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我国储能技术研发布局和储能商业化进程综述
日期:2018-07-23 18:11:51 | 来源:高科技与产业化 | 点击率:124
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储能技术主要分为物理储能(如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、电介质储能、超导电磁储能等)、化学储能(如铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、钠离子电池、锂离子电池、固态锂离子电池等、电化学超级电容器等)、储热储冷、储氢四大类。封闭的储氢和燃料电池联用可以看成一个储电装置,而连续供氢和燃料电池联用可以看成是发电装置。

本文主要讨论电能存储,物理储能和化学储能都可以直接用来作为电能存储, 并能反复多次使用。按照不同应用对储能时间长短需求的不同,可以分为短时高频次储能(≤ 2 分钟),中等时长储能(2 分钟~4 小时)、长时间储能( ≥ 4 小时)。应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的用电质量、抑制电力系统低频振荡、提高系统稳定性、能量回收等属于短时间高频次储能。多数储能需求在小时级以上,例如电网调峰、大型应急电源、可再生能源接入、分布式能源、微网离网、数据中心等。较长时间的储能,主要为削峰填谷、可再生能源接入、家庭储能、通讯基站。

随着动力电池循环寿命、安全性和能量密度的提升,电动汽车的续航里程可以显著超过日常使用需求,可以发展电动汽车和电网之间的能量双向流动(V2G 技术), 通过有序充电和智能控制,改革用电结算方式和提高响应速率,电动汽车将有望发展成为重要的分布式储能载体。电动汽车上的动力电池能量保持率如果低于初始能量的80%, 一般要求更换,替换下来的动力电池如果健康状况(SOH) 和安全性符合再利用标准,则可以进一步用于分布式储能, 称之为梯次利用。V2G 和梯次利用技术发展到一定阶段,动力电池与规模储能两大产业可以协同发展,提高综合运营效益和资源使用效率。

储能技术研发成就

十二五期间,我国开始重视储能技术的发展,科技部通过“863”项目支持了相关研发, 先进能源领域储能子领域部署了物理储能与化学储能关键技术与示范电站研究,总经费1.4238 亿,其中物理储能包括压缩空气、飞轮、超导储能、相变储能,共计经费0.1986 亿,化学储能包括锂电池、液流电池和超级电容器,共计国拨经费1.2258 亿。

通过十二五项目部署,我国在化学与物理规模储能技术方面取得显著进展,掌握了多项储能技术,部分技术达到世界先进水平。

中国科学院工程热物理研究所突破了1.5MW 具有自主知识产权的超临界压缩空气储能系统技术,完成了示范运行,性能指标优于同等规模的国外压缩空气储能系统。

多家锂离子电池企业掌握了规模储能锂离子电池系统技术, 其中BYD、CATL、中航锂电、银隆等企业参与了40MWh 磷酸铁锂体系和钛酸锂体系的锂离子储能电站示范项目,在张北国家“风光储输示范工程一期项目”中获得了初步应用。

863 项目还实施了软碳负极、层状锰酸锂正极的储能型锂离子电池的开发,这是国际上首次采用此材料体系,循环性达到7000 次,进一步降低了锂离子电池成本,同时促进了软碳和层状锰酸锂材料的产业化。还实现了500kW/328kWh 级微晶掺杂尖晶石锰酸锂锂离子储能电池示范、500kWh 级锰酸锂三元复合正极储能电池示范、0.6MWh 风光储互补微网系统的应用示范、100kW 基于钛酸锂系负极材料的移动式储能示范、以及0.5MWh/1MW 钛酸锂电池储能电站的光储应用示范。

液流电池方面,国内有中科院大连化学物理研究所、清华大学、中科院沈阳金属研究所、中南大学、大连融科储能技术发展有限公司、普能公司、德沃普、万利通、银峰新能源等多家研究单位和企业从事液流电池的研发和产业化工作。

在关键材料基础研究和电池系统集成及应用示范工程方面取得了重大突破。大连化物所牵头国际相关标准的制定,该团队实施了包括2012 年全球最大规模的5MW/10MWh 全钒液流电池储能系统商业化应用示范项目在内的近30 项应用示范工程,应用领域涉及分布式发电、智能微网、离网供电及可再生能源发电等领域。

近年来,通过电池关键材料和电堆结构设计创新,使电堆的功率密度显著提高。电堆的额定工作电流密度由60~80mA/cm2 提高到120~150mA/cm2,电堆的功率密度提高了一倍,从而使成本显著降低。十二五期间, 在固态锂离子电池方面进行了初步探索,形成了材料、电芯的制备技术,突破了几十公斤级材料的相关制备工艺,为今后储能技术的发展奠定了重要基础。

