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儲能電池技術前景

作者:劉春娜 來源:中國新能源網 發布時間:2016-04-07 瀏覽:
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中國儲能網訊:面對日益枯竭的傳統能源,不斷惡化的環境,世界各國加快了尋找替代能源的步伐,紛紛出臺新能源政策和措施,新能源產業正成為未來經濟發展的主要增長點。

1、發展新能源的關鍵環節—儲能技術

儲能技術與新能源應用、電網的發展緊密相連,可以有效提高能源利用效率,并且可以解決偏遠地區供電等問題。因此,儲能技術是太陽能風能發電成為主力能源需要解決的關鍵技術,是發展新能源無法繞開的關鍵環節。業內人士認為,儲能電池的未來應該在風電和光電產業,其中尤以已經大量布局的風電產業為主。由于風力資源具有不穩定性,因此,雖然近年來風、光電產業發展勢頭迅猛,但一直飽受并網的困擾,儲能技術的應用,可以幫助風電場輸出平滑和“以峰填谷”。

目前主流的儲能技術包括物理類儲能和電化學儲能兩類。物理類儲能有:抽水蓄能、壓縮空氣、飛輪儲能及超導儲能、開放式循環氣體渦輪等。電化學儲能有:鈉硫電池、釩電池、鋰電池、鉛酸電池等。其中,電化學儲能技術由于具有建設周期短、運營成本低、對環境無影響等特點已經成為電網應用儲能技術解決新能源接入的首選方案。

新能源產業發展需求儲能電池,發展新能源產業必須大力發展高安全、長壽命、高能量密度的儲能電池。針對電網應用的儲能電池要求大容量,市場上較多見的是鋰離子電池、鈉硫電池和液流電池技術。對電網儲能應用,尤其是風力發電儲能應用來說,全釩電池和鈉硫電池是兩種主要的已經被市場認可的商用技術。表1是電化學儲能主要技術的對比。各種儲能電池的特點及適用性如表2。

釩電池

釩電池通過不同價態的釩離子相互轉化實現電能的儲存與釋放。充電時,通過對電池的充電,將電能轉化為化學能儲存在不同價態的釩離子中;當發電裝置不能滿足額定輸出功率時,電池開始放電,把儲存的化學能轉化為電能。釩電池的容量取決于電解液的存量,理論上來說,它的儲液裝置可以做得很大,而且只要不受污染,它的壽命會很長。釩電池的充、放電性能好,能夠進行大功率的充電和放電,選址自由度大、占地少,可以很好地把太陽能風能融入到住宅或者工業場所中,未來在大規模儲能方面的應用具有其他電池無法比擬的優勢。

釩電池作為一種新型清潔能源存儲裝置,經過美國、日本、澳大利亞等國家的應用驗證,憑借其大功率、長壽命、支持頻繁大電流充放電、綠色無污染等明顯技術優勢,主要應用于再生能源并網發電、城市電網儲能、遠程供電、UPS系統、海島應用等領域。釩電池技術已經基本成熟,千瓦級的產品已經在產業化的生產階段。日本北海道的釩電池示范系統已經充放電27萬次。

北京普能公司已經在釩電池的電堆集成技術、關鍵材料研發以及電解液制備技術等方面取得重大成果。此外,承德新新釩鈦有限公司、攀鋼鋼釩、天興儀表、銀輪股份、承德萬利通集團、北京金能燃料電池有限公司、青島武曉集團等公司也已經開展釩電池的研發,并已取得了一定的成果。2012年5月,由普能公司經過多年研發設計而成的一款釩液流電池在美國并網啟用。這款具備電網級規模循環儲電的全釩液流電池儲能系統獲得了加州愛迪生電力公司的并網運營許可。普能公司此次開發出釩液流電池系統后,證明兆瓦級全釩液流儲能系統解決方案已經成功地提高電力系統的生產力,同時也在進一步降低運營成本及產品制造成本。

鋰離子電池

在全球便攜式儲能電池市場,鋰離子電池由于其在能量密度方面具有絕對優勢而占據絕大部分份額。

鋰離子電池是最常見的電化學儲能電池,手機、筆記本電腦的電池多為鋰離子電池。高能效和電力容量上的優越性也讓鋰離子電池的市場擴大到交通領域。小型鋰電池的研發和推廣已經非常成功,但是,鋰電池的大型化卻是困難重重,面臨造價高、運行溫度高和易短路等問題。雖然在鋰離子電池的研發方面已經取得了實質性進展,但是還需要很多工作來延長電池的使用壽命,還要提高電池使用時的安全性并降低材料成本。

