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电储能关键技术路线综述

日期:2020-07-02    来源:国网综能服务集团综能事业部

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2020
07/02
09:44
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关键词: 电化学储能 锂离子电池 机械储能

规模化储能技术能够应用于电力系统领域,储能技术的发展关系到能源、电力、交通等多个重要行业的发展,因此对电储能技术的研究有益于区分其各自优势,有利的发挥其各自的技术性能。电储能包含电化学储能机械储能及电磁储能,各类型的电能存储有其不同的技术特点、优缺点及应用场景,现就电储能不同的技术路线及原理进行介绍。

1 储能技术及特性指标

储能即通过某种介质或设备,将能量以某种形式储存起来,在需要时以特定的能量形式释放出来的循环过程。用于评价储能系统基本特性的指标因素主要包括存储容量、能量转换效率、能量密度和功率密度、自放电率、放电时间、循环寿命、系统成本、环境影响等。

(1)存储容量。存储容量指储能系统充电后的有效能量,通常比实际可使用能量大,因实际使用能量受放电深度限制,在快速充放电时,储能系统效率下降,加上系统自放电因素影响,实际使用能量会比存储容量要小。

(2)能量转换效率。能量转换效率即储能效率,指储能系统放电释放的能量与初始存储能量的比值,能量转换效率是储能系统能否高效运行的关键因素。

(3)能量密度与功率密度。能量密度指单位质量或单位体积储能系统所能存储的能量,又称比能量,包括质量能量密度与体积能量密度,常用单位分别为Wh/kg及Wh/L。功率密度指单位质量或单位体积储能系统所能输出的最大功率,又称比功率,包括质量功率密度与体积功率密度,常用单位分别为W/kg及W/L。一般来说,能量密度高的储能系统(能量型)其功率密度不会太高;同样,当储能系统的功率密度较高时(功率型)其能量密度一般也不会太高,

(4)自放电率。由于储能系统原材料中的少量杂质影响,储能系统闲置不用时必定会存在自放电现象,常用自放电率(%/日、%/月)来反映储能系统在一定条件下储存能量的保持能力,是衡量储能系统性能的重要参数,主要受制造工艺、材料、存储条件等因素影响。不同的电池类型其自放电率也不一样。

(5)放电时间。放电时间即储能系统最大功率运行时的持续放电时间,取决于系统的放电深度、运行条件以及是否为恒功率放电等。

(6)循环寿命。储能系统经历一次充电和放电,成为一次循环或一个周期。在一定的放电条件下,储能系统工作至某一容量限定值之前,系统所能承受的循环次数或年限,称为循环寿命。影响循环寿命的因素主要是储能系统的性能和技术维护水平。

(7)其他指标。除此之外,储能系统还有技术成熟度、成本、系统维护量、放电频率、环境影响、与现有基础设施的兼容性、可移植性、安全性和可靠性等评价指标。

2 电储能技术分类

电储能一般可以分为电化学储能、机械储能和电磁储能。

图1 电储能技术分类

机械储能,主要是指抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等。

电化学储能,主要是指铅蓄电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池等。

电磁储能,主要是指超导磁储能、超级电容器储能等。

表1 电储能技术特点及应用场合

3 电化学储能技术

3.1 铅蓄电池

铅蓄电池充放电时工作原理如下,放电时,正极的PbO2和负极的Pb都与硫酸(H2SO4)发生反应变成PbSO4,因此也称为“双硫化反应”。充电时,正极PbSO4转化为PbSO2,负极由PbSO4转化为海绵状Pb。具体的电极反应如下:

铅蓄电池主要由阳极、阴极、电解液稀硫酸(H2SO4)、电池外壳、隔离板及安全阀、电池盖等部件组成。基本结构如图2所示。

图2 铅蓄电池基本结构图

铅蓄电池具有原材料来源丰富、安全可靠、技术成熟、成本低廉、工艺简便、适应性强并可制成密封免维护结构等特点,并且工作温度宽泛,达到-40℃~+40℃,低温性能较好,在汽车启动电源、UPS及EPS(应急电源)等传统领域中应用广泛。传统铅蓄电池的缺点是循环寿命短、能量转换效率低、无法满足电力系统储能所需长循环寿命和高能量转换效率的要求。