压缩空气储能技术在国内起步较晚,但发展很快。中国科学院工程热物理研究所、华北电力大学、西安交通大学、华中科技大学等单位对压缩空气储能电站的热力性能、经济性能、商业应用前景等进行了研究。2013 年,中科院工程热物理研究所完成了1.5MW 先进压缩空气储能系统示范;并于2016 年完成了10MW 先进压缩空气储能系统关键技术研发和示范。在2015 年,由清华大学、中国科学院理化技术研究所及中国电力科学研究院共同研制的500kW 级非补燃压缩空气储能发电示范系统在安徽芜湖实现发电,实现了发电出功100kW 的阶段目标。

飞轮储能方面,2016 年12 月15 日, 我国首台MW 级飞轮储能电源工程石油钻井工程飞轮储能样机在河南省濮阳市中石化中原油田卫453 井现场实现了演示示范。同时具有储能和限流两种功能的1MVA/1MJ 超导储能—限流系统样机自2017年1月6日在玉门低窝铺风电场10kV 电网系统并网运行,其并网谐波畸变率为2%,功率响应时间0.8ms,有效提高了电能质量和低电压穿越能力,综合技术性能达到国际先进水平。

总体而言,通过十二五项目部署,我国已经形成了锂离子电池、超级电容器储能产业链, 研发实力和产品竞争力明显提高,储能产品已开始批量进入国内外市场。先进液流、超临界压缩空气等储能技术成熟度显著提高,进入大规模示范阶段,为后续产业化奠定了良好的基础。从示范应用效果看,储能的应用能够给电力系统、分布式能源、可再生能源带来包括经济、环境和社会效益的综合价值。但由于目前还未形成衡量这种综合收益的商业模式,储能产业链尚未完全形成,与此同时,各类储能技术仍然在快速发展,新的更具竞争力的储能技术也在进一步涌现,智能电网整体技术和路线尚不清晰,储能国家发展政策尚未形成,市场驱动力尚显不足。

前瞻技术研究布局

十二五期间通过在储能方向的探索,科技部、学术界和产业界的专家学者认识到,通过加大技术开发投入力度、提高现有储能技术水平、发展新型储能技术、提高储能的技术经济性、扩大储能示范应用规模,从科学和技术上为我国大规模储能技术的发展奠定基础,广泛研究适合我国国情的储能技术的各种商业盈利模式,在新一轮能源革命中占据先机非常必要、迫在眉睫。

考虑到储能技术的主要应用领域是智能电网,动力电池在新能源汽车重点专项中获得支持,十三五期间,国家对储能方向的支持与智能电网合并,在2016 年启动了智能电网和装备重点专项,储能作为其中的基础支撑技术获得支持,共计安排了2.9433 亿国拨经费。具体而言,设立了三个任务,包括大规模储能关键技术研究任务,新型储能器件的基础科学与前瞻技术研究,海水抽水蓄能电站前瞻技术研究。

大规模储能关键技术研究任务属于重大共性关键技术,实施时间为2016-2021 年。重点研究内容包括:适合大规模储能的锂离子电池、液流电池、压缩空气储能技术、梯次利用动力电池规模化工程应用关键技术。研究提升储能单元使用寿命、能量转换效率、能量密度、安全性能的关键材料及创新结构,研究降低储能单元、模块、系统成本的关键技术,以及动力电池的梯次利用关键技术。

具体目标为突破100 MWh 级锂离子电池、10 MW 级/40MWh 液流电池与10 MW 级/100MWh 压缩空气储能系统的关键技术,掌握大规模储能的单元与模块技术,提升现有储能研发、制造、应用水平,满足智能电网中大规模可再生能源高比例消纳和分布式储能对于储能系统技术经济性、能量效率、安全性、可靠性的要求,建立大规模储能系统安全及失效分析的方法和标准,显著提高梯次利用电池的综合技术经济性。

新型储能器件的基础科学与前瞻技术研究任务属于基础研究,实施时间为2016-2021 年。重点研究内容包括研究开发能显著提升和超越现有储能技术水平,针对大规模储能、分布式储能等不同的能量级别、功率级别、应用场景的多种新型储能技术。支持储能技术的共性基础科学问题研究,包括储能新原理、能量储存与转换过程中的热力学、动力学、稳定性、失效机制、关键材料匹配等。研究开发具有更高性能的新材料、新结构、新设计。探索研究和筛选适合智能电网各类应用的新型储能技术。在基础科学方面,掌握新型储能技术中关键材料设计、结构优化设计、器件响应行为,掌握储能器件服役过程中性能演化行为及其演化机理。完成对新型储能器件的综合技术指标、技术经济性评价和在规模储能中的应用前景分析。

