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储能电池应用场景与未来发展技术探讨

“洁能+储能+智能”是能源互联网的发展方向,未来清洁能源和智慧能源的发展离不开储能的环节。2017年是中国储能元年,《关于促进储能技术与产业发展指导意见》的出台,标志着储能春天的来临。尽管初春的气候乍暖还寒,但储能产业已经开始萌芽、开花。储能项目尤其是储能电池项目,在发电侧、电网侧、用户侧、微电网、通信储能、应急电源等领域,目前正如雨后春笋般地快速涌现,储能的春天已经到来。

储能技术包括物理储能(抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、海水储能、超导储能)、化学储能(储氢、储碳)、电化学储能(电池储能、超级电容储能)和储热蓄冷等四大类型。在各类储能技术中,电池储能是发展最快、最受关注的储能技术方向。截至2017年底,全球电池储能项目总计投运1210.3 MW,累计规模首次步入GW时代。

一、储能电池应用场景

(1)可再生能源并网

可再生能源发电的间隙性和易变性,以及渗透率的不断提高,对现有电网系统的正常运行和调度提出了严峻的挑战。近年来,为了尽可能利用更多的可再生能源和提高电网运行的可靠性和效率,各种储能技术研究及工程示范项目得以快速发展。大容量电池储能技术应用于风电、光伏发电,能够平滑功率输出波动,降低其对电力系统的冲击,提高电站的跟踪计划出力的能力,为可再生能源电站的建设和运行提供备用能源。

(2)电网辅助服务

电网辅助服务分为容量型和功率型服务,容量型服务如电网调峰、加载跟随和黑启动等,储能规模需达到一定体量,一般1~500 MW之间,放电时间大于1小时;功率型服务如调频辅助和电压支持,需要电池在短时间内(分钟级别)有较大的功率或电压输出。储能电池技术在提高电网调频能力方面,可以减小因频繁切换而造成传统调频电源的损耗;在提升电网调峰能力方面,根据电源和负荷的变化情况,储能系统可以及时可靠地响应调度指令,并根据指令改变其出力水平。

(3)电网输配

储能电池系统可以改善配电质量和可靠性。当配网出现故障时,可以作为备用电源持续为用户供电;在改善电能质量方面,作为系统可控电源对配电网的电能质量进行治理,消除电压暂降、谐波等问题,同时降低主干网络扩容投入,节约扩容资金。

(4)分布式及微网

微电网系统要求配备储能装置,并要求储能装置能够做到以下几点:1)在离网且分布式电源无法供电的情况下提供短时不间断供电;2)能够满足微网调峰需求;3)能够改善微网电能质量;4)能够完成微网系统黑启动;5)平衡间歇性、波动性电源的输出,对电负荷和热负荷进行有效控制。储能电池系统具有动态吸收能量并适时释放的特点,作为微电网必要的能量缓冲环节,它可以改善电能质量、稳定组网运行、优化系统配置、保证微电网安全稳定运行。

(5)用户侧

用户侧储能主要包括工商业削峰填谷及需求侧响应。电池结合电力电子技术能够为用户提供可靠的电源,改善电能质量;并利用峰谷电价的差价,为用户节省开支。

(6)电动汽车VEG模式的供能系统

新能源汽车产业的发展必须与储能产业协同发展。为了满足未来电动汽车安全快充的需求,有必要建立类似加油站的分布式能量站,能量站安装有低成本、长寿命的兆瓦级储能电池,可从电网充电储存电量后,给电动汽车快速充电;同时,能量站还能够与电网互动,用于电力调峰或调频。

二、储能电池的类型

储能应用场景的复杂性决定了储能电池技术的多元化发展方向。针对特定场景选择合适的储能电池技术进行应用将是未来很长时间内储能市场的主旋律,未来新型储能电池技术的研发方向也应遵循这一规律,针对特定场景放大其优点以获得未来商业化应用的可能。

表征储能电池的性能有许多特征参数,其中最为重要的是电池的功率特性和容量特性。因此,可以根据不同储能应用场景对于电池功率容量比值(W:Wh,简称C)的不同要求,大致将储能电池分为三种类型:容量型(≤0.5C)、能量型(≈1C)和功率型(≥2C)。比值越大,代表电池的功率密度越高,但容量密度会低一些,单位容量的价格会更高些。

