锂电池作为储能装置在新能源高效利用中的作用

随着舟山以风电为主的新能源项目不断投运和新建, 新能源装机容量占当地电力容量比例逐渐加大, 若不配置必要的储能装置, 将会影响到局部电网的稳定, 从而最终影响新能源产业的建设。本文以舟山为新能源发展为背景, 探讨锂电池作为储能装置在新能源的高效利用中的作用。

1 海岛型新能源资源的主要类型及特点

新能源又称可再生能源, 是指传统能源 (煤、石油、天然气、核电以及水电) 之外的各种能源形式, 主要包括了风能、太阳能、生物质能、地热能、核聚变、海洋能、以及可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。在舟山地区其新能源产业主要涉及到风电、太阳能、潮流能等。

风电资源:舟山群岛处于东南沿海风能丰富地带, 拥有丰富的风能资源。依据《浙江省舟山市风电发展规划报告》 (初稿) , 至2015年舟山可累计建成风电装机容量约860MW, 其中陆上风电场约260MW (已经投产或在建的项目有岱山衢山项目40.5MW, 定海岑港项目45MW, 定海长白项目12MW, 拟建定海小沙项目30MW, 定海金塘项目25.5MW) , 近海风电场约600MW (拟建普陀六横项目500MW) 。至2020年, 舟山风电总装机容量可达1850MW, 其中陆上风电场约300MW, 近海风场约1550MW;至2030年, 总装机容量可达2900MW, 其中陆上风电场约300MW, 近海风电场约2600MW[1]。

太阳能资源:根据中国太阳能资源分布统计分析, 浙江省大部分地区日照属四类地区, 舟山地区太阳能资源在全省属较高水平, 全年日照时数为1400h~2200h。在每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量为4190MJ~5016MJ, 有一定的太阳能开发价值。

潮流能资源:舟山群岛不但拥有丰富的风能, 在星罗棋布的群岛中, 峡谷众多、水深流急, 潮流能蕴藏量更是惊人。舟山潮流能具有相当大的开发潜力, 有专家估计可开发资源占据全国潮流能资源的50%以上。根据资源分析, 其资源规模达到2400万千瓦。

目前具有开发价值中占较大比例是风电、太阳能资源, 其分别受风力和光能的制约, 发电具有间歇和不可控的特点。潮流能受到潮流的影响, 相对风电和太阳能输出更加稳定, 但是其资源目前处于开发试验阶段, 量能较小, 具有波动性特点。这些新能源, 若大规模直接接入电网, 将对电网的稳定性和可调度性造成一定的困扰, 因此随着近几年风电的大量发展后, 地方政府和电力部门的支持力度逐步衰退。随着新能源电能储备技术的发展, 改善了新能源的随机性和波动性, 这将可能再次推进新能源的发展, 有效实现新能源发电的平缓输出和有效调度。

2 各种储能装置的比较特点

目前储能技术依照其工作原理主要分为三类, 分别是物理储能、电磁储能和化学储能。

(1) 物理储能。主要是抽水蓄能电站、压缩空气蓄能以及飞轮储能。抽水蓄能电站目前主要解决的是电网高峰低谷直接的平衡, 为使发电频率保持恒定, 水轮机-发电机组往往采用采取恒速恒频运行方式。压缩空气储能主要基于天然的溶洞或人工储罐的方式, 将富裕的电能做功将空气压缩, 需要时再将空气释放出来做功发电。这两种方式都可能具有大规模、高的能量转换率、长寿命和低运行成本的优点, 但是其需要特殊的自然条件才能很好的实现, 若人工创造条件, 一次建设成本过高。飞轮储能主要核心技术掌握在美国、德国等国外厂家手里, 国内的理论研究和工程实践做了一些工作, 但是进展缓慢, 并且受到技术水平的限制, 其能源转换效率较低, 大功率实践难度较大。因此物理储能方式较少应用在海岛的新能源储能系统中。

