能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)
近年來，可再生能源開發(fā)利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，儲(chǔ)能技術(shù)的研究與應(yīng)用也日漸廣泛。抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、鋰離子電池、鈉硫電池、鉛酸/鉛炭電池等目前主要的幾種儲(chǔ)能技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要找準(zhǔn)定位，使不同的儲(chǔ)能技術(shù)在不同的領(lǐng)域和場(chǎng)景扮演關(guān)鍵角色。
發(fā)展可再生能源是大勢(shì)所需
上圖展示了我國(guó)能源消費(fèi)情況：
2003年18億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2012年36億噸，2015年達(dá)到43億噸，2020年將達(dá)到48億噸，其中煤炭力爭(zhēng)控制在42億噸。
眾所周知，煤炭的大量消耗是我國(guó)環(huán)境污染、肺癌等疾病的成因之一。故，發(fā)展可再生能源是大勢(shì)所驅(qū)。歷史上出現(xiàn)了三次能源革命：
第一次能源革命，煤炭代替了薪柴，大英帝國(guó)抓住了機(jī)遇，稱霸全球。但也引發(fā)了諸多問題，例如倫敦大霧霾。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)時(shí)英國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中70%以上是煤炭。
第二次能源革命，油氣代替了煤炭，美國(guó)借勢(shì)成為新的世界霸主。
第三次能源革命，提出了可再生能源。中共中央在十三五規(guī)劃中提出能源革命和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的戰(zhàn)略方針：到2020年，我國(guó)風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到2.5億千瓦，光伏發(fā)電達(dá)1.5億千瓦，光熱發(fā)電達(dá)500萬(wàn)千瓦。
以上是世界各國(guó)在能源轉(zhuǎn)型上的一些規(guī)劃目標(biāo)，可以看出，普及可再生能源是全球?qū)崿F(xiàn)低碳能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。預(yù)計(jì)2030年以后，整個(gè)能源結(jié)構(gòu)當(dāng)中，可再生能源將會(huì)占主導(dǎo)。早在2004年的一次報(bào)告中我提出過：可再生能源正逐漸由輔助能源變?yōu)橹鲗?dǎo)能源。至今我仍然堅(jiān)持這一觀點(diǎn)。
為什么需要“儲(chǔ)能”?
電網(wǎng)有一百多年歷史，沒有儲(chǔ)能也運(yùn)行得很好，那為什么現(xiàn)在需要“儲(chǔ)能”?
舉一個(gè)例子，上圖是日本的某個(gè)實(shí)驗(yàn)：圖中曲線是某風(fēng)機(jī)半夜兩點(diǎn)時(shí)段的發(fā)電輸出，可以看到這個(gè)風(fēng)力發(fā)電不是那么穩(wěn)定，最高超過300千瓦，最低不到50千瓦。這是風(fēng)機(jī)發(fā)電的特點(diǎn)，可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大的問題。但如果有儲(chǔ)能裝置，發(fā)電多時(shí)將多余電存起來作為負(fù)載，發(fā)電少時(shí)往外放電，長(zhǎng)此以往，計(jì)算出一個(gè)預(yù)估值，判斷多大風(fēng)發(fā)多少電，根本解決風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電的不穩(wěn)定、不連續(xù)性特性，實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定供電。
再者就是，近年來由于風(fēng)、光發(fā)電的不連續(xù)、不穩(wěn)定、并網(wǎng)難等特點(diǎn)導(dǎo)致棄風(fēng)、棄光情況增加。去年全年，全國(guó)棄風(fēng)、棄光、棄水總量高達(dá)1300億kWh。1300億電是個(gè)什么概念?相當(dāng)于我國(guó)去年一年的棄風(fēng)量、棄光量約等于1.6個(gè)三峽工程的年發(fā)電量。
所以說，儲(chǔ)能能夠平衡發(fā)電和用電，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定性，大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)才是實(shí)現(xiàn)可再生能源普及應(yīng)用的核心技術(shù)。