3.2 锂离子电池

锂离子电池是以锂离子为活性离子,充放电时锂离子经过电解液在正负极之间脱嵌,将电能储存在嵌入锂的化合物电极中的一种储能技术。电池充电时,Li+从正极脱出,穿过电解质和隔膜嵌入负极,正极处于贫锂态;放电时,Li+从负极脱出嵌入正极,正极为富锂态(如图3所示)。为保持电荷的平衡,充放电过程中有相同数量的电子经外电路传递,与Li+同时在正负极间迁移。锂离子电池实质为一种锂离子浓差电池,依靠锂离子在正负极之间的转移来完成充放电工作。

图3 锂离子电池工作原理图

锂离子电池一般由正极材料、负极材料、隔膜、正极引线、负极引线、隔圈、盖板、安全阀、电解液和壳体等组成,如图4所示。根据正极材料划分,锂离子电池又分为钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4)以及三元材料(LiNixMnyCo1-x-yO2)。

图4 锂离子电池结构图

锂离子电池优点:1)高能量密度,体积能量密度达350Wh/L,质量能量密度达200Wh/L,且还在不断提升;2)高功率密度,目前三元锂电池质量功率密度已达3000W/kg;3)高达95%以上的能量转换效率;4)长循环寿命,锂离子电池循环寿命均在500次以上,磷酸铁锂和三元锂可达3000次以上,浅充浅放下电池循环寿命更长;5)无记忆效应,可进行不同深度的充放电循环;6)易快充快放,锂离子的充电倍率一般在0.5C~3C,充电时间在0.5h~2h。主要缺点包括:1)采用有机电解质,存在较大安全隐患;2)循环寿命和成本等指标尚不具备大规模商用水平。

3.3 液流电池

液流电池又称为氧化还原液流电池,是一种新型的大型电化学储能装置,正、负极活性物质均为液体,分别储能在独立的储液罐中,通过外接管路与流体泵使电解质溶液流入电池堆内进行反应。在机械动力作用下,液态活性物质在不同的储液罐与电池堆的的闭合回路中循环流动,采用离子交换膜作为电池组的隔膜,电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应。系统通过双极板收集和传导电流,从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。这个可逆的反应过程使液流电池顺利完成充、放电的循环过程。

其主要优点如下:1)液流电池容易实现规模化。其功率大小取决于电池堆,容量大小取决于电解液,额定功率和额定容量相互独立,因此可以灵活配置功率和容量;2)循环寿命长;3)快速响应(<1ms);4)自放电率低。正负极电解液分开储存,电池搁置时自放电率低;5)深度放电性能好。可100%深度放电而不会对电池造成损害。其缺点主要是能量转换率较低,仅有70%~80%左右;能量密度和功率密度较低;因为需要独立的储罐、反应罐、泵及各种阀门、管路,占地面积大,系统成本较高。

正负极全使用钒盐溶液的称为全钒液流电池,简称钒电池。全钒液流电池系统结构主要由电堆、两个独立正/负储液罐、循环泵、输送管道及充放电控制系统等组成,如图5所示。钒电堆主要由电极、隔膜、双极板、石墨毡等组成,如图6所示。

图5 液流电池系统原理图

图6 钒电堆结构图

图7-1  10kW电池单电堆

图7-2  10kW电池单电堆

3.4钠硫电池

钠硫电池是高温钠系电池的一种,以单质硫和金属钠为正负极,β-氧化铝陶瓷为电解质和隔膜的熔融盐二次电池,其工作温度在300-350℃之间,需要热源以维持系统温度,具有能量密度高、功率特性好、循环寿命长、成本相对低等优点。

