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不同应用场景下储能技术路线的选择
2017-10-19 10:44:41  作者:  来源:兴业电新  
  •   我们在之前的科普报告中,已经详细介绍了多种储能方式及系统,现在有必要对此前几篇报告的内容进行一定回顾,同时对大型电能储存情况进行探讨,对比不同储能装置的特征,从而能够针对各种不同的场景,选择最合适的储能装置。

  我们在之前的科普报告中,已经详细介绍了多种储能方式及系统,现在有必要对此前几篇报告的内容进行一定回顾,同时对大型电能储存情况进行探讨,对比不同储能装置的特征,从而能够针对各种不同的场景,选择最合适的储能装置。

  思考的问题

  1、在已经介绍过的几种储能装置中,各自最大的特点分别是什么?

  2、当前商业化应用较成熟的是哪几种装置?

  3、各类储能装置如何应用在电力生产、输送和使用的各个环节?

  重要结论

  抽水蓄能及蓄电池储能是目前商业化程度较高的两种储能技术,而发展相对完善、技术可靠性很高的只有抽水蓄能一种。对我国来讲,储能是改善目前弃风弃光、城市短时超负荷用电、降低用电成本的重要途径,需要大力发展。充分考虑各类储能装置的特点,除抽水蓄能外,对其中1-2种其他技术进行集中科研、突破并大规模装备,将能够极大促进的我国储能行业发展。

  储能系统的选择

  回顾我们已经介绍过的所有储能系统,抽水蓄能是目前唯一一种发展完善且可靠性较高的储能技术。全世界的商用抽水蓄能装置装机容量超过50GW,目前还有不少于10GW在建。抽水蓄能的主要问题在于,有时很难找到合适的选址,选址需要临近电网且拥有合适的物理特性,还需要建造大规模土木工程,同时还要考虑对环境的影响。

  将压缩空气泵送至地下是相对抽水蓄能而言能量密度更高且选址更为容易,对同样的经济上切实可行的装置而言,其规模更小,建造时间更短(最长5年)。但是其问题在于,压缩空气储能的装置规模相对较小(最大为百万kWh),且由于压缩过程中空气温度会不断升高,因此储存前需要进行冷却以防止岩石断裂或盐穴蠕动。将空气输入汽轮机驱动发电机前需要再次加热空气,这一过程降低了其转换效率。另一点不利因素是,压缩空气储能需要使用优质燃料如天然气等驱动燃气轮机。

  电解水产生的氢气可以作为储存能量的方式,如果与我们讨论过的燃料电池储能结合的话,氢气可以储存为压缩气体,通过燃料电池可将其转化为电力。氢气储能装置在选址和运行方面有更大的灵活性,运输可以借鉴完善的天然气运输技术。如果是通过管道运输的话,其建设、维护及环境成本都要比电网低得多。但是其缺点也非常明显,氢气存储需要大体积储罐,且易燃易爆。液态氢的运输和使用都有诸多不便且技术不是非常成熟,金属氢化物则需要考虑基质金属的价格及运输。

  尽管氢气及燃料电池储能仍然面临诸多问题,不论是制造、存储、运输或是终端使用,都有很多可以改进的地方,但是其是最环保的电力系统储能类型是共识,应当大力发展。

  飞轮储能技术目前处于积极开发阶段,主要应用于车辆和大规模储能的脉冲发电,也有较小规模的模块形式的应用。飞轮存在一系列储能优势,首先,针对持续时间段的储能循环而言,飞轮的效率非常高。其次,由于飞轮材料存在限制因素,仅可将其用于较小的模块中,这对于大型电力系统是一个缺点,但是对小规模应用而言则是优点:其可以做成任意的尺寸,应用到任何需要的环节中去。但目前看,对电力系统而言,飞轮储能的成本仍然较高,目前应用较多的是配电部分。

  化学电池适用于电力系统供给侧和需求侧的许多储能应用,是当前发展的重点。其主要特点如下:

