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陈永翀:储能电池技术发展方向探讨

最近,在某储能论坛上,中国科学院电工研究所教授陈永翀发表了题为”储能电池技术发展方向探讨”的精彩演讲。

陈永翀:储能电池技术发展方向探讨

演讲实录如下:

陈永翀表示,之所以发展储能,核心点在于新能源,尤其是光伏和风力发电,是间歇的、不稳定的,因此需要储能系统配合,提供稳定可靠的电力。他强调这一点应该是发展储能产业的“不忘初心”。我们看现在国际和国内的储能应用市场发展,国际市场储能用得比较多的还是光伏、风电规模比较大的地区,也可以对比我们国内的发展状况。我认为储能的作用虽然不仅仅是为新能源发电配套服务,但我们要记住这是当前和未来发展储能的核心。稍候会谈到储能的其他应用场景。

我想跟大家一起回顾一下储能的发展历史。20世纪70年代我国开始发展抽水储能。因为当时要发展核电,核电需要稳定运行,无论是白天还是黑夜。在深夜用户侧低谷用电时依然要满功率的发电,因此需要抽水蓄能和核电配合使用。

近几年储能之所以越来越受重视,是由于最近10年新能源光伏、风电的发电成本快速下降了。在最初大家没有考虑储能成本的重要性,因为光伏、风电太贵,远远高于储能的成本,所以储能的问题并不尖锐。没想到今天的风电、光伏价格快速下降,已经接近平价上网了。新能源规模发展的不稳定性、间歇性需要储能配合,储能的成本问题便凸显出来了。

储能包括本体技术和应用技术,二者都很重要的。我是做本体技术的研究,但我们不能忽视应用技术。储能本体技术又分为四大分类,物理储能、化学储能、电化学储能、储热蓄冷。从本体技术来说,我们把电池归为电化学储能类。2018储能产业报告分类里跟这个分类有所不同,把电池称之为化学储能。我个人认为从长远来看,最好把电化学储能和狭义的化学储能分开。化学反应都涉及到电荷的转移的,如何电荷对外做功,可以称为电化学储能,例如电池和超级电容器;如果电荷仅仅是内部转移不对外做功,可以称之为化学储能,例如储氢和储碳。作为储能电池本体技术,又包括电池的模块技术和电池的系统技术。我认为对于大型储能电池系统而言,在未来,模块技术和系统技术的融合设计非常重要。很多外部系统需要考虑的因素,是否可以放在大型电池内部来加以考虑设计,这里面有许多可以交流的地方。

我们喜欢模块化的东西,因为只需要模块的插拔,对于系统组装来说很方便。但对于电力系统的用户来说,整个的储能电站对他来讲才是模块、基本单元。这个基本单元里面应该可以有很多模块和系统之间的互动结构,未来还会有颠覆性的技术,这是我的看法。

作为储能电池的应用技术,BMS、PCS、EMS很重要。目前在做的很多示范项目,电池厂家跟电力系统、电网直接对接,电网也可能会直接介入电池系统的设计,甚至指定说我要某某厂家的电池。在未来,我认为中间会有独立的第三方提供储能服务,这个第三方会跟金融、保险公司合作,它可以跟电网应用端承诺系统的安全性及其寿命,因为电网公司并不需要电池资产,电池性能会逐步衰退直至报废,电网公司需要的是安全可靠的储能服务,而不是储能电池。

现在很多电池厂做集装箱储能电池系统来跟电网对接,我认为未来不是这个模式。未来会出现独立的第三方,储能系统集成服务商,他的技术核心就是储能应用技术。目前的标准不太清晰,界面在什么地方也不知道,因为EMS跟电力有交叉,BMS跟电池模块有交叉,所以现在不确定第三方与电池方及电网方的界面在哪里,缺乏标准,以后的标准需要逐步建立起来。以后应该有独立的第三方,储能系统集成服务商,而不是由电池厂家直接跟电网公司对接。

储能的发展,核心是跟光伏、风力配套,当然在储能产业发展的早期还有其他很多应用场景。但从电池的角度来看,可以分为三大类:

第一,容量型电池,电池倍率小于0.5C,应用于容量型储能,例如调峰;

第二,功率型电池,电池倍率大于2C,应用于功率型储能,例如调频;

第三,能量型电池,介于之间的1C左右,应用于复合储能场景。

没有任何一种电池路线适用于所有的场合,有时候需要功率型,有时候需要容量型,有时候需要混合搭配。

我们电池想往储能方向去应用去发展,尤其是锂离子电池。手机电池,第一要求是高能量密度,这样可以加长待机时间。手机电池对能量密度有迫切的需求,现在的智能手机大多是一天一充甚至一天几充。当锂离子电池往储能方向走,从原来高能量密度为第一要求,变成低成本为第一要求,还有长寿命、高安全和易回收。一块手机电池有卖30元,也有卖100元,而作为大型储能电站电池来说,对成本非常敏感。我们现在考虑各种电池的性能发展时,不仅看性能如何,首要的还是看成本。