大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是國(guó)家的重大需求
值得高興的是，近幾年，無論是十三五還是兩會(huì)，一些文件的出臺(tái)都表明國(guó)家開始重視儲(chǔ)能：
2016.11.17，《國(guó)家能源委員會(huì)會(huì)議：通過能源發(fā)展十三五規(guī)劃》，指出，加快技術(shù)創(chuàng)新和體制改革是推動(dòng)能源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵依托。要集中力量在可再生能源開發(fā)利用特別是新能源并網(wǎng)技術(shù)和儲(chǔ)能、微網(wǎng)技術(shù)上取得突破，全面建設(shè)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源，提升電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，增加新能源消納能力，發(fā)展先進(jìn)高效節(jié)能技術(shù)，搶占能源科技競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。
2016.12.19《十三五國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》國(guó)務(wù)院加快發(fā)展先進(jìn)核電、高效光電光熱、大型風(fēng)電、高效儲(chǔ)能、分布式能源等，加速提升新能源產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性，加快構(gòu)建適應(yīng)新能源高比例發(fā)展的電力體制機(jī)制、新型電網(wǎng)和創(chuàng)新支撐體系，促進(jìn)多能互補(bǔ)和協(xié)同優(yōu)化，引領(lǐng)能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命。
大力發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源。加快研發(fā)分布式能源、儲(chǔ)能、智能微網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建智能化電力運(yùn)行監(jiān)測(cè)管理技術(shù)平臺(tái)，建設(shè)以可再生能源為主體的“源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)—用”協(xié)調(diào)發(fā)展、集成互補(bǔ)的能源互聯(lián)網(wǎng)。
還有前段時(shí)間大家一定都被由五部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》刷屏了，指導(dǎo)意見中明確指出:“應(yīng)用推廣一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)品。加強(qiáng)引導(dǎo)和扶持，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，加速技術(shù)轉(zhuǎn)化。鼓勵(lì)儲(chǔ)能產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)采用先進(jìn)制造技術(shù)和理念提質(zhì)增效，鼓勵(lì)創(chuàng)新投融資模式降低成本，鼓勵(lì)通過參與國(guó)外應(yīng)用市場(chǎng)拉動(dòng)國(guó)內(nèi)裝備制造水平提升。重點(diǎn)包括100MW級(jí)全釩液流電池儲(chǔ)能電站、高性能鉛炭電容電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等。”
作為國(guó)內(nèi)首個(gè)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)政策文件，這份指導(dǎo)意見明確了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)未來10年的發(fā)展目標(biāo)，標(biāo)志著儲(chǔ)能作為電網(wǎng)中的主體地位確立。該意見鼓勵(lì)多種技術(shù)路線和應(yīng)用場(chǎng)景并行發(fā)展，并且提出了由政府引導(dǎo)、市場(chǎng)主導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)建立補(bǔ)償機(jī)制，而非單純的給予補(bǔ)貼，起點(diǎn)研究預(yù)測(cè)未來與電化學(xué)儲(chǔ)能相關(guān)的示范項(xiàng)目有望加快推進(jìn)，多種儲(chǔ)能商業(yè)模式將有望蓬勃發(fā)展。
各種儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)
