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什么是儲能技術?
2019-02-28 16:51作者:管理員 來源:未知
儲能是智能電網、可再生能源接入、分布式發電、微電網以及電動汽車發展必不可少的支撐技術,可以有效地實現需求側管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷,可以提高電力設備運行效率、降低供電成本,還可以作為促進可再生能源應用,提高電網運行穩定性、調整頻率、補償負荷波動的一種手段。智能電網的構建促進儲能技術升級、推動儲能需求尤其是大規模儲能需求的快速增長,從而帶來相應的投資機會。

  隨著儲能技術的大量應用必將在傳統的電力系統設計、規劃、調度、控制方面帶來變革。儲能技術關系到國計民生,具有越來越重要的經濟價值和社會價值,目前儲能在中國的發展剛剛起步。國家應該盡快研究儲能技術的相關產業標準,加強儲能技術基礎研究的投入,切實鼓勵技術創新,掌握自主知識產權;從規模儲能技術發展起始階段就重視環境因素,防治環境污染;充分發揮儲能在節能減排方面的作用,把對新能源的鼓勵政策延伸到儲能環節。

  近年來,我國電網峰谷差逐年增大,多數電網的高峰負荷增長幅度在10%左右,甚至更高。而低谷負荷的增長幅度則維持在5%甚至更低。峰谷差的增加幅度大于負荷的增長幅度,在電網中引入儲能系統成為了實現電網調峰的迫切需求。

  儲能技術擁有廣泛的應用前景,但實現規?;⒛艿鼻叭允且桓鍪瀾縲閱煙?。目前,我國約有40個儲能示范項目,而規模在1000千瓦級的項目為數不多。這些儲能項目多起到示范、探索性作用,并不具備產業化意義。

  儲能產業的發展機遇

  由于我國的能源中心和電力負荷中心距離跨度大,電力系統一直遵循著大電網、大電機的發展方向,按照集中輸配電模式運行,隨著可再生能源發電的飛速發展和社會對電能質量要求的不斷提高,儲能技術應用前景廣闊。儲能技術主要的應用方向有:風力發電與光伏發電互補系統組成的局域網,用于偏遠地區供電、工廠及辦公樓供電;通信系統中作為不間斷電源和應急電能系統;風力發電和光伏發電系統的并網電能質量調整;作為大規模電力存儲和負荷調峰手段;電動汽車儲能裝置;作為國家重要部門的大型后備電源等。隨著儲能技術的不斷進步,安全性好、效率高、清潔環保、壽命長、成本低、能量密度大的儲能技術將不斷涌現,必將帶動整個電力行業產業鏈的快速發展,創造巨大的經濟效益和社會效益。

  國家電網公司近期確定的智能電網重點投資領域中包括了大量儲能應用領域,如發電領域的風力發電和光伏發電中應用儲能技術項目,配電領域儲能技術,電動汽車充放電技術等。無論是風電還是太陽能發電,其自身都具有隨機性和間歇性特征,其裝機容量的快速增長必對電網調峰和系統安全帶來不利影響,所以,必須要有可靠的儲能技術作為支撐和緩沖。先進儲能技術能夠在很大程度上解決新能源發電的波動性問題,使風電及太陽能發電大規模的安全并入電網。
并網逆變器作為光伏電池與電網的接口裝置,將光伏電池的直流電能轉換成交流電能并傳輸到電網上,在光伏并網發電系統中起著至關重要的作用。并網逆變器性能對于系統的效率、可靠性,系統的壽命及降低光伏發電成本至關重要。

  儲能技術發展有利于推進風電就地消納,在當前產業梯度轉移的大背景下,可考慮在大型風電基地附近布局供熱、高耗能產業,同時加快建立風電場與這些大電力用戶和電力系統的協調運行機制。國家電網近期確定的智能電網重點投資領域中包括了大量儲能應用:發電領域如風光并網及儲能項目,配電領域如儲能技術、電動汽車充電和配電自動化等。

  根據國家關于新能源產業的規劃,預計到2020年,國家將累計投資3萬億元大力發展可再生能源。屆時,我國可再生能源在全部能源消費中將達到15%。按照市場普遍預期,2020年我國電力裝機達到1500GW,風電占比10%,即150GW。配套儲能裝置的功率按照風電裝機容量的15%計算,約為22.5GW。如果儲能裝置單位千瓦造價按照4000元/kW計算,至2020年的10年間,儲能市場規模約為900億元。