涉及成本时,它有一个发展过程,不能一步到位。大概分为四个阶段:

第一阶段,开发非调峰功能的储能电池技术和市场,包括移动储能、调频储能等;

第二阶段,短期是5-10年,低于峰谷电价差的度电成本,但这并不是储能电池发展的最终目标。峰谷电价差套利很被动,当你上了很多储能,峰谷的差异会有所变化,因此它是一个伪命题,短期来说是有用的,长期来说有问题。

第三阶段,中期是10-20年,低于火电调峰和调度的成本,这样才能逐步规模应用于电网。

第四阶段,长期是20-30年,储能最重要的和风力光伏匹配使用,因此长远的成本一定要低于同时期风光发电的成本。否则,宁愿弃风弃光,也不会上储能。

中国储能产业的发展,要注意中国的两个特点、国情:

第一,中国是发展中国家,不是发达国家。我们经常说欧洲、美国、日本储能发展如何,他们是发达国家,我们是发展中国家。电价和电力市场结构是完全不同的。

第二,虽然中国是发展中国家,但中国的电网非常坚强,可以说稳定性是世界数一数二。

这就是我国储能发展面临的实际情况。所以,现在国内储能电池大部分面向海外市场,出口欧洲、澳洲、美国。

储能系统成本和新能源发电系统成本还是偏高,在未来,系统的能耗要仔细计算,可能不是现有的能耗计算方法,应该把装备、生产环境的能耗放进去。换句话说应该是设想未来在完全新能源的供电环境,我们所有的一切都由新能源供应,盖房子、装备、生产,在这样的环境下生产光伏系统、风光发电系统,才能体现真正的能耗是怎样的,是否是可持续发展。而不是像现在,仅仅计算从二氧化硅到光伏板的制造过程的能耗。

去年我们走访调研了90家企业和18家储能项目,收获颇丰,有以下四点:

1、储能应用场景较多,国外以澳洲、美国和德国为代表,储能市场已起步发展;国内已有的储能技术主要应用在成本相对较高的刚需场景或示范场景。

2、目前已经商业应用的储能电池,包括锂离子电池和铅炭电池,在降成本方面已经接近极限,若要进一步提高1倍以上的性价比,必须有新的颠覆性的技术突破或工艺突破。

3、缺乏适用于电力调峰的低成本的容量型储能电池,也缺乏适用于电力调频的安全的功率型储能电池。

4、在各类储能技术应用体系中,低成本、长寿命、高安全和易回收是业内普遍关注的焦点。

我们要高度重视大型电力储能电池技术的基础创新研究和知识产权的布局,推动开展储能电池技术的知识产权商业共享。现有各类储能电池存在危机。当然任何时候都存在问题,所以大家不需要害怕。铅酸电池在回收方面做得很棒,这是锂电池应该好好向铅酸电池学习的地方。当然铅酸电池如果回收不规范会带来很大的污染,一旦规范化,原料成本又上去了。液流电池系统效率较低,运维较复杂。锂离子电池回收成本高,具有安全隐患。

不是所有的电池都可以称为储能电池。一定要从应用问题、电力储能对电池要求的角度开发储能电池新技术。广义来说,储能电池系统的功率至少要大于1KW,而狭义的电力储能电池系统,1MW才是基本单位。有的电池适合消费类手机,有的电池适合大型储能使用,它甚至无法做小。天生我才必有用,发挥各自特点。用做小电池的思路做小电池,用做大电池的思路做大电池。

我们在做锂浆料电池,什么是锂浆料电池?电池全部或者部分电极由浆料态电极构成。由于它是超厚的电极,其制造成本可以大大降低。它是浆料态的,我们可以做一定程度的内部再生,达到长寿命使用的要求。在安全性方面,浆料电池固液可以分离,分离后便是安全品,危险品和安全品的运输费用相差很大。这是浆料电池安全性方面的优势。另外,浆料厚电极方便回收再生。

没有任何一种电池可以用于所有的场景,既然浆料电池做的是超厚电极,显然就不能作为功率型用,应该是容量型储能电池。它牺牲了4-5%的能量效率,我们说有舍有得,你看看牺牲某部分性能,再换取另外一部分性能的获得。

我们要在三方面做电池工作:

第一,结构技术突破,集流内阻解耦结构,没有这个结构无法做锂浆料电池。

第二,材料技术突破,开发柔性导电复合材料的制备技术。

第三,制造技术突破,开发超厚浆料电极的制造技术。

储能系统的组合概念。对于电网来说,储能系统是一个黑匣子,只要能储电和放电就行,至于里面是用一类电池还是一个大型的化学化工机械复合系统,电网用户是不管的。因此,未来大型储能系统还有很多创新的空间,而不仅局限于现在单一储能电池系统的考虑。

我们要根据储能电池技术的水平实事求是发展储能产业,我们示范的目的是积累应用数据,开发应用技术,发现应用问题,评估应用经济。在本体技术基本安全可靠的情况下才能做规模示范,不要贸然做大型的,这很烧钱。当前针对雾霾问题和尖峰电力短缺问题出台政策,发展储能。

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