1、各種儲(chǔ)能技術(shù)及適用規(guī)模
上圖是美國(guó)能源局專家畫的圖，歸納了各種儲(chǔ)能技術(shù)及適用規(guī)模。這個(gè)圖不是說哪個(gè)技術(shù)可以代替誰(shuí)，而是各種儲(chǔ)能技術(shù)需要找好自己的定位，不同的儲(chǔ)能適合不同的領(lǐng)域。
我們所說的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，如圖中三角區(qū)域所示，時(shí)間長(zhǎng)、功率大，屬于電網(wǎng)的儲(chǔ)能技術(shù)。如抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、鈉硫電池、鉛炭電池等。
2、大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的要求
滿足以下三個(gè)條件就適合大規(guī)模儲(chǔ)能：
① 安全性
② 生命周期的性價(jià)比高(經(jīng)濟(jì)性好)
③ 生命周期的環(huán)境負(fù)荷低(環(huán)境友好)
對(duì)規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)而言，由于系統(tǒng)功率和容量大，發(fā)生安全事故造成的危害和損失大，因此規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的首要要求是安全可靠。解決其安全可靠性是其重中之重;無論多大規(guī)模的儲(chǔ)能，報(bào)廢后的廢棄物處理成本必須算上;對(duì)環(huán)境的影響必須考慮進(jìn)去。
有人認(rèn)為電動(dòng)汽車儲(chǔ)能報(bào)廢下來后可以用到大規(guī)模儲(chǔ)能上。我的觀點(diǎn)是：電動(dòng)汽車不到20-40個(gè)千瓦，你用到小規(guī)模儲(chǔ)能上也許可行，但用到兆瓦級(jí)以上的儲(chǔ)能，其經(jīng)濟(jì)性、壽命各個(gè)方面都需要反復(fù)考量。
3、抽水儲(chǔ)能技術(shù)
優(yōu)點(diǎn)：
① 技術(shù)成熟：世界范圍已建127,000MW，
② 儲(chǔ)能容量大：占總儲(chǔ)能裝機(jī)容量的99%;數(shù)十MW ― GW
缺點(diǎn)：
受地形、生態(tài)環(huán)境等條件的限制
工作原理：
儲(chǔ)電：利用“谷電”，把水由低位水庫(kù)抽到高位水庫(kù)，電能轉(zhuǎn)為勢(shì)能。
發(fā)電：在用電高峰期，釋放高位水庫(kù)中的水，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。
在歐美，抽水儲(chǔ)能裝機(jī)容量一般占發(fā)電裝機(jī)容量的10%-15%;我國(guó)由于水力資源、地理環(huán)境等資源限制，抽水儲(chǔ)能裝機(jī)容量只占發(fā)電裝機(jī)容量的1.7%不到。
4、壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)
優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)能容量大
缺點(diǎn)：選址地質(zhì)條件限制大 、需和燃?xì)馊加碗娬九涮?/p>
壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是比較成熟的。早在上世紀(jì)八十年代的德國(guó)和九十年代的美國(guó)就有建過壓縮空氣儲(chǔ)能電站，但目前世界上僅有2座百兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站，第三座終止建設(shè)。
5、鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)
現(xiàn)在都說鋰離子電池好，但是兩個(gè)問題需要重視：一個(gè)是安全性問題，第二個(gè)是容量衰減問題。鋰離子電池做的越大，其能量衰減就越快。正如我剛才提到的，汽車電池報(bào)廢后用到大規(guī)模儲(chǔ)能上是需要慎重的。
6、鈉硫電池儲(chǔ)能技術(shù)
能量密度較高，單個(gè)電池的開路電壓高
高溫型蓄電池(350℃運(yùn)行)
缺點(diǎn)：
液態(tài)硫和金屬鈉對(duì)氧化鋁隔膜具有強(qiáng)腐蝕性，易引起爆炸，危險(xiǎn)性大
電池防腐、隔熱與安全防護(hù)要求高
制造成本高
啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)(數(shù)十小時(shí)至上百小時(shí))
目前，全球范圍內(nèi)能造出鈉硫電池的只有日本NGK公司一家，中國(guó)要買它家電池要排隊(duì)五年，而且電池賣出去后，所有的電池管理系統(tǒng)、電池信息只能日本人看，買家只能用。然而鈉硫電池中的金屬納遇到水就著火，有極大的安全隱患。日本在2010年2月和9月的兩場(chǎng)大型鈉硫電池著火事件，也給日本鈉硫電池公司造成致命打擊，導(dǎo)致很多訂單退貨。