  1、可以直接储存和释放电能。

  2、模块化建设,灵活性高。

  3、环保问题不突出。

  4、无需机械辅助设备。

  5、制造交付周期短。

  目前已经商业化应用的Pb-PbO2和NiO-Fe电池成本与基荷电站符合均衡的目标成本相当,而众多其他体系的蓄电池如Na-S及Zn-Cl2,由于能够大幅节约成本而拥有极佳的发展前景,且距离商业化非常近。此外,使用固态电解质的电池也拥有良好的发展空间。

  蓄电池储能多为模块化构造,可以大大降低场地成本、缩短建造周期,由于选址要求不高、安全、污染少、无噪声,化学电池对环境的影响非常小,这是其能够分布地应用于用户侧的重要原因。

  与蓄电池相同,电容器也采用模块化建设的模式,因此可以在工厂完成标准化的装配,从而大大缩短从规划到安装的交付周期,降低基建成本。相比电池,电容器储能装置的主要缺点是能量密度过低,但由于电容器的内阻很低,其功率密度非常高,可以应用在合适的场合以增加功率。

  超导电磁储能能够直接储存电力,因此效率极高,但是价格非常昂贵。从经济性角度看,其只适用于超大规模的电力系统。目前看,超导电磁储能并不存在无法解决的技术问题,不过由于需要使用大型装置,而目前实验性质的庄主都是小型且经济性很差的,因此其开发的成本非常高。

  我们将不同储能系统的量化参数总结在下表中:

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  总结来看,热能储存、压缩空气储能和抽水蓄能技术的反向时间相对较长,因此相比反向时间较短的飞轮储能、化学电池储能和超导磁储能技术,其应用范围受限;另一方面,热能储存、压缩空气储能和抽水蓄能技术适用于大型装置,而规模较小的飞轮储能或具有模块化狗仔的化学电池、电容器等,适用于供给侧的较小规模装置,或分散储能装置。

  用户侧储能

  储能技术是将电能转化为化学能、电磁能等形式的能量储存起来的一种技术,其发展与应用关系到了未来能源的使用方式和能源产业的发展变革。储能的应用十分广泛,但从经济性与商业化推广的角度上来看,用户侧储能是当今储能最主要的应用领域。由于目前许多国内发达省市已经实现了峰谷电价差,为用户侧储能的商业化推广奠定了基础,而储能电站的成本也可以通过有效计量测算得到预算结果,所以只要各省市的峰谷电价差达到一定金额并在一定时间内维持,那么用户侧储能既具备经济性和商业化推广的条件。从另一方面来看,储能的应用还能改善电能质量,这对通信基站而言是十分重要的。

  思考的问题

  1、用户侧储能与发电侧、配电侧有何区别?

  2、经济性如何?

  3、该如何选择合适的储能方式?

  重要结论

  用户侧储能是当前铅炭电池储能应用的最重要的场景之一,利用电价峰谷差可以立刻实现收益,因此相比其他场景拥有较大的优势。目前,用户侧储能最主要的用户是制造型的工业用电大户,且单个订单的储能电量及总订单数都在快速增长。预计2017年,我国蓄电池储能规模可达2000MW,实现同比3-4倍的增长。

  经济效益促进用户侧储能发展

  储能技术的不断发展以及规模提升带来的储能应用成本下降,从而产生的经济性是近年来推动储能不断发展的根本因素。从用户侧储能方面来说,目前最直接的收益来源是利用峰谷电价差进行削峰填谷。随着储能度电成本的下降以及各省市峰谷电价差的实行,储能在削峰填谷应用中开始显现出商业价值。目前,我国不同地区的峰谷电价仍然由各省发改委进行核定,根据我们在本系列《铅炭电池之下游应用篇》中的测算,在峰谷价差达到0.9元/KWh的时候,可以在8年左右的时间实现约8%的IRR。

