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多种储能技术与产业的现状及发展趋势
时间:2018-03-20 15:13    发布者:来源 | 《储能技术与产业现状及发展趋势》    浏览量:172

近年来,气候变化问题日益突出,已从单纯的环境保护问题上升为人类生存与发展问题。导致气候、环境恶化的主因是化石能源消费的碳排放,推进能源消费结构向低碳化和清洁化方向转型已成全球重要共识。规模开发可再生能源是实现能源转型的关键。为此,173个国家制定了可再生能源发展目标,146个国家出台了支持政策。近两年来尽管受到全球化石燃料价格大跌的不利影响,但可再生能源产业投资并未受此干扰,2015年还创下新高。


为降低对化石能源依赖和促进全球能源安全,2015年9月26日国家主席习近平在联合国发展峰会上提出倡议:构建全球能源互联网,推动以清洁和绿色方式满足全球能源需求。能源互联网主要是通过大范围的电网互联,使能源发展摆脱资源、时空和环境约束,并推动太阳能、风能、水电等可再生能源逐渐成为主导能源。能源互联网已获得越来越多的国家认同和积极响应。


能源转型和全球能源互联网的关键在于规模开发可再生能源,且全球可再生能源资源十分丰富,特别是太阳能、风能。权威资料显示,如能获得太阳辐射到地球能量的六千分之一或风能能量的五百分之一,就可满足目前全球经济所需的能量。

1 储能技术在能源转型、能源互联网中的地位和作用

尽管可再生能源发展潜力巨大,但其不稳定性制约了大规模发展,并由此导致了弃风、弃光风潮。储能是有效调节可再生能源发电引起的电网电压、频率及相位变化,促可再生能源大规模发电、并入常规电网的必要条件。


全球能源互联网实质是“智能电网+特高压电网+清洁能源”。智能电网是基础,特高压电网是关键,清洁能源是根本,而大规模储能系统是智能电网建设的关键一环。从某种程度上说,储能技术应用程度既决定了可再生能源发展水平,也决定了能源互联网的成败。西方国家在10年前就已经开始重视储能技术研发和产业化。美国政府以其国防部先进研究计划署(DARPA)为范本,成立先进能源研究计划署(Advanced Research Projects Agency-Energy,简称ARPA-E),集结全美最好的科学家、工程师和企业家对可再生能源技术进行研究,而储能技术是其重中之重。德国能源转型令世界瞩目,德国可再生能源占电力来源的比例从2000年的6%增长到2015年的30%,这一比例在部分时段甚至会达到70%~90%。该国能源转型颇为重视储能技术,政府除了资助相关技术研发外,每年设立5000万欧元补助金,专门帮助居民购买储能系统,德国光伏发电量有1/3来自居民。


我国储能产业刚刚起步,国家相关部门近期公布了一系列支持储能产业的文件。国家发改委和能源局2016年3月下发《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》,在该文件15项重点任务之一的“先进储能技术创新”中明确指出:研究面向可再生能源并网、分布式及微电网、电动汽车应用的储能技术,掌握储能技术各环节的关键核心技术,完成示范验证,整体技术达到国际领先水平,引领储能技术与产业发展。


国际石油公司已经开始布局储能领域,比如,道达尔公司高价收购电池制造商SAFT,埃克森美孚与FuelCellEnergy公司合作研发燃料电池技术,挪威国家石油公司将投资海上风电场及相关的储能技术。


2 储能技术应用概况及进展

储能技术包括物理储能、电化学储能、电池储能三大类,以及发电及辅助服务、可再生能源并网、用户侧、电力输配、电动汽车五大类应用领域(图1)。

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截至2015年底,全球累计运行储能项目(不含抽水蓄能、压缩空气和储热)327个,装机规模从2005年50MW增长到2015年950MW,规划和在建项目180个(图2)。

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从各项技术应用分布情况来看,锂离子电池在各个领域都获得了应用,钠硫电池在电力输配、可再生能源并网中应用比例最大,飞轮储能在辅助服务(调频)中具有一定应用优势,液流电池主要应用于可再生能源领域(可再生能源并网、分布式微网),铅蓄电池在分布式微网中应用占比较大。储能技术目前应用情况如下。


2.1 压缩空气储能技术向产业化迈进


压缩空气储能技术作为目前除抽水蓄能外,容量最大、技术最成熟的储能技术备受业界关注,国际上接近等温压缩空气储能技术已取得突破,小型空气压缩车处于小规模试用阶段。中科院工程热物理研究所已成功研制出国内首台具有自主知识产权的1.5MW级超临界压缩空气储能系统,比传统压缩空气储能系统效率高10%以上,为我国电网级的储能应用开辟了发展空间。


2.2 液流电池技术取得重大进展


全钒液流电池在关键材料、电堆、电池系统设计与集成上都取得了重大进展,产业链逐步完善,整体产业已经进入市场化初期阶段,在日本、加拿大、美国、澳大利亚等国家已逐步开始取代铅酸电池。且液流电池技术已经从全钒、锌溴体系扩展到成本更低、能量密度更高的有机体系和水溶性体系,研究首次证明了碘化锂—硫(碳)半固液两相复合新型液流电池的可行性,可大大提高电池容量、安全性和使用寿命。哈佛大学Brian Hus kinson研发出一种基于有机分子——苯醌的无金属液流电池,且已经完成了对醌基电池100次的充放电循环,成本可下降到27美元/(kW·h),几乎是钒电池的1/3,显示出良好的经济与商业前景。液流电池概念车已问世,时速最高可达300km/h以上,续航里程超过800km。