7、鉛酸、(鉛碳)電池儲(chǔ)能技術(shù)
優(yōu)點(diǎn)：
鉛酸電池技術(shù)成熟、價(jià)格低廉、安全性能相對(duì)可靠
鉛碳電池可大幅度提高電池的壽命
缺點(diǎn)：
循環(huán)壽命短、環(huán)境污染
鉛酸電池，我以前不看好。但通過近幾年對(duì)鉛碳電池的研究，從目前我的試驗(yàn)室研究結(jié)果表明，如果鉛碳電池做得好，同樣的條件下，鉛碳電池的壽命要比鉛酸電池增加5倍。但仍存在一些安全性的問題，如十幾年以前，美國(guó)有一國(guó)際知名的儲(chǔ)能公司最近宣布破產(chǎn)，原因是其在美國(guó)本土和在夏威夷項(xiàng)目著火，其主要原因是在鉛酸電池和碳，碳和水在一起，充電過程當(dāng)中超過1.7V(鉛酸電池電壓為1.8V)，控制不好就會(huì)產(chǎn)生氫氣，引起著火。所以解決這個(gè)問題是鉛碳電池的核心。
上圖是美國(guó)能源部2011年發(fā)布的美國(guó)能源部?jī)?chǔ)能規(guī)劃，圖中可以看出他們支持哪些電池。
上圖是一個(gè)叫Navigant的咨詢公司2015年對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的預(yù)測(cè)。上圖顯示了該公司認(rèn)為的今后哪些儲(chǔ)能會(huì)主導(dǎo)。具體的百分比我不太相信，但其趨勢(shì)我比較認(rèn)可。除了鋰離子、液流電池、歐洲還有一個(gè)P to G(Power-to-Gas)技術(shù)。我個(gè)人認(rèn)為，從中期看，儲(chǔ)能的這三種技術(shù)是比較好的。
全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)
1、全釩液流電池的原理及特點(diǎn)
原理：利用釩離子價(jià)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)電能儲(chǔ)存和釋放
2、全釩液流儲(chǔ)能電池的特點(diǎn)
① 功率和容量可獨(dú)立設(shè)計(jì)，尤其適合大規(guī)模儲(chǔ)能
儲(chǔ)能容量大：100skWh– 100sMWh;
輸出功率大：100skW— 100sMW
② 能量效率高、充放電性能好、循環(huán)壽命長(zhǎng)：
能量效率80%, 可深度放電，循環(huán)次數(shù)>13,000
③ 啟動(dòng)和響應(yīng)速度快：無相變化, 充、放電切換只需0.02秒
④ 常溫封閉運(yùn)行，電解液可半永久使用、性價(jià)比高
部件材料可循環(huán)利用、環(huán)境友好
⑤ 安全性好。
⑥ 使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)15～20年。
⑦ 比能量低
全釩液流電池比較適合大規(guī)模儲(chǔ)能，特別是兆瓦以上的儲(chǔ)能和時(shí)間比較長(zhǎng)(四個(gè)小時(shí)以上)的儲(chǔ)能。因?yàn)樗膫€(gè)小時(shí)以上的儲(chǔ)能其它電池技術(shù)都要增加電池，而全釩液流電池只要增加電解液;它的循環(huán)壽命大于13000多次，目前在電池中是最長(zhǎng)的;其充放電相應(yīng)速度比較快;其電解液可以半永久性使用;因?yàn)槿C液流電池是水溶液，所以安全性非常好;缺點(diǎn)是比能量較低，不適合電動(dòng)車，只適合固定電站。
3、全釩液流儲(chǔ)能電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
4、我國(guó)釩資源情況：
全球目前已知的資源儲(chǔ)量大約6300萬(wàn)噸釩，中國(guó)釩儲(chǔ)量占世界38%;其中適合目前開采的資源儲(chǔ)量為1300萬(wàn)噸釩，95%在中國(guó)、俄羅斯和南非。
電解液殘值高：電解液殘值可達(dá)50%~70%，用戶角度看，是一種保值或增值的物質(zhì)。
全釩液流電池產(chǎn)業(yè)是釩資源綜合利用的重要方向。目前為止，在全釩液流領(lǐng)域中國(guó)是領(lǐng)先的，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈最全，所有材料都是我國(guó)自己的。
5、釩電解質(zhì)溶液
全釩液流電池電解液性能衰減的原因是微量副反應(yīng)，長(zhǎng)期積累等引起的物質(zhì)失衡和價(jià)態(tài)失衡引起的。可通過在線或離線再生技術(shù)恢復(fù)，電解液可循環(huán)利用!
6、全釩液流電池關(guān)鍵材料—電極
全釩液流電池電極材料為碳材料(碳?xì)只蚴珰?，電池報(bào)廢后可以作為燃料燒掉，除CO2外無環(huán)境污染物。
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