(2) 电磁储能。主要是指超导储能和超级电容器等两种方式。其中超导储能是利用由超导制成的线圈, 将电网供电励磁产生的磁场能量储存起来, 在需要时再将存储的能量送回电网或作它用, 其具有响应速度快、转换率高、比容量大等优点[2], 其主要是改善电网的暂态特性, 由于其能量维持在几分钟以内, 所以目前不是很适合作为新能源的储能装置。超级电容器和超导有类似的特性, 也是主要提升电能质量, 并且按照目前的水平, 只能做到最大100kW左右, 容量太小。

(3) 化学储能。主要指钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍镉 (镍氢) 电池和锂电池。钠硫电池是在300℃的高温环境下工作, 其正极活性物质是液态的硫, 负极活性物质为液态金属钠, 中间是多孔陶瓷隔板。钠硫电池发明于20世纪60年代, 由美国福特公司首先发明, 后来由于性能提升、安全保障、成本和规模化等原因, 原先涉足的生产厂家陆续推出研究, 目前只有日本的NGK公司拥有成熟的钠硫电池生产和研发体系, 在日本投入运行最大单体储能系统达8MW/58MWh[3]。液流电池, 也称电化学液流电池, 一般称为氧化还原液流电池, 其中若正负极活性物质全使用钒盐溶液的称之为全钒液流电池, 其正负极电解液分开各自循环, 其特性是能完全深度放电, 存储寿命长, 但是能量密度低、占地面积大以及日常维护困难等原因, 并且处于商业化初期。铅酸电池是目前相对比较成熟的储电技术, 其具有价格低廉, 安全性能相对可靠等优点, 但是由于其充电速度慢、能量密度低、寿命短以及可能出现硫酸溢出等弊端, 特别是环保的不友好性, 行业发展受到限制。镍镉 (镍氢) 电池。由于金属镉的环境污染问题, 镍镉电池将被镍氢电池替代, 镍氢电池由镍镉电池改良而来, 其具有较高的能量密度、环境友好、使用寿命较长等优点, 但是由于存储氢的材料铂、镍资源的稀缺性限制了其规模化的发展, 目前国内上海电力公司建设的100kW储能实验区建立了100kW×1.5h的镍氢电池储能系统。锂电池大量应用于手机、数码产品中, 不仅具有高比能量、高比功率、高能量转换率等优点, 还具有环境友好, 长寿命等特点, 随着国内锂电行业规模化的发展, 应用行业从手机和数码行业向电动汽车行业发展, 并且成本逐年下降, 特别是基于磷酸铁锂电池等开发和应用, 安全性和使用寿命等得到很大的提高, 使得锂电成为化学电池储能日益成熟。其中目前最大的锂电储能系统位于智利, 系统总容量达12MW, 已于2009年11月建成投产。

以上几种常用的储能技术在电力系统中的应用方向的比较如 (表1) [4]。

3 应用于海岛新能源项目的储能装置的要求

受到海岛地域的制约, 一般适合海岛新能源储能装置需要以下五个方面的要求[5]。

(1) 长寿命, 考虑到风电和太阳能装置的使用寿命, 因此要求储能系统能达到10~15年以上的使用寿命, 循环寿命 (70%DOD (深度放电) ) 超过3000次。

(2) 高充电效率, 储能装置效率需要大于85%, 储能系统效率需要超过70%。

(3) 投资, 要求更低的一次性投资和更快的投资时间。

(4) 运营成本, 要求更低的日常维护运行成本。

(5) 安全环保, 需要日常运营中更加可靠的安全性能和环境友好型。

随着技术的发展, 多种储能方式都将可能在未来满足以上的要求。电力储能领域是随着新能源出现的新兴产业, 多种技术路线都存在博弈, 发展路径还在探索中, 技术并非成熟。相对而言化学储能方式是较为成熟的电力储能方式, 其中铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、全钒液流电池等都各有优缺点。随着锂电池技术在国内外电动汽车领域大发展的带动下, 单位成本不断下降, 使得锂电作为能源储能成为可能, 其具有长寿命、高充电效率、低运营成本和环境友好等特性较好的满足了海岛新能源项目储能装置的要求, 将成为储能领域一个重要的技术发展方向。