新型储能技术的核心材料、器件、应用、关键制造技术形成完整的自主知识产权体系。预期成果为研制的新型储能器件关键性能,如能量密度、功率密度、能量效率、循环寿命、成本、安全性等显著超越现有储能技术,储能单元与模块可靠性高,响应速度快, 工作温度宽,环境适应性强,全寿命周期可以做到免维护、环境友好,储能单元的设计易于模块化及灵活配组安装。十三五期间安排了钠离子电池、锂离子电容、储能型固态锂电池、液态金属电池四个项目,项目结束后,都要求实现kWh 级以上验证,并突破相关关键技术。

海水抽水蓄能电站前瞻技术研究任务属于共性关键技术, 实施时间为2017-2020 年,研究内容包括对沿海地区海水抽水蓄能资源、开发潜力和生态环境影响进行评估,电站建设规划和选址的要求,水轮机设计与制造技术,水轮发电机组变速技术的应用,海水抽水蓄能电站与可再生能源联合运行技术,海水抽水蓄能管道防腐蚀与生物附着问题,电站坝体防浸袭技术,进行海岛小容量海水抽水蓄能电站试验。

具体目标为掌握海水抽水蓄能与可再生能源的优化运行技术,研制适用于海水抽水蓄能水轮变速机组样机,初步提出发电设备、水路装置防腐蚀、防止以及清除海生生物的附着、防止海水渗透、防止漂砂流入等措施,建设200kW~1MW 海水抽水蓄能试验电站,建立我国小型海水抽水蓄能电站试验研究平台。预期成果为完成我国海水抽水蓄能资源评估报告,提出海水抽水蓄能电站建设环境和经济效益评估方法和海水抽水蓄能与可再生能源优化运行方案,提出海水抽水蓄能建设防腐蚀、渗透、海生生物附着等问题的解决方案以及防海生生物附着的技术措施,完成适用于海水抽水蓄能的1MW 水轮变速机组样机研制,建成200kW~1MW 海水抽水蓄能试验电站。

目前各类规模技术仍然在发展阶段,总体而言,不断提升储能技术的安全性、循环寿命与服役寿命、能量效率、响应速率、可靠性与智能化水平、降低初次采购成本和度电使用成本、减少储能装备的制造和使用对环境和资源的压力是总体发展目标。通过市场和各类商业应用检验,在不同应用中具有技术经济性,并能形成完整产业链的储能技术将逐渐明确。

储能产业商业化进程

2017 年,国家发改委、财政部、科技部、工信部、能源局联合发布了《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》,进一步确定了未来10 年的发展目标,共分两个阶段,第一阶段实现储能由研发示范向商业化初期过渡;第二阶段实现商业化初期向规模化发展转变。

十三五期间,建成一批不同技术类型、不同应用场景的试点示范项目;研发一批重大关键技术与核心装备,主要储能技术达到国际先进水平;初步建立储能技术标准体系,形成一批重点技术规范和标准;探索一批可推广的商业模式;培育一批有竞争力的市场主体。储能产业发展进入商业化初期,储能对于能源体系转型的关键作用初步显现。

十四五期间,储能项目广泛应用,形成较为完整的产业体系,成为能源领域经济新增长点;全面掌握具有国际领先水平的储能关键技术和核心装备,部分储能技术装备引领国际发展;形成较为完善的技术和标准体系并拥有国际话语权;基于电力与能源市场的多种储能商业模式蓬勃发展; 形成一批有国际竞争力的市场主体。储能产业规模化发展,储能在推动能源变革和能源互联网发展中的作用全面展现。

规模储能产业正在兴起,规模储能是智能电网、可再生能源、分布式能源、工业节能、数据中心、智能建筑、国家安全应用等重大应用的重要支撑技术。

今后需要针对不同的应用,进一步加快发展先进的化学、物理储能技术,建立国家级大型储能系统公共测试分析平台,完善与规范相关标准、检测与认证体系;通过进一步示范,尽快全面掌握适合我国国情、针对多种应用场景、不同规模的储能本体和系统集成技术,提高各类储能技术经济性。通过十三五和十四五期间各级政府、科研机构、高等院校、国有与民营企业、投融资机构的协同努力,形成在世界范围内具有核心竞争力的储能产业链,推动我国能源技术的革命。

 

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