  中國可再生能源協會提供的數據顯示,截至2011年年底,中國有47000MW的風電裝機,目前只有大約有20%的風電機組解決了并網的問題,但如果以20%的比例全部配備儲能則需要安裝9400MW的儲能,即使按照每兆瓦2000萬元的工程成本計算,需要一次性投入1880億元。

  這是一筆龐大的投資,但這筆投資無論如何都得考慮其經濟性。目前的鋰離子電池壽命一般為5年,攤薄至每年的投資接近400億元。倘若這個配備比例提高10個百分點,則攤薄至每年的投資將達到600億元,況且這還不算每年新增的風電規?;楹推淥稍偕茉?。

  儲能技術在智能電網中的作用

  優質、自愈、安全、清潔、經濟、互動是我國智能電網的設定目標,儲能技術尤其大規模儲能技術具備的諸多特性得以在發電、輸電、配電、用電4大環節得到廣泛應用,儲能技術是構建智能電網及實現目標不可或缺的關鍵技術之一。

  儲能技術在電力系統穩定中的作用。儲能技術的應用可以改變傳統電力系統穩定控制的思維方式,從一個新的角度認識電力系統的穩定性問題,并尋求一種可能會徹底解決電力系統穩定性的方法。在傳統的電力系統中,任何微小擾動引起的動態不平衡功率都會導致機組間的振蕩,而只要儲能裝置容量足夠大而且響應速度足夠快,就可以實現任何情況下系統功率的完全平衡,這是一種主動致穩電力系統的思想。由于這種與儲能技術相關的穩定控制裝置不必和發電機的勵磁系統共同作用,因此,可以方便地使用在系統中對于抑制振蕩來說最有效的部位。同時,由于這種穩定控制裝置所產生的控制量可直接作用于導致系統振蕩的源頭,對不平衡功率進行精確的補償,可以較少甚至不考慮系統運行狀態變化對控制裝置控制效果的影響,因此裝置的參數整定非常容易,對于系統運行狀態變化的魯棒性也非常好。

   儲能技術在新能源發電中的作用?;茉垂┯Σ蛔鬩殉晌蚓梅⒄溝鈉烤?。同時,使用化石能源造成的環境污染問題已受到全球的高度重視,積極開發新能源和儲能技術,減少人類對化石能源的依賴,已成為業界和科技界研究的熱門課題。在可再生能源中,風能和太陽能因來源豐富、取之不盡、用之不竭,并在利用過程中無環境污染或污染很小而特別引起關注,但風能和太陽能存在間歇性、不穩定性和不可控性等缺陷,為保證其供電的均衡性和連續性,儲能裝置成為風力發電、光伏發電系統的關鍵配套部件。因此,在利用太陽能和風能的同時,必須重視儲能技術的開發。近年來,特別是在!中華人民共和國可再生能源法?出臺之后,我國風力發電和光伏發電產業發展迅速,但大規模發展新能源仍存在技術瓶頸,主要是風力發電、光伏發電的并網技術、發電的間歇性問題需要成熟的儲能技術加以解決。因此,在新能源裝機容量提升的同時,必須同步提升儲能容量,有效地改善其電能輸出質量。

  儲能技術在分布式發電中的作用。當今社會對電力供應的質量與安全可靠性要求越來越高,傳統的大電網供電方式由于自身的缺陷已經不能滿足這種要求。目前,大電網與分布式發電相結合被世界上很多能源電力專家公認為是能夠節省投資、降低能耗、提高電網安全性和靈活性的主要方法,是21世紀電力工業的發展方向。

  分布式發電是指直接布置在配電網或分布在負荷附近的配置較小的發電機組,以滿足特定用戶的需要或支持現存配電網的經濟運行。分布式發電包括微型燃氣輪機發電、燃料電池儲能、可再生能源如太陽能和風力發電等?;詰繽榷ㄐ院途瞇鑰悸?,分布式發電系統要存儲一定數量的電能,用以應付突發事件。現代儲能技術已得到了一定程度的發展,在分布式發電中已經起到了重要作用,可以改善電能質量、維持電網穩定;在分布式電源不能發電期間向用戶提供電能。