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  资料来源:国家电网、各省发改委

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  从表1、表2可以看到,目前全国大多数省份和许多城市已经实现了企业用电、居民用电峰谷电价差别收费的制度,这为储能在削峰填谷中的商业化推广与应用提供了可能盈利的前提条件。另外,随着技术的不断成熟与发展,铅炭电池的度电成本不断下降。假设按照表3所示,将铅炭储能应用于削峰填谷中,则运行期间,每天在零点到早晨八点谷电时间充电8小时,平均日充电量约为9300kwh,累计充放是平稳的。峰电时期放电8小时,平均日放电量为8400kWh,铅炭电池的充放电效率可以达到90.51%。财务计算的效率是85%。若以峰时电价为1.05元,谷时电价0.31元测算,每天收益约为5938.03元,每年按照360天计算,年收益为2,137,691元。由此可见,储能技术在未来削峰填谷的应用中有很大的商业价值和发展前景。

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  需要注意的是,虽然储能技术在用户侧有很大的发展应用空间,但是目前来看,用户侧储能的市场规模仍然较小,且用户侧储能电站的规模也都在10-20MWh左右。即使是商业化项目,也普遍为实验性质的储能项目。随着储能技术的不断发展成熟,如果储能电站规模能够扩大,则单位储能电量的成本可以下降,这是因为配电设施的价格会随着采购量的上升而下降;监控设备由于是公司自行生产的,因此生产成本和造价可控,突然出现大幅波动情况的可能性较小;另外,在接下来的储能项目商业化进程中,人工成本会随着远程监控的引入和应用率不断增高而降低,所以未来人工成本对于储能项目建造估算的影响将会越来越小。

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  用户侧储能是重要发展方向

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  图2显示了近年来我国储能项目累计装机规模变化情况图。可以看到,从2011年起我国储能项目就进入快速发展的阶段。2011年全国储能项目累计装机规模仅为38.5MW,2014年末就发展到了93.7MW,2015年末累计装机规模达到了105.5MW。另外,从储能项目的应用分布方面来看,可以发现,储能项目在分布式发电及微网中的应用占比高达56%,超过了全国储能项目的一半以上,可再生能源并网应用占比为35%,位居第二。从整体来看,储能项目应用占比较高的仍为用户侧。

  目前我国的电力系统中,由于居民、企业用电时间相对集中,我国又缺乏相关有力的错峰政策及措施,所以常常会出现在用电高峰时期发电输出功率不能满足居民及企业的用电需求,导致供电不稳的情况。若在用户侧引入分布式及微网储能技术,可在用电低谷时从电网吸收多余的电能,在用电高峰时期释放,有利于居民及企业的稳定用电。另外,由于是设置在用户侧的储能,在需要时直接释放电能并将其供应给用户,不用经过网络传输,避免了变电和输电环节的额外损耗。

  用户侧储能是梯次利用的重要应用场景

  在储能技术的发展应用中,梯次利用的引入十分关键。从储能电池的材料方面来看,铅是十分重要的原材料,铅的有效回收利用对降低铅炭电池的成本有积极的推进作用。图4展示了再生铅的大致生产流程。通过回收已使用过的储能电池,分离出铅并进行一系列加工,最终生产出可以被再次利用的铅产品。如今,铅回收利用已经是非常成熟的产业,2014年我国再生铅产量达到约160万吨,同比增长6.7%,占铅产量的38%。随着铅回收技术的进一步提升,目前铅的回收率可以达到98%以上。再生铅技术的发展与应用对未来进一步降低储能成本而言是一个十分重要的因素。

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  另一方面,从动力电池的回收利用来看,将使用过的动力电池回收加工后应用于储能领域是十分有意义的。图5展现了动力电池回收利用的大致流程图。可以看到,退役下来的动力电池虽然容量有所下降,但是仍然具备利用价值。若是能对其进行有效回收利用,可以使新能源汽车制造商的成本有所下降。另外,将回收加工后的动力电池应用于储能领域,可以起到削峰填谷,稳定电力系统等作用。值得注意的是,大部分用户侧对于电池的要求比发电侧更低一些,梯次利用的引入可以使得储能在用户侧应用中进一步增强其经济效益,扩展储能的应用空间。

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