例如,电力调峰、离网型光伏储能或用户侧的峰谷价差储能,一般需要储能电池连续充电或连续放电两个小时以上,因此适合容量型电池的应用;对于电力调频或平滑可再生能源波动的储能场景,则需要储能电池在秒级至分钟级的时间段快速充放电,所以比较适合功率型电池的应用;而在一些同时需要承担调频和调峰的应用场景,能量型电池会更适合些,当然,这种场景下也可以将功率型与容量型电池配合一起使用。

在目前各类储能电池中,液流电池和锂浆料电池属于典型的容量型电池,锂离子电池中的钛酸锂电池则是一类典型的功率型电池,这是由上述电池的本质属性决定的,难以改变。其它种类的电池,可以通过更改电池材料和工艺,进行某种程度的属性调整,以适应不同的储能应用场景。

三、储能电池的技术内涵

未来针对电力调峰储能的大容量电池和电力调频储能的大功率电池还有待技术的创新突破。储能电池技术内容主要包括六个方面:材料技术、结构技术、制造技术、应用技术、修复技术和回收技术。

(1)材料技术

电池核心材料包括正极材料、负极材料和电解质材料,附属材料还包括隔膜、集流体和电池壳体材料等。在过去的三十年里,锂离子电池材料的研发主要集中在提升材料的能量密度、循环寿命和安全性能,开发低成本的材料制备技术;液流电池材料的研发主要集中在电解液和隔膜材料的改性。2006年铅酸电池领域开始了负极铅膏中碳材料添加剂的选择与改性,以发展储能用长寿命铅炭电池。

纵观储能电池技术的研究历史,虽然材料的进步能够带来电池性能的显著改善,但能够有实际效果的材料创新进程其实非常缓慢。尤其是实验室论文报道的材料性能,并不等同于实际电池的性能,两者之间往往有相当的差距。因此电池材料虽然很关键,但并不是电池技术研究的全部。目前储能领域技术工程类项目的立项过于看重了实验室的材料论文研究工作,忽视了与实际应用场景的对接,造成了科研工作与产业发展需求之间较大的脱节,应予以足够重视。

(2)结构技术

并非所有的电池都可以称为储能电池,系统功率在1KW量级以上的,可以称为储能电池;系统功率≥1MW,用于储能电站的电池称为电力储能电池。

储能电池结构技术包括电池单体内部结构技术和外部系统结构技术。与小型的消费类电子产品用电池不同,储能电池的结构更为复杂,具有系统串并联的要求和大功率大容量的特点。

现有储能和动力锂电池是由手机电池等微小型锂离子电池发展而来的,无论是圆柱型还是方型电池,从内部结构来看,所有类型的锂电池内部采用的都是粘接的薄膜电极结构,这给储能用锂电池性能一致性的设计带来了根本性的结构难题。另外,当电池报废回收时,只能把粘接电极全部粉碎,内部破碎的铝箔、铜箔材料以及Co、Li元素等需要重新用冶金方式回收,导致回收成本高,并存在酸碱废液污染处理的风险。因此,储能用锂电池的结构设计有必要借鉴融合铅酸电池、液流电池等大型电池的结构思路,由容易出问题的“娇小富贵”转变为安全可靠的“傻大笨粗”,从而适合大电流大功率的储能应用场景。

未来大型储能电池的研发还需要考虑电池内部结构与外部结构的融合设计。对于电力储能而言,应用端客户关心的是系统成本、系统效率、系统寿命和系统安全性,而不关心单体电池的能量密度或单体电池的循环寿命。因此,作为电池技术研发端,应主动考虑单体内部与系统外部结构的创新融合,通过内部结构的颠覆设计,减轻外部系统面临的成本和安全性压力。这将是未来储能电池结构技术研究的一个重要方向。

(3)制造技术

储能电池制造技术与电池结构设计密切相关。储能电池系统的串并联特性要求电池必须具备较好的一致性,因此生产工艺的智能管控尤为重要。如何用低成本的装备和工艺制造高性能的储能电池?这是一个矛盾问题,也是目前储能电池制造技术开发的关键问题。