  儲能技術在電動汽車中的作用。電動汽車以電能為動力,能夠實現運行時零排放、低噪音,是解決能源和環境問題的重要手段。堅強智能電網的建設將大大促進電動汽車的發展,包括建成完善的電動汽車配套充放電基礎設施網絡,形成科學合理的電動汽車充放電站布局,充放電站基礎設施滿足電動汽車行業發展和消費者的需要,電動汽車與電網的高效互動得到全面應用。與傳統燃油汽車相比,電動汽車還存在充電時間長、續駛里程短、使用成本高等一系列問題。其中儲能技術是阻礙電動汽車產業發展的主要瓶頸,儲能技術的發展必將帶動電動汽車產業的更大發展。

  儲能技術原理和運行模式
儲能的基本原理是,儲能技術通過功率變換裝置,及時進行有功/無功功率吞吐,可以保持系統內部瞬時功率的平衡,避免負荷與發電之間大的功率不平衡,維持系統電壓、頻率和功角的穩定,提高供電可靠性;可以改善電能質量,滿足用戶的多種電力需求,減少因電網可靠性或電能質量帶來的損失;可以利用峰谷電價有效平衡負荷峰谷,減少旋轉備用,實現用能的經濟性,提高綜合效益;此外,儲能還可以協助系統在災變事故后重新啟動與快速恢復,提高系統的自愈能力。

  就目前的儲能技術發展水平看,單一的儲能技術很難同時滿足能量密度、功率密度、儲能效率、使用壽命、環境特性以及成本等性能指標,如果將兩種或以上性能互補性強的儲能技術相結合,組成復合儲能,則可以取得良好的技術經濟性能,基于這種認為,有專家提出將飛輪儲能與抽水蓄能電站結合起來,或許能解決未來的儲能難題。

  盡管已經出現了各種各樣的儲能模式,如果不考慮其經濟性的話,飛輪儲能和抽水蓄能似乎已經普遍被業界所接受。在各種儲能技術中,飛輪儲能是能量密度、功率密度、使用壽命等技術性能結合得非常好的一種儲能技術,在很多應用中都具有優勢。

  飛輪儲能是指利用電動機帶動飛輪高速旋轉,將電能轉化成動能儲存起來,在需要的時候再用飛輪帶動發電機發電的儲能方式。飛輪儲能的研究主要著力于研發提高能量密度的復合材料技術和超導磁懸浮技術。其中超導磁懸浮是降低損耗的主要方法,而復合材料能夠提高儲能密度,降低系統體積和重量。截止2012年我國還沒有100千瓦、1萬轉以上的飛輪儲能電機。

  飛輪儲能技術是一種新興的電能存儲技術,它與超導儲能技術、燃料電池技術等一樣,都是近年來出現的有很大發展前景的儲能技術。雖然目前化學電池儲能技術已經發展得非常成熟,但是,化學電池儲能技術存在著諸如充放電次數的限制、對環境的污染嚴重以及對工作溫度要求高等問題。這樣就使新興的儲能技術越來越受到人們的重視。尤其是飛輪儲能技術,已經開始越來越廣泛地應用于國內外的許多行業中。

  抽水蓄能電站利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫,在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電的水電站。又稱蓄能式水電站。它可將電網負荷低時的多余電能,轉變為電網高峰時期的高價值電能,還適于調頻、調相,穩定電力系統的周波和電壓,且宜為事故備用,還可提高系統中火電站和核電站的效率。

  抽水蓄能電站是目前最成熟的,應用最廣泛的大規模儲能技術,具有容量大,壽命長(經濟壽命約50年),可為電網提供調峰、填谷、調頻、事故備用等服務,其良好的調節性能和快速負荷變化響應能力,對于有效減少新能源發電輸入電網時引起的不穩定具有重大意義。

但是,抽水蓄能電站其自身的劣勢也暴露無疑,其選址需要有水平距離小、上下水庫高度差大的地形條件,巖石強度高、防滲性能好地質條件,以及充足的水源保證發電用水的需求。另外還有上、下水庫的庫區淹沒問題,水質的變化以及庫區土壤鹽堿化等一系列環保問題需要考慮。