钠硫电池为全密封设计,主要由β-氧化铝陶瓷管、熔融钠盐负极、熔融硫盐正极、集流体与密封罐组成。放电时,带正电的钠离子(Na+)通过电解质,而电子通过外部电路流动产生大约2V的电压;充电时,整个过程逆转,多硫化钠释放正钠离子反向通过电解质重新结合为钠,系统原理见图8所示。

图8 钠硫电池系统原理图

钠硫电池成本和安全性有待优化。钠硫电池系统成本约为2000-2500元/千瓦时,相对大部分储能技术都较低,但离大规模商业化标准仍有距离。此外,由于电池使用液态钠且在高温下运行,一旦陶瓷电介质发生受损破裂导致融态钠和硫之间发生剧烈反应,形成短路引发电池燃烧产生重大安全事故。

4 机械储能技术

机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等,主要利用水、空气等作为储能介质,充放电过程不发生化学变化。

4.1 抽水蓄能

抽水蓄能(Pumped Hydroelectric Storage,PHS)是利用电力负荷低谷时系统中多余的电能将下水库的水抽到上水库内,以水力势能的形式储能。在系统负荷高峰时,通过水轮发电机将水力势能转化为需要的电能,满足系统调峰需求。

图9 抽水蓄能系统原理图

抽水蓄能电站由引水系统、上水库、下水库、抽水蓄能电动/发电机组等组成。抽水蓄能电站的上水库高程高于下水库,作用是将水体以高差形成的势能蓄存起来。下水库的作用为蓄存发电时上水库下放的水量,可再度利用电动机将其抽入上水库进行蓄能。上水库、下水库可以利用天然湖泊或已建的水库,也可新建。

抽水蓄能电站有发电和抽水两种运行方式。在抽水过程中,下水库由满库至空库,上水库则相反;在发电过程中,上水库由满库至空库,下水库则相反,如此完成一个循环周期。抽水蓄能电站既是电源,亦是电力用户,并已成为电网运行有效调节装置和确保电网安全、稳定、经济生产的重要支柱。

4.2 压缩空气储能

压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage,CAES)是一种大规模的物理储能方式,经过近50年的生产运作和不断发展,压缩空气储能已成为除抽水蓄能之外的另一种大规模物理储能技术,其特点是容量大、技术成熟和商业化。

传统的压缩空气储能主要部件包括压缩机、压缩空气存储器、燃烧室、膨胀机和电动机/发电机等。在储能过程中,利用电力系统低谷时的电量,由电动机将空气从大气环境压入压缩机,被压缩成高压空气后储存在压缩空气存储器(报废矿井、沉降的海底储气罐、密闭地下洞穴、过期油气井或新建储气井)中。在电网负荷高峰期进行能量释放,压缩空气存储器中的高压空气首先进入燃烧室,与燃料(油或天然气)混合燃烧,成为高温高压空气,接着进入燃气轮机做功发电,完成空气气压势能到电能的转换,满足电力系统调峰和系统备用的需要,压缩空气储能电站的建设受地形制约,对地质结构有特殊要求。

图10 传统压缩空气储能系统原理图

4.3 飞轮储能

飞轮储能(Flywheels Energy Storage,FES)是一种物理储能技术,通过真空磁悬浮条件下高速旋转的飞轮转子来储存能量;磁悬浮飞轮储能装置是一套可以实现“电能—动能“之间高效相互转换的设备;充电时,相当于电动机,将电能转换为动能,转速每分钟几万转,储存能量;放电时,相当于发电机,转速下降,将动能转化为电能,向负载释放电能。飞轮转子在真空室内、磁悬浮状态下工作,没有摩擦损耗及空气阻力,减少了运行中的能量损耗、提高了飞轮转速。

典型的飞轮储能装置系统如图11所示,主要由高速转子(飞轮)、能量转换装置(电动机/发电机)、控制设备、封闭壳体和磁悬浮轴承等组成。封闭壳体为飞轮储能装置提供了一个高真空环境以减少空气阻力、保护转子系统,轴承系统为转子提供低损耗支撑。