现有的锂离子电池生产工艺是从过去磁带制造工艺过渡而来的,以适应电池薄膜涂覆极片的精度要求,加之电池产品型号五花八门,缺乏规范,导致了电池生产过程的材料利用率低、产品合格率低、设备运转率低、制造成本高。因此,未来需要结合电池结构的颠覆设计,从根本上降低储能电池生产工艺的复杂度和生产设备的参数要求,同时推进大数据、物联网技术与储能电池生产设备和制造工艺的融合发展,通过智能制造升级,规范制造工艺标准,严格控制产品质量,提高产品终检效率,降低储能电池的制造成本。

(4)应用技术

储能电池应用技术主要指BMS、PCS和EMS。BMS(电池管理系统)是电池本体与应用端之间的纽带,主要对象是二次电池,目的是提高电池的利用率,防止电池出现过度充电和过度放电。PCS(电池储能系统能量控制装置)是与储能电池组配套,连接于电池组与电网之间,把电网电能存入电池组或将电池组能量回馈到电网的系统。EMS(能量管理系统)是现代电网调度自动化系统总称,包括:计算机、操作系统和EMS支撑系统、数据采集与监视、自动发电控制与计划、网络应用分析。

目前很多储能示范项目的落地是由电池生产供应商与电网公司直接对接,并且缺乏责任认定标准和应用技术标准,这给后期的系统运维和可能的事故认定带来难题。未来应该会出现以应用技术开发为核心的独立的储能电池系统应用服务商,负责储能系统的设计规划、租赁运维和报废回收,并与保险公司合作,承诺负责系统的使用寿命和运行安全。

(5)修复技术

储能电池的修复技术包括电池系统的电气维修技术和在线再生技术。前者包括环境腐蚀修护、电气绝缘老化检测、电连接检测、温度压力传感维护和电池巡检技术等,后者是针对新型储能锂电池提出的新的技术方向。因为理论上讲,除了电池活性颗粒内部晶格紊乱问题以及集流体的腐蚀脱落问题,储能锂电池的其它界面问题都有可能通过在线再生的方式进行维护延寿。当电池使用一段时间后,可以通过正负极材料表面SEI膜原位修复、电解液的补充和更换等方式对电池性能进行再“激活”,延长储能锂电池的实际日历使用寿命。例如,锂浆料电池的浆料厚电极形态赋予了其在使用期进行在线再生的可能性。

(6)回收技术

任何电池都有使用寿命的期限。消费类小型电池目前国内的使用总量有几亿只,且大多数体积较小,废电池利用价值较低,加上使用分散,绝大部分被当作生活垃圾处理,存在污染隐患。报废后的储能电池不可能像消费类小型电池一样丢弃于环境中,必须做回收再生处理。

储能电池的回收技术包括废旧电池的更换处理技术、安全运输技术、回收处理技术和资源再利用技术。目前,铅酸电池的回收再生技术比较成熟,但存在不规范回收环节的污染风险。锂电池的回收流程和技术还不成熟,需要与材料技术和结构技术相结合,发展方便回收再生的新型储能电池技术,在产品设计方面加以创新改进,从生产端提前考虑电池回收处理的环节,以实现储能锂电池产业的资源可持续发展,这一点具有重要的战略意义。

四、储能电池技术发展目标

储能的春天已经来临,但产业蓬勃发展的夏季还远未到来,各类储能技术已经开展商业或示范应用,在应用中展现了储能的优势,也逐渐暴露了一些问题,尤其是电池储能技术,距离“低成本、长寿命、高安全、易回收”的发展目标还有很长的路要走,有待创新与突破。

(1)低成本

狭义的储能电池成本仅包括一次(采购)成本,广义的储能电池成本还包括二次(使用)成本和三次(回收)成本。

其中,一次成本包括电池的材料成本和生产制造成本。在材料成本下降空间有限的情况下,通过电池结构技术的颠覆设计,简化电池生产工艺,降低制造成本和人力成本,将会是新型储能电池重要的降成本方向。

二次成本与电池使用寿命息息相关。需要结合材料技术和结构技术,发展新型修复再生技术,提升电池使用寿命,降低容量型电池的度电成本和功率型电池的频次成本。

三次成本主要指电池的回收成本。目前储能电池的回收再生环节若要做到完全符合环保标准的要求,成本还是非常高的,需要有创新的回收再生思路,降低电池的三次成本。

储能电池技术成本降低可以分为以下四个目标阶段。当前目标:开发非调峰功能的储能电池技术和市场,例如调频储能电池和移动储能电池;短期(5-10年)目标:低于峰谷电价差的度电成本;中期(10-20年)目标:低于火电调峰和调度的成本;长期(20-30年)目标:低于同时期风光发电的度电成本。