4 国内锂电池行业的特点

锂离子电池的原材料主要包括正负极材料、电解液、电极基材、隔离膜和罐材等。其中, 正极材料是锂电池中最为关键的原材料, 直接决定了电池的安全性能和电池能否大型化, 同时也是锂电池成本占比最高的材料, 约占锂电池电芯材料成本的1/3左右。目前, 正极材料主要有镍钴锂 (LiNiCoO2) 、锰酸锂 (LiMn2O4) 和磷酸铁锂 (LiFePO4) 等, 负极材料为石墨。

此前, 锂电池成本之所以高于镍氢电池, 主要原因就在于其正极材料使用的是以贵金属钴为原料的钴酸锂, 锰酸锂和磷酸铁锂由于成本优势更为明显, 正逐步成为锂电池的主要发展方向。也即, 锂电池之战主要在锰酸锂与磷酸铁锂之间展开。与锰酸锂相比, 磷酸铁锂的容量密度更高, 前者为1 0 0~1 1 5 m A h/g, 后者为1 3 0~140mAh/g;充放电寿命更长, 前者为500次以上, 后者可达1500次以上;工作温度区间更大, 前者为0℃~50℃, 后者则为-40℃~70℃;磷酸铁锂的生产成本也要低于锰酸锂。

因此安全性能好且大电流的磷酸亚铁锂作为储能装置是发展前景最好的。2010年磷酸锂铁电池市场规模达1, 588亿元。其中以电动汽车市场占比重最大, 达到61%[6]。长期而言仍将以汽车市场规模最大, 风电、太阳能储能设备的电池需求也不容小觑。总之, 磷酸亚铁锂电池市场商机无穷。

我国锂电池工业体系具有以下几个特点:原材料供应丰富, 其中已经探明的锂资源基础储量达到523万吨, 仅次于玻利维亚的540万吨[6];成本控制基本到位, 磷酸锂铁电池A级品零售价位8元/Ah, 技术含量比较高的高端500Ah电池组, 价格也在15元/Ah;行业竞争激烈, 从事于锂电行业的企业达到上千家, 2009年, 国内锂电产量为15亿只, 产能约为25.5亿Ah/a[7];行业协调发展, 电动汽车、智能电网和其他储能产业之间的关系正在加深。当然锂电行业仍然还有制约发展的因素。比如技术要求, 由于为了满足储能装置的电压和容量的要求, 通常是锂电池通过并联形成一定容量的电池组, 再将电池组进行串联提高电压, 各个电池较难形成统一的充放电曲线, 因此可能就会产生充放电不均衡性, 从而出现整体储能装置中出现局部充电不足和过放电的现象, 最终导致储能装置整体性能和寿命下降;部分核心部件仍然依赖与进口, 比如锂电池中一个重要组成部分隔膜基本靠进口, 国内仅个别厂家掌握了隔膜制造技术, 若能将类似的核心部件实现规模化国产化, 将可能继续降低整个锂电池的整体制造成本;规模化有待加强, 虽然有上千家涉锂企业, 以及锂电池行业2010年将出现爆发性需求增长, 但是截至去年全国实现磷酸铁锂电池批量生产的企业有12家, 年产量2400t[6], 扩大锂电池的生产规模化, 提升自动化水平, 降低成本, 这些需要资金的大量介入, 另外还需要配套电池管理系统和充电装置等设施的大量先期投入, 因此整体发展锂电储能行业, 还有待时日。

5 储能装置在新能源电场中的配置

储能装置在新能源市场中的配置主要分两方面, 其一是独立新能源 (光伏、风电) 系统中装机容量和储能电池需求量之间的配置比例, 其二是并网新能源 (光伏、风电) 系统中装机容量和储能电池需求量之间的配置比例。

针对独立新能源 (光伏、风电) 系统中装机容量和储能电池需求量之间的配置比例问题, 文献[8]基于选用2V, 2000Ah的阀控铅酸电池为基础数据探讨了我国新能源储能电池产业技术经济分析。其研究结论为在独立光伏系统中, 储能配置每kW独立光伏系统对应储能电池需求为6kAh, 根据一般单个磷酸铁锂电池的电压等级为3.5V, 经过容量折算6kAh×2V=3.43kAh×3.5V, 因此在独立光伏系统每kW配置磷酸铁锂电池比例为3.43kAh。独立风电系统中储能配置为:每k W独立风电系统对应储能电池需求为4k Ah, 根据一般单个磷酸铁锂电池的电压等级为3.5V, 经过容量折算4kAh×2V=2.28kAh×3.5V, 因此在独立风电系统中, 每kW配置磷酸铁锂电池比例为2.28k Ah。