图11-1 飞轮储能系统原理图

图11-2 飞轮储能系统原理图

飞轮储能系统最关键的两个指标分别为储能效率及储能密度。储能效率主要受轴承摩擦力和风阻损耗的影响较大,需最大限度地降低其影响;储能密度主要受飞轮转速影响,需将飞轮转速提高到允许的最高速度,但是对飞轮材料、电极、轴承及控制系统的要求较高。高速、低损耗、高储能密度一直是飞轮储能技术研究的主流方向。

5 电磁储能技术

电磁储能包括:超导磁储能、电容储能、超级电容器储能。

5.1 超导磁储能

超导磁储能(Superconducting Magnetic Energy Storage,SMES)采用超导体材料制成线圈, 利用超导线圈通过变流器将电能以电磁能的方式来储存,需要时再以变流器将电磁能返回电网或其他负载的一种电力设施。

图12 超导磁储能

超导磁储能主要由超导线圈、低温冷却系统、磁体保护系统、变流器、变压器和控制系统等部件组成,如图13所示。其中,超导磁储能系统的核心部件就是超导线圈,它也是超导磁储能装置中的储能元件,能够将电流以电磁能形式无损耗地储能于线圈中。

图13 超导磁储能系统原理图

超导磁储能系统内阻很小,几乎可以忽略,因此所储存的能量几乎可以无损耗的永久保存,储能效率高达95%以上。超导磁储能具有响应速度快(ms级)、能量转换效率高(≥95%)、储能密度大和不受场地限制等优点,且超导线圈处于超导状态时没有焦耳热能散失,可以完成和电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿。缺点在于超导系统的低温冷却环节实现难度大,冷却成本太高。

5.2 超级电容器储能

超级电容器是近年来收到广泛关注的一种新型储能元件,超级电容器的储能原理与电容器相同,其存储能量可由公式描述为:

式中:E为超级电容器所储存的总能量;C为超级电容器电容,由两极板间距、极板面积以及电介质材料决定;U为超级电容器端电压。

超级电容器在本质上是以电磁场来储存能量,不存在能量形态的转换过程,主要优点为:1)超高电容量,容值范围从0.1法到数万法之间;2)充电速度快,可在数秒到几分钟内达到其额定容量的95%以上;3)功率密度高,功率密度为一般蓄电池的十倍以上,典型的功率型电池;4)充放电效率高,损耗小,大电流能量循环效率超过90%;5)循环寿命长,深度充放电循环次数可达1万~50万次;6)工作温度稳定范围宽,可在-40~80℃温度范围内工作,超低温特性好;7)环境友好,产品原材料构成、生产、使用、储存及拆解过程均没有污染,为绿色环保电源;8)安全系数高,长期运行免维护;9)占地面积极小。其主要缺点如下:1)能量密度低,不到10Wh/kg,远低于锂离子电池;2)电池电压低,额定电压一般为1~3V,必须通过串并联组合构成模块才能满足实际应用需求;3)端电压随着充放电过程变化,超级电容器端电压随着充电而上升,随着放电而下降,需要配合DC/DC变换器使用,以保持输出电压的稳定;4)参数不一致,同一型号规格的超级电容器在电压、内阻、容量等参数上存在不一致性,主要是制造过程中的工艺和材质不均造成的,而在使用过程中,工作环境及电压不均的积累又会加剧其不一致性。

6 结论

本文主要对电储能的主要技术路线、技术原理及性能特点进行了介绍。总的来看,电储能技术路线众多,且各有其适合的应用场景,先进的铅炭电池以及锂离子电池得益于其较低的成本,将占据市场主导地位。机械储能和电磁储能技术总体上看,主要可分为能量型和功率型两种。能量型储能技术以抽水蓄能及压缩空气储能为主导,抽水蓄能得益于发展较早,在装机容量方面已占据霸主地位,二者均面临选址条件苛刻的共同问题。功率型储能以飞轮储能、超导电磁储能以及超级电容器储能为主要代表,目前均处于示范阶段,关键技术尚未有突破,功率型储能商业化需求主要用于电力辅助服务市场,目前市场仍在早期阶段,因此功率型储能技术一段时间内仍会以示范应用为主。


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