电池储能辅助AGC调频会先于调峰储能发展起来。未来只有当储能电池应用成本低于火电调峰成本后,储能电池系统才可能作为重要补充得以规模发展,并纳入到电网的调峰调度系统。

(2)长寿命

一般来说,对于消费类小型电池(如手机电池),3至5年的使用寿命足以满足电子产品的寿命要求,但目前还是希望电池单次充电后的待机时间能够更长一些,因此对于电池的能量密度有着更高的直接的需求。然而对于电力储能电池,基本上都要求十年乃至二十年以上的日历使用寿命。因此,提升储能电池的日历使用寿命尤其重要。

电池循环次数寿命是日历使用寿命的基础,但并不等同于电池的实际日历使用寿命。因为从热力学角度来说,电池系统是一个高度非平衡的化学体系,在漫长的循环使用岁月中,还存在不可逆的体相和界面的化学变化,导致电池内阻的增加和容量的衰减。目前,还缺乏合适的加速老化实验标准能够对应电池实际的日历衰减变化。未来除了需要建立相关测试标准以外,还需要开发创新的在线修复再生技术,提升储能电池的日历使用寿命,满足实际储能的工况要求。

(3)高安全

储能电池的安全性非常重要。相对而言,水系电池如液流电池、铅酸电池等安全性较好,能够满足储能电站的安全性要求,但也需要严格控制电池的充电截止电压,以防止水溶液过压电解后的析氢爆炸;有机系锂离子电池的安全性问题较为突出,目前总体而言处于安全及格线上下的水平,有待技术突破;固态电池不含易燃的电解液,因此具有最高的安全性,在未来实现量产后有可能会首先应用到高安全要求的某些特殊场景。当然,固态电池要规模应用于电力储能,在降本增寿方面还有相当的困难需要克服。另外,固态电池的回收处理也是一大难题。

避免电池(内部或外部)短路的安全预防技术以及在电池短路发生后的应急维护技术是储能电池安全技术发展的重要方向。仅仅通过外部灭火装置进行储能锂电池的安全保护,是远远不够的,未来必须开发颠覆性的电池结构技术和安全维护技术,从电池内部彻底解决电池的安全问题,确保储能电池的安全运输和储能电站的安全运行。

(4)易回收

资源的循环再生利用将是储能电池未来规模应用面临的最大挑战。储能电池要达到易回收的目标有三点基本要求:1、电池回收过程符合安全和环保标准;2、稀有贵金属元素做到接近100%的再生利用;3、电池有一定回收残值。

现在示范应用的储能锂电池系统基本上没有考虑到未来电池报废后的回收处理环节。更为严重的是,目前电池界广泛存在一种错误的观念,认为报废锂电池富含各类有价值的贵金属,因此根本不用担心回收处理的问题。

本文作者了解到的实际情况是,报废电池的“价值”与“环保”之间存在较为严重的冲突和矛盾,现有储能锂电池的材料体系选择和电池结构设计,使得完全符合环保要求的有价值的回收处理工作非常困难。因此,有必要开展细致的储能电池全产业链污染分析和环保评估,引导储能电池技术创新的环保发展方向,以促进产业的健康可持续发展。

五、结语

“可再生能源+储能”是新能源发展的必然选择,而储能应用场景的复杂性决定了储能电池技术的多元化发展方向。未来针对电力调峰储能的大容量电池和电力调频储能的大功率电池还有待技术的创新突破。储能电池包括六大技术内涵:材料技术、结构技术、制造技术、应用技术、修复技术和回收技术。其中,电池材料是基础,但不是储能电池技术研究的全部。建议以后基础探索类项目可以偏重于新材料的研究,而技术工程类项目则应注重其它非材料技术方面的立项突破,在已有商业及示范储能电站的经验基础上,围绕“低成本、长寿命、高安全、易回收”的总体目标,发展各类容量型峰谷储能电池、功率型调频储能电池和能量型复合储能电池,与其它类型储能技术配合,支撑储能产业的快速发展。

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