交易也會增大儲能的市場競爭力。通過已運行的儲能示范項目積累,建立不同模式下系統經濟模型,通過產業政策全局把握,推動儲能行業的發展。

  關于化學儲能技術的應用現狀

  目前,全球在電力系統中運行的儲能設備總裝機容量達到127GW,其中99%的儲能設備為抽水蓄能技術,化學儲能技術總裝機容量約520MW,其中鈉硫電池304MW、鋰電池116MW、液流電池20MW、鉛酸電池(包括鉛炭電池)80MW。

  鈉硫電池是目前裝機規模最大的化學儲能技術,主要應用于配電網的分布式儲能,延緩負荷增長時對配網設備和線路擴容升級的投資。鋰電池和液流電池近些年技術發展很快,在電力系統中的應用逐漸增多。鋰電池的主流技術包括碳酸鋰、磷酸鋰鐵、聚合物鋰電池和錳酸鋰電池等,偏重于電力系統的功率型應用,包括調頻、調壓及波動控制等。液流電池中技術最成熟的是全釩液流儲能電池,也有研究機構在研究鐵鉻液流電池。主要是電力系統的能量型應用,包括提高可再生能源發電效率、電網調峰和分布式儲能等。鉛炭電池目前主要用于提高電網的電能質量。(見表4)

  美國、日本、歐洲和中國的電力系統中化學儲能的應用處于領先水平。日本是高度城市化的國家,用電峰谷負荷差異大,電網用于擴容的投資巨大,儲能的作用是提高電網的利用效率、延緩擴容升級投資以及家用備用電源等;美國的電力交易商業化市場程度較高,儲能的應用主要是針對分布式微網及電力調頻應用。中國和歐洲的可再生能源發展迅速,儲能主要作用是加強現有電網接納可再生能源的能力。

  液流電池、鋰電池和鈉硫電池等化學儲能技術在電力系統的各個環節都有所應用,并逐漸體現其綜合價值,項目的數量和規模逐年增加。美國、中國、日本、歐洲由于電網結構的不同,對儲能應用的側重點有所差異。更多應用項目的實施會引導和推進技術的完善以及市場的商業化。

  儲能技術產業政策

  可再生能源的發展規劃和完善優化現有電力系統,提高整體能源利用效率,世界主要國家都有支持儲能技術發展的政策措施。

  美國能源部2011年2月發布了 《2011-2015儲能計劃》,關注如何安裝儲能系統以實現其最大效用;儲能系統的成本、安全性及使用周期的研發和應用事宜;促進技術研發并建設示范項目展示儲能的價值鏈條,通過示范項目的建設及運營反饋指導科研方向;儲能設備的工業設計,以實現其大規模產業化生產。美國加州政府2010年頒布儲能 《AB2514》號法案,評估各種儲能系統優勢及在電力系統應用模式,制定出切實可行、具有成本效益的儲能系統安裝標準,實行儲能配額制,2020年儲能裝機容量達到最大負荷的5%。

  日本產業省于2011年11月發布《節能法修正案》,鼓勵使用自主發電設備和蓄電池等作為用電高峰對策;要求在工廠和大廈中使用自助發電設備,對建筑物進行節電改造,建設大廈能源管理系統;在居民住宅中定置鋰電池、光伏發電系統、燃料電池系統并安裝房屋能源管理系統。

  給電力系統帶來的是系統級的綜合價值,其商業化市場的發展更需要產業政策的支持。如何制定有效、具體的產業政策,已經成為世界各國能源部門開始思考的問題。儲能產業政策大致包括減稅補貼、一次性投資補貼、參與商業化電價競爭、電價補貼等幾方面補貼形式。(見表5)

  儲能是電力系統不可或缺的一部分,為更好地引導和推進儲能的商業化市場,制定適合本國國情的儲能產業政策至關重要。這些政策應包括但不限于稅收減免、電價補貼、一次性投資補貼和參與商業化電力交易等形式。

  關于液流儲能電池技術現狀

  相比于其它化學儲能技術,全釩液流儲能電池在安全性、壽命和環保方面有很多優點,被認為是電力系統用能量型儲能有前途的技術之一。目前,世界范圍內全釩液流儲能電池累計裝機容量約20MW。

  2002年奧地利Cellstrom公司開始研發釩電池,主要有10kW/100kWh系統和200kW/400kWh系統兩種定型產品,產品主要用于與太陽能光伏電池配套,用于偏遠地區供電、通訊以及備用電源領域。2005年日本住友電工公司(SEI)在北海道苫前町建造了當時國際最大規模4 MW釩電池儲能系統用于與30.6MW風力發電匹配,該系統持續運行3年,積累了大量寶貴數據和經驗。2011年,SEI應用其新一代釩電池技術,以城市智能微電網為目標市場,在橫濱和大阪建造了示范項目,應用效果良好。

  2010年以來,隨著技術的不斷成熟和市場的拉動,全釩液流儲能電池逐步由研發階段進入示范應用階段。2012年開始在幾家主要釩電池生產企業的努力下逐步開始產業化。中國大連融科儲能技術發展有限公司(簡稱融科儲能)立足自主研發,掌握了電池材料、電堆和電池系統、管理控制等自主核心技術,開展了千瓦-兆瓦級釩電池設計和應用。2012年,融科儲能建設的國內首套、世界最大的5MW/10MWh電池系統在國電龍源沈陽法庫風電場成功并網運行。

  全釩液流儲能電池技術被認為是電力系統用能量型儲能有應用前景的技術之一。技術經過應用項目的積累日趨成熟,逐漸被市場所接納,行業處于產業化前期,技術標準和產業配套正逐漸形成。

  (作者為國家能源委員會專家咨詢委員會主任)

作者: 來源:分布式能源 發布時間:2014年04月09日
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