  另外還有電池儲能,儲能蓄電池主要是指使用于太陽能發電設備和風力發電設備以及可再生能源儲蓄能源用的蓄電池。儲能不僅能保證在最上游的發電環節接入的新能源電力是持續而且穩定的;在能源的使用端,白天和黑夜的巨大需求差異也需要儲能削峰填谷;而新增加的電動車,有專家表示,如果中國現有車輛全部轉換為電動車,將等于重建一個國家電網系統,簡直是災難性的投入。最理想的狀態下,電動車應不僅能作為能量的吸取方,也可將電力輸送回電網以調節峰谷,這可大大減少電網為了平衡負荷增加過多的建設。在終極能源版圖里,儲能將成為一種分布式、智能可控能源格局里基石。而現在,儲能只不過占裝機總量的不到2%。這顯然意味著在上述3個方面,儲能蘊藏這巨大的商業機會

  儲能項目經濟性難題的根源在于缺乏儲能電池關鍵性材料的研發技術,從而導致儲能電池的成本居高不下。以國內主流儲能電池如鋰電池和全釩液流電池來說,核心材料都依賴大量進口,價格高昂。鋰電池隔膜進口依賴度達到80%以上,電解質的核心材料六氟磷酸鋰的進口依賴程度更是高達80%~90%;全釩液流電池的核心部件全氟離子交換膜則全部靠進口,此膜材料一度占釩電池成本比重的50%。

  顯然,實現儲能材料加工利用的技術突破、降低儲能電池的成本,是儲能實現產業化的關鍵。對此,筆者有兩點建議:一是相關研究機構和企業要重視儲能材料關鍵性技術的研發,加強儲能技術基礎性研究,掌握核心技術;二是國家要加大儲能技術知識產權的?;ちΧ?,出臺相應的優惠政策,更重要的是制定明確的中長期產業發展規劃。

  儲能產業所面臨的挑戰

其一是經濟性難題。儲能本身是一個產業,但目前的成本居高不下也是影響儲能大規模發展的一個主要因素。當前階段大多處于示范工程的儲能工程是由社會性代替經濟性,必然會出現推廣難的問題,其關鍵材料、制造工藝和能量轉化效率也是各種技術面臨的共同挑戰。

  其二是應用性難題。由于儲能在電力系統的應用時間短,尤其目前尚未在電網系統大規模應用,其抽水蓄能電站也僅是試驗示范工程。電力行業對產品可靠性要求高,傳統上至少需要5年以上的實地可靠性測試和試用才能通過電力用戶的最低標準,導致產品規模生產前定型周期長;儲能產品的方案設計成熟度、可靠性與一定的規?;苯酉喙??;諫鮮穌庵質導?,要想在短期內大規模推廣儲能不太現實,但目前緊鑼密鼓發展的智能電網急需解決儲能這個關鍵難題,因此應用性是首當其沖的考驗。

  其三是政策性難題,儲能由于發電、輸電、配電和售電等電力系統環節整體受益,但目前尚未出現主導環節,勢必導致利益分配不公。由于儲能的經濟價值難以計算,如果由政府主導,其實施企業則會出現積極性不高等各種問題。因此,如何選擇適用的儲能技術、如何在電力系統中進行規模應用、如何建立行業機制,這也是國家相關主管部門和企業共同協商制定儲能產業政策需要考慮的核心問題。

  中國科學院大連化學物理研究所研究員張華民也指出,隨著可再生能源的普及應用、電動汽車產業的發展及智能電網的建設,各種儲能技術都面臨巨大挑戰和前所未有的發展機遇。

  作為智能電網、電動汽車和可再生能源發展的關鍵環節,儲能產業的發展引起投資者的高度關注。目前,我國儲能技術“門派眾多”,正處于產業化的初始階段。

  然而我國儲能處于初級發展階段,無法大規模的投入應用,一是各種儲能技術繁多,多數人不知如何使用和選擇;二是相關技術及性能不成熟;三是價格偏高。與國際上較為先進的國家相比,我國儲能市場沒有建立起相關產業鏈,仍處于“一窩蜂”上馬的狀態。從國家政策層面而言,在儲能方面的投入有所不足。

  從短期發展來看,儲能材料本身還沒有完美的答案。從電網的調度和儲能來說,存在產能和儲能地區問題。因此,需要在儲能發展路線、材料、技術方面有所突破,需要在效率、成本和安全問題上有所突破。
 
 
 
 
 

 

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