锂离子电池储能技术在电力能源中的应用模式与发展趋势

赖春艳, 陈 宏, 倪嘉茜, 许 康, 胥 超, 姜宇杰

(1.上海电力大学, 上海 200090; 2.上海市节能工程技术协会, 上海 200083)

储能技术是智能电网中不可或缺的重要环节,是新能源发电消纳的关键技术[1]。近年来,随着新能源发电比例的不断提高,新能源汽车数量激增,储能技术遇到了新的发展机遇和挑战。

2017年,国家发展和改革委员会(以下简称“发改委”)、能源局等部门联合发布《关于促进我国储能技术与产业发展的指导意见》(以下简称“指导意见”),确定了储能技术在我国能源革命、现代能源体系建设中的战略地位,并提出了未来10年间我国储能产业发展的主要目标和任务。随后,各级政府部门、能源行业企业都相继对储能技术发展提出了更多的支持措施和办法。我国储能产业迎来了快速发展期,各项储能技术得到了飞速进步。

1 储能技术相关重要政策梳理

自2017年的指导意见之后,各部委又相继发布了一系列支持储能技术发展的相关政策,国家电网公司也陆续推出了支持储能技术发展的相关措施和办法。对近4年国家政府部门和电网公司推出的有关储能技术发展的重要政策和措施进行了梳理和汇总,结果如表1所示。

表1 近4年国家针对储能技术发展的政策措施

从表1可以看出,近年来政府部门和国家电网公司推出的政策措施涉及储能技术的发展方向、发展模式、保障措施、相关标准体系建立和重要示范项目。同时,还对储能技术领域的人才培养、学科建设等方面进行了规划,为储能技术的长期稳定发展奠定了基础。

2 储能技术在电力能源中的作用及分类

2.1 储能技术在电力能源中作用

储能技术已被视为电网运行中的重要组成部分,贯穿于电力能源的发电端、电网端和用户端[2]。在电力系统中引入储能技术,可提高现有发电装机容量的利用率和电网运行效率,有效应对电网故障,提升用电可靠性以及解决新能源风电、光伏间歇波动性等问题[3]。

储能技术在电力能源系统中的功能可概括为5个方面:一是提高电网运行安全性和可靠性;二是实现区域电网削峰填谷作用;三是缓解电力跨区供需矛盾;四是提高供电可靠性;五是满足风、光等可再生能源利用需求。

2.2 电力储能技术分类

常用电力储能技术主要有抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能、超导储能和电化学储能[4]。

抽水蓄能通过用电低谷和高峰时电能和水的势能的相互转换实现电力调节,是一种安全、节能、高效的储能技术[5],也是目前我国装机规模最大的一类储能技术。相较于其他国家,我国抽水蓄能建设起步较晚,但发展迅速,目前无论是规模还是技术均已达到世界先进水平。该技术的缺点是受地势环境和水文资源限制,无法灵活使用。

飞轮储能是利用飞轮装置将电能储存为机械能,当需要用电时飞轮驱动电机发电的技术[6],目前主要应用于航天、交通、军事等领域,以及作为不间断电源等。辽宁、北京等地已有飞轮储能技术用于电力并网的示范项目。飞轮储能技术转换效率高、稳定性好、无污染,但存在相对能量密度低、自放电率高等缺点。

压缩空气储能是利用用电低谷时的电能将空气储藏在高压密封空间内,在用电高峰时释放出来推动汽轮机发电的技术[7]。目前,我国唯一的国家级压缩空气储能示范项目是2020年开建的位于江苏常州金坛区直溪镇的“金坛盐穴压缩空气储能国家试验示范项目”。压缩空气储能技术的单机规模可达100 MW,仅次于抽水储能。在不具备建设抽水储能电站地理条件的地区,该技术是大型储能技术的首选。压缩空气储能技术具有运行维护方便、响应快、环境友好、安全系数高、存储寿命长等优点,但也存在储能效率较低的缺点。

超导储能是一种利用环形超导磁体实现电能存储和转换的技术[8]。该技术具有功率密度高、转换效率高、响应速度快、循环次数无限制等优势。但受制于大容量高温超导磁体材料发展等因素,目前超导储能项目在电力能源中的应用和研究以仿真研究为主,实际并网项目不多。

与上述各种储能技术相比,电化学储能技术具有设备机动性好、响应速度快、能量密度高和转换效率高等优点[9],是目前各国储能产业研究开发的重要方向。电化学储能装置主要包括铅酸电池、钠硫电池和钒液流电池、锂离子电池等[10]。这些电化学储能电池各有优缺点,如铅酸电池性能可靠、价格低,但能量密度和功率密度均较低;钠硫电池具有原料成本低、充放电效率高、存储寿命长等优势,但需要附加供热和保温装置;钒液流电池寿命长、可深度放电、电解质溶液可反复再生,却也存在体积大、比能量低、密封性不好等问题。从综合性能来说,目前锂离子电池以其能量密度高、环境友好等优势在电力系统储能方面有较强的竞争力[11]。相关统计数据表明,近年来国内已运行的电化学储能装置中,锂离子电池占比达到80%以上,且该数据呈逐年增长的趋势。