在独立新能源系统中, 假设的市场对储能电池的蓄电为30个小时, 根据研究资料[8,9]显示, 新能源 (光伏、风电) 并网储能调峰技术对储能电池的要求为蓄电3h~4h, 因此对每kW光伏系统并网后需配备储备锂电池为0.34kAh~0.46kAh, 每kW风电系统并网后需配备储备锂电池为0.23kAh~0.30kAh。

以配备3h的储备锂电为参考, 风力发电机组选用780kW, 则需配锂电780×0.23k Ah=179.4kAh, 锂电容量为179.4kAh×3.5 V=627.9kWh=209.3kW×3h, 若4台780kW的风力发电机组, 需要近同等风力发电机组的容量 (209.3×4=837kW) 的蓄能3h的锂电池。中科院研究人员也通过数据拟合得出, 为了满足风电输出功率极限以及容量极限的要求, 在储能系统输出容量为750kW/4h、风力发电机单机容量为780kW时, 储能系统可以满足绝大多数时间内将1~4台规模的风电场系统输出功率每分钟波动限制在装机容量的10%以内[10]。因此在小规模的储能系统和风电场规模保持1∶4的功率比较为适宜。在大规模的风电场中, 考虑到多台风力发电机的自平滑性, 可以降低整体风电场输出功率的波动, 因此可以适当降低储能系统的容量配备规模。

6 展望

虽然目前中国锂电池在新能源领域的没有大规模的应用, 但是随着风力和光伏发电的容量不断扩大, 需要大规模的化学储能系统, 作为锂资源大国的中国, 必然会加大锂电行业的投资力度, 提升锂电池的性能, 因此无污染的锂电池将是新能源储能装置一个不错的选择。随着国家电网与河北省张北县就建设全国第一个风光储能综合示范项目 (开发规模为50万千瓦风电、10万千瓦太阳能光伏发电、7.5万千瓦化学储能, 建成后该项目将成为世界上最大的太阳能光伏发电场、最大的风光储实验中心、第一个超百万千瓦风电集中输出检测基地、世界上规模最大的风光储三位一体示范工程) 合作协议书的签订, 预示着储能技术在新能源的高效果利用中将会有更加广阔的前景。

摘要：通过各种储能装置的比较, 提出将锂电池作为储能装置配置新能源发电系统中, 使新能源能更加高效的利用。同时给出了锂电池的在新能源电场中的配置比例。

关键词：锂电池,储能装置,新能源

参考文献

[1] 李程, 李剑, 崔芳芳.舟山海岛电网规划方案探讨[J].浙江电力, 2011, 6:7.

[2] 甄晓亚, 尹忠东, 孙舟.先进储能技术在智能电网中的应用和展望[J].电气时代, 2011, 1:45.

[3] 史正军, 李勇琦.MW级电池储能站在电网中的应用[J].科技风, 2010, 19.

[4] 张文亮, 丘明, 来小康.储能技术在电力系统中的应用, 电网技术[J].2008, 4:1～9.

[5] Xiaobin Huang, Beibei Jiang, Researchon Lithium Battery Energy StorageSystem in Wind Power, 2010 Interna-tional Conference on Electrical andControl Engineering (ICECE) :1200～1203.

[6] 中投顾问产业研究中心, 电气器材制造业研究部.2011年至2015年中国锂电池行业投资分析及前景预测报告[R].2 0 1 1, 5.

[7] 中投顾问产业研究中心.2010年至2015年中国锂电池正极材料行业投资分析及前景预测报告[R].2010, 5.

[8] 范宝骥.我国新能源储能电池产业技术经济分析[D].吉林大学硕士学位论文, 2 01 0, 5.

[9] Liang Liang, Li Jianlin and Hui Dong, An Optimal Energy Storage CapacityCalculation Method for 100MW WindFarm, 2010 International Conference onPower System Technology:1～4.

[10] 梁亮, 李建林, 惠东.大型风电场用储能装置容量的优化配置[J].高电压技术, 2011, 4:930～936.