從鋰電池的使用量來說,電動汽車產業應該遠遠高于風、光電產業,而且這一趨勢會保持相當長的一段時間。

雖然鋰電池規模過大時,在能量控制上非常復雜,但是,國家電網在風光儲輸一體化項目招標中仍傾向于鋰離子電池。在其招標公告中,招標范圍提及了磷酸鐵鋰電池,并表示采購將分為兩個包,分別為14兆瓦和4兆瓦。國網對鋰離子電池的青睞還體現在第七屆亞洲風能大會上,當時,國網展示了一臺可同時給20個標準電池充電的移動充電倉,其中存放的電池也是磷酸鐵鋰電池。

據了解,日本、美國等發達國家都已經開始了把電動汽車作為一種分布式儲能方式的前沿研究。日本大阪正在規劃中的“EV模范城市”之中,就有這樣的設計。

盡管鋰離子電池在電動汽車領域的發展前途普遍被看好,但在大容量儲能市場上,它還不具備競爭的絕對優勢。鋰離子電池的兆瓦級儲能是很前沿的研究,全國近百家做電池的廠商中,能做容量較大電池的最多不超過10家,剩下的多采用小電池并聯。大容量儲能電池目前有兩種技術路線,一種是專門開發大容量電池,國際上主流的技術是鈉硫電池和液流電池;另一種就是上述把電池并聯做成較大容量,以鋰離子電池技術為主。這是因為鋰電池具有其他兩種技術望塵莫及的產業鏈,從資源供應商、電池材料,到下游的封裝工藝都有無數公司在做。

鈉硫電池

鈉硫電池通常被建在一個管狀設計中,并結合鈉硫等元素,鈉與硫會通過化學反應將電能儲存起來,當電網需要更多電能時,它又會將化學能轉化為電能釋放出去。這種電池的優點是單位質量或單位體積所具有的有效電能量高,可以在短時間內釋放大量能量,是為車輛和其他應用工具供能的良好選擇;缺點就是材料的成本高,且電池運行時的溫度很高,運行的可靠性曾受到質疑。

西北太平洋國家實驗室的研究人員稱,通過改良電池的形狀能夠提高電池的能效并降低電池運行時的溫度。實際上,這個實驗室正在同一家美國電池公司聯合研究對這種電池的改進方法。

鈉硫技術因為鈉、硫資源易得,又具備做成大容量的條件,國際上電化學儲能的成功案例都是使用這項技術,主要是日本NGK的技術,但因為產能的限制,NGK的產品在市場上供不應求。

鉛酸電池

在風能、太陽能系統所使用的儲能蓄電池中,鉛酸蓄電池仍占據較多的份額,這主要是鉛酸蓄電池充放電效率高、耐溫性能好、容量大、安全性好、成本低。

風能、太陽能發電裝機容量將會以很快的速度發展,鉛酸蓄電池是發電系統中的重要部件,也是離網系統不可替代的部件,因此蓄電池的需求量將會迅速增加。但是,由于眾所周知的環保問題,鉛酸電池正面臨重整河山待后生的局面。

鉛碳電池是從傳統的鉛酸電池演進出來的技術,研究人員發現,增加一點碳,能夠顯著提高鉛酸電池的壽命。作為太陽能和風能儲能的后備選項,鉛酸電池能量密度高,是個不錯的選擇。但是,鉛碳電池的推廣也面臨著成本問題。這類電池的成本費用依然維持在每千瓦小時500美元,而研究人員認為,需要降低成本至每千瓦小時150~200美元才可行。

2、儲能電池發展趨勢

在離網系統中,蓄電池是決定使用成本的重要因素之一。這是因為能量轉換系統一般使用壽命可達10年以上,而儲能電池壽命一般3~4年,因此蓄電池是整個系統的關鍵部件,決定著使用成本。符合發展趨勢的儲能電池技術需要達到以下幾方面要求:系統規模要求達到MW/MWh級規模能力;具有MW/MWh級下的安全性;循環壽命應達到5000次以上;能源轉換效率在80%以上;可以批量化、標準化生產;便于安裝、運行與維護;當然成本也要足夠低。

隨著儲能技術不斷突破,專家預計2015到2020年,鋰離子電池和鉛炭電池循環使用壽命大于5000次,每千瓦時發電單位成本低于1500元,轉換效率大于80%;全釩液流電池循環壽命大約10000次,每千瓦時發電單位成本低于1500元,轉換效率大于70%。

關鍵字:儲能電池

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