储能电源技术及其在电力系统中应用的挑战与进展

 储能电源知识    |      2016-11-09
储能电源技术的发展和成熟应用对电力系统网的发展具有重大意义,是影响未来智能电网发展模式的重要 因素之一。随着储能电源技术的迅猛发展,储能设备也已由小容量小规模的研究与示范向大容量与规模化发展。美国、日本、欧盟等先后制定了一系列促进和支持储能电源技术产业化发展的政策。中中国也十分关注储能技术发展,从战略规划到示范项目,储能应用推动和潜在市场挖掘也在中国能源、电力、科技、交通、环保等多个领域 政策中得到体现。目前,全球范围内已达到商用或示范应用水平的主流储能技术,除抽水蓄能外,还包括压缩空气、飞轮储能、铅蓄储能、锂离子电池、钠硫电池、 液流电池、超级电容器和超导储能等。国际上已建成了数百项兆瓦级及以上的储能示范工程。示范工程的应用领域涉及可再生能源并网、分布式发电及微网、电力输 配及调频辅助服务等。未来,在明确储能技术在能源体系中的影响和地位的基础上,储能技术的应用领域和技术路线将成为全球关注的焦点。

、储能电源技术特点及发展现状

按照能量存储形式不同,将电力储能电源技术可分为五大类:机械储能、储热、电化学储能、电磁储能以及化学储能。

1)机械储能

机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能。其中抽水蓄能是目前最成熟的储能技术,具有容量大、寿命长和单位成本低的特点。但抽水蓄能电站的建设 受地理条件约束,且建设工期长,总体投资大。压缩空气储能具有容量大、工作时间长、经济性能好、使用寿命长等优点。但其效率低、系统复杂,对储气矿洞地址 要求高。飞轮储能具有效率高、响应速度快、寿命长、运行维护需求低、稳定性好、建设周期短、占地面积小以及无污染等优点,但其能量密度低,自放电严重,只 能适合短时间应用场合。

2)电化学储能

电化学储能主要包括铅蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池。传统铅蓄电池技术相对成熟,具有价格低廉、维护方便等优点。但由于深度、快速、大功率放电 时,可用容量下降,具有能量密度低,寿命较短,易造成环境污染等缺点。近年来,日本、美国等国家正在致力于开发性能更加优异的先进铅蓄电池,已经开发的电 池类型包括铅炭电池、超级电池等。目前电力系统中应用较多的锂离子电池主要包括磷酸铁锂电池、钛酸锂电池和镍钴锰酸锂电池。磷酸铁锂电池的稳定性和安全性 好,循环寿命长;钛酸锂电池的成本较高,但其安全性高、循环寿命长、倍率性能好,有可能成为未来锂离子电池发展的方向;镍钴锰酸锂电池的能量密度和功率密 度均较高,但由于钴资源日益匮乏,价格昂贵,限制了镍钴锰酸锂电池的大规模生产。液流电池主要包括全钒液流电池、新溴液流电池,其中,全钒液流电池的寿命 长,循环次数高,但能量密度和功率密度相比要低,响应时间也不快;锌溴液流电池则具有能量密度高、成本低、可频繁进行深度放电等优点,但也存在因电极反应 产生络合物而引起自放电率高的问题。钠硫电池具有能量密度高、功率特性好、循环寿命长等优点,已发展成为MW级化学储能技术中最成熟,并已实现商业化运行 的一类技术。但由于它使用了易燃物质金属钠,又在高温(300-350℃左右)条件下运行,存在一定的风险。

3)电磁储能

电磁储能主要包括超级电容器、超导储能。超级电容器具有功率密度高、响应速度快、效率高、循环寿命长、少维护、运行温度范围广等优点。但由于能量密度较 低,超级电容器适合与其他储能技术联合使用。超导储能充放电速度非常快,具有功率密度极高、响应速度极快、能量转换效率高、使用寿命长等优点,适合功率型 应用。但超导储能存在超导材料价格昂贵、需要大量能量维持低温制冷运行、能量密度低(只能维持秒级)、维护复杂等缺点。

二、储能电源技术在电力系统中的应用潜力

储能电源技术突破了传统电能即发即用的特点,可适用于多种应用领域,包括可再生能源并网、电力输配、分布式发电及微网、调频辅助服务等。储能作为一种灵活的电力资源,可以在电力系统的发、输、配、用多个环节应用,储能的应用场景主要包括以下5类:

新能源发电侧:依托储能技术,将不稳定的风能、太阳能发电储存起来并平稳输出,能够提供快速的有功支撑,增强电网调频能力,使大规模风力及太阳能发电方便可靠地并入常规电网。

输配电侧:储能技术可以延缓输配电网升级改造、缓解线路阻塞、缓解因可再生能源渗透率不断提高而引起的电网安全性、稳定性、可靠性下降等问题。

分布式电源及微电网侧。微电网中应采用合理的分布式电源和储能配置,保证微电网在不同运行模式下的电压和频率稳定,实现不同模式的运行以及运行模式之间的过渡,同时维持系统动态平衡。分布式电源配置储能,可以对有功进行紧急平衡控制,保证重要负荷的电压稳定。

终端用户侧:1)大型用户。充分利用电网峰谷差,减少供电设备投资,提高电能的利用效率;2)家庭用户。利用储能供电来确保应急电源以及削减用电高峰时段 的用电量,为家庭生活提供所需全部能源;3)电动汽车-电网互动(Vehicle to Grid, V2G)。通过电动汽车和电网的互动,可以发挥电网调峰、调频应用等作用。

辅助服务市场。储能可参与的辅助服务主要包括调峰、调频、快速旋转备用、电能质量以及黑启动电源等。


三、储能电源技术应用现状

截止到2015年年底,储能技术在电力系统中的应用分布在电力系统的各个方面,图1给出了目前全球各类储能技术在电力系统各个领域中的应用占比。

储能电源技术应用现状图

图1 截止到2015年年底全球不同类型储能技术应用于电力系统各个领域的分布图

截止到2015年底,中国不同类型储能项目在电力系统各个应用领域的累计装机分布如图2所示。

储能电源技术应用于电力系统各个领域的分布图

图2 中国不同类型储能电源技术应用于电力系统各个领域的分布图


四、储能电源技术应用挑战和发展前景

1)技术方面

首先,需要以储能自身的技术创新与突破为引领,极大程度地提升各种储能技术的性能指标,开发大容量、长寿命、低成本、高安全新型化学储能技术和高效率、低 成本物理储能技术;其次,重点研究储能在多种应用场景中的建模仿真和优化运行技术,为储能的示范应用做好理论支撑;另外应通过多个项目试点开展示范应用和 综合评估工作,以推进储能技术的产业化进程。与此同时,应重点开展电力储能标准体系研究,建立一套专业完整、严谨衔接、合理分级、透明开放、有序适用的电 力储能标准体系,为储能研发、生产和应用提供坚强的标准支撑,进而推动电力储能技术及相关产业的发展。

2)经济性方面

现阶段,储能产业仍然面临政策缺失、成本过高、应用价值不明晰、参与电力市场的机制不健全等问题,在经济性上也没有优势。未来应从两个方面着手考虑:一方 面,需要提出包含用电主体、电力企业、科研人员、金融组织和社会组织多种社会力量参与的储能系统解决方案;另一方面,未来应制定明确的推动储能产业的市场 机制和补贴政策,鼓励各种储能技术的研发和应用,建立可持续发展模式,实现商业化运营。


五、储能电源技术发展前景

在电网快速发展和新能源大规模开发的趋势下,各国已经开展未来10~20年含储能电源的电网规划研究,并对各类储能技术进行深入评估和示范验证,大力推动储能 技术在智能电网中的应用和发展。据调研结果,很多国家将储能部署为提供快速响应的辅助服务市场产品,且大部分电网公司乐意购买由储能系统所提供的辅助服 务。

从应用角度看,在中国以电力网络为核心的能源互联网体系的建设将是未来的发展重点。能源互联网的发展将助力储能技术的广泛应用,并实现装机规模的高速发 展。在近年来不断加大力度推广和应用电动汽车的大背景下,作为一种移动的储能单元,电动汽车也将在能源互联网的架构下发挥更大的作用。虽然现阶段中国的储 能产业仍面临政策缺失、技术指标尚待提高、系统容量较小、成本过高、应用价值不明晰、参与电力市场的机制不健全等问题,但作为实现大规模可再生能源并网, 提高用电侧能效的有利手段,未来储能产业的快速应用发展已成定局。

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