2.3 锂离子电池依然是当前储能领域研究热门


电动汽车成为带动锂离子电池技术研发的重要因素。当前,对于锂电池,正极材料磷酸铁锂和镍钴锰三元材料是研究重点,负极材料纳米硅和石墨烯是研究热点,正负极材料类型越来越多,应用范围越来越广。锂离子电池作为当前电动汽车的主流电池,能量密度尚有待提高。目前电动汽车电池能量密度最高约为170W·h/kg,续航里程最多可达400km。家用锂电池储能系统已经商业化。


2.4 锂硫电池是目前最接近产业化的高能量密度电池


锂硫电池理论上能量密度超过2700W·h/kg,实际能量密度能达到400~600W·h/kg。目前国外达到商用水平的锂硫电池能量密度已达到300W·h/kg。我国已经研制出能量密度高于600W·h/kg的锂硫二次电池,处于国际先进水平。锂—空气电池、铝空气电池、镁电池等高能量密度电池成为当前攻关重点。


2.5 氢燃料电池应用规模逐渐扩大


氢燃料电池依然是燃料电池发展主流方向,相关技术已基本达到产业化要求,且小规模应用于火车、乘用车、自行车、叉车、小型直升机等交通工具。乘用车续航里程达到500~700km,100km能耗仅相当于3.3L汽油。目前部分国家利用化石燃料改质制氢成本跟汽油大致相当。可再生能源制氢、生物制氢和常温常压陆路输氢成为研究重点。


2.6 储热市场受重视程度逐渐提高


目前,储热技术发展迅速,部分热储能技术已经非常成熟,特别是显热储能,但市场规模依然不大,主要是由于热储能成本高,社会对热储能缺乏足够重视。据估算,储热系统可为全球节约30%~40%能源。业界正在研究利用储热电池吸收车内热量或捕存太阳热能,将热能转换为电能,为车厢供热制冷,降低电动汽车电池成本,预计能提高汽车续航40%以上。


3 储能产业及技术展望


3.1 太阳能、风能发电装机容量快速增长,发电成本继续下降


统计过去20年太阳能、风能装机容量,太阳能装机容量每两年翻一番,风能装机容量每4年翻一番,全球太阳能装机容量从2005年的5.1GW增长到2015年的227GW,风能装机容量从2005年的59GW增长到2015年的433GW。预计2025年、2030年太阳能装机容量将分别达到1500GW、2400GW,同期风能装机容量将分别达到1200GW、2000GW(图3、图4)。储能技术作为支撑可再生能源并网的关键技术,市场潜力巨大。


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晶体硅光伏电池价格持续降低,价格从1977年的76美元大幅下降至2015年的0.3美元。过去5年太阳能、风能发电成本下降了50%~60%。当前太阳能光伏发电、陆上风电在部分国家已具有竞争力。按照目前的发展趋势,预计到2025年风电、光伏发电将在很多国家成为最便宜的发电方式。


3.2 家庭储能将呈快速增长趋势


近5年来,家庭储能在德国、美国、澳大利亚、日本等国家获得快速发展,据HIS、REN最新发布的数据显示,全球家庭光伏发电电池储能装机容量2020年有望达到1000MW,2020年后,储能系统将成为电力生产运营的必备部分,而工业、商业,尤其是居民家庭储能的增长速度会明显高过电网储能,2025年储能技术应用有望进入大规模发展期。


3.3 电池技术未来


10年有望取得重大突破目前,电动汽车电池的能量密度范围为80~180W·h/kg,从当前电池的研发进展及产业投资、相关扶持政策来看,未来10年电池技术有望取得重大突破,能量密度有望达到300~350W·h/kg,从而使得电动汽车续航里程达到600~800km(图5)。


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3.4 电动汽车市场前景广阔


电动汽车电池成本目前占整车成本的1/3~1/2,过去5年锂电池组成本已下降了55%,至2020年有望再下降40%。随着电动汽车电池能量密度提高带来的续航里程增加,加之成本不断下降,全球电动汽车销量有望呈指数上升(图6)。


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4 结论

当前在全球倡导大力发展清洁能源的时代背景下,开发能量密度更高、循环寿命更长、系统成本更低、安全性能更好的储能技术已经成为各国研究支持计划的一个重要方向。在可再生能源产业、电动汽车产业和能源互联网产业快速发展的推动下,储能产业有望呈爆发性增长态势。可再生能源电力储存成本将持续降低,储能系统性能和技术成本会进入一个良性循环发展新阶段。目前的电池储能成本、能量密度距离人们的期望值还有一定距离,从当前的研究成果来看,电池技术有望迎来重大突破,市场前景广阔。储能技术突破叠加全球能源转型加速,将会给全球油气行业带来巨大压力。

(来源:《储能技术与产业现状及发展趋势》作者:余本善,孙乃达,焦姣)


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