3 锂离子电池储能技术在电力能源中的应用场景和模式

目前,锂离子电池储能技术已广泛应用于电力系统。应用场景包括发电侧、用户侧和电网侧;应用模式主要有各种类型的储能电站、备用/应急电源车及多种储能装置。在发电侧,锂离子电池储能技术的应用主要有风/光储能电站、AGC调频电站等;在用户侧,主要有光储充一体化电站、应急电源等;在电网侧,主要有变电站、调峰/调频电站等。不同的应用模式对锂离子电池性能的要求不同,中国科学院电工研究所陈永翀[12]指出:锂离子储能电池应用于调峰、光伏储能时,一般采用能够较长时间充放电的容量型电池;用于调频或平滑新能源波动时,一般采用能够快速充放电的功率型电池;在既需要调频又需要调峰时,则采用能量型电池。

3.1 在发电侧的应用

锂离子电池储能技术在发电侧的应用包括大规模新能源并网、电力辅助服务[13],主要功能是促进新能源的消纳、增强电力系统的调峰能力。目前,电化学储能技术已在风、光发电系统中大量应用,规模化的锂离子电池储能技术与风光发电结合可以较好地解决新能源并网问题,解决弃光难题。例如,位于青海省的“青海格尔木直流侧光伏电站储能项目”[14]就是锂离子电池储能技术应用于光伏电站的案例。该光伏电站规模为180 MW,储能系统规模为1.5 MW/3.5 MWh,项目采用了分布式直流侧光伏储能技术,有效解决了储能系统与光伏电站间的接入匹配问题。

3.2 在用户侧的应用

锂离子电池储能技术在用户侧的应用场景非常广泛,包括光、储、充一体化的充电站、工业园区、数据中心、通信基站、地铁和有轨电车、港口岸、岛屿、医院、商场、政府楼宇、银行、酒店以及大型临时活动场所的用电保障和应急供电等[15]。另外,也包括一些商业储能项目,如电解、电镀公司和冶炼厂等用电大户利用储能电站在低谷期充电、在用电高峰时放电,以降低企业用电成本。近年来,随着电力能源需求响应的发展和完善,用户侧电池储能项目快速增长;5G通信基站的逐渐普及,对锂离子电池储能技术的需求迅速增加;而各地政府对用户侧储能项目建设的支持也促进了其快速发展。

3.3 在电网侧的应用

锂离子电池储能技术在电网侧的主要应用包括电网辅助服务、输配电基础设施服务、分布式及微电网。主要功能是保障电网安全和经济稳定,提供调频[16]、调峰、备用、黑启动等服务,提高输配电设备利用率;减缓现有输配电网的升级改造,解决偏远地区供电问题等;提高供电可靠性和灵活性[17]。随着锂离子电池集成度和电池热管理水平的提高,大规模锂离子电池储能项目不断出现。如,2020年1月,福建晋江电网储能项目(30 MW/108 MWh)启动并网,配套的大规模电池储能电站统一调度与控制系统可为附近3个220 kV重负荷的变电站提供调峰调频服务。

对近3年锂离子电池储能技术在电力能源的发电侧、用户侧和电网侧的一些典型应用案例进行汇总和分析,结果如表2所示。

表2 近3年锂离子电池储能技术在电力系统中的应用案例

从表2可以看出,目前锂离子电池储能技术在电力能源系统的发电侧、用户侧和电网侧均有应用,装机规模从几兆瓦到几百兆瓦。根据资料显示,2019年我国锂离子电池储能技术的总装机规模超过1 300 MW。

4 锂离子电池储能技术的发展趋势

锂离子电池储能技术的发展趋势主要有两个方面:一是进一步降低成本;二是提高可靠性。

储能技术的应用潜力在很大程度上决定于其成本。目前,锂离子电池的成本约为0.9元/Wh(储能系统成本为1.2元/Wh),在国内大部分峰谷电价差不到0.7元/kWh的地区,不具备明显的经济性。因此,进一步降低电池成本是锂离子电池储能技术的重要发展方向。广大的科研工作者正在开发价格更低、能量密度更高的锂离子电池材料体系,未来的锂离子电池可能会使用更高能量密度的正极材料取代目前常用的磷酸铁锂和三元正极材料[18]。再结合规模化的生产技术,锂离子储能电池的单位成本有望进一步降低。

可靠性(尤其是安全性)是锂离子电池储能技术另一个受人关注的性能。近年来,电化学储能电站安全事故频发,其中大部分是由锂离子电池的起火爆炸所导致。对于传统锂离子电池来说,电解质中易分解、燃烧的有机溶剂[19]和聚合物隔膜材料是影响安全性的重要因素。目前对于锂离子电池安全性的解决方案主要有材料体系改性、电池组热管理和能量管理系统优化等。

用固态电解质取代锂离子电池体系中的电解液和隔膜以提高其安全性,被认为是从根本上消除锂离子电池安全隐患的重要方向。具有实用化前景的固态电解质材料主要包括聚氧化乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和锂镧锆氧等[20]。

5 结 语

随着锂离子电池储能技术成本的进一步降低,性能不断完善,可靠性逐渐提高,其必将在电力能源行业中得到越来越广泛的应用,为电力能源安全和高效利用提供更好的保障。