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美国:适合电网规模储能系统部署的三种电池技术

作者:刘伯洵 来源:中国储能网 发布时间:2019-03-28 浏览:
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中国储能网讯:早在2017年,调研机构GTM Research公司就2016年美国储能市场状况发布了一份研究报告。该研究预计,到2021年,储能系统的装机容量将增长到2GW以上 ,其中包括住宅储能、非住宅储能、电网规模储能系统,这将比2016年储能装机容量要高10倍以上。据估计,如此大规模的部署将使美国储能市场规模达到28亿美元。

锂离子电池储能系统可以存储和调节可再生能源

美国乔治·梅森大学的David Hart和Alfred Sarkissian研究了美国的电网规模电池储能系统,并于2016年向美国能源部提交了他们的研究结果。该研究一项主要成果表明,锂离子电池约占电网规模电池储能市场95%份额。然而,氧化还原液流电池和锌混合电池也成为储能市场上的主要技术。

尽管公用事业规模储能系统的部署在2018年的前三个季度略有下降,但预计在2019年仍将增长。电池储能系统可以调节可再生能源的可变性,并提高可靠性来提供按需供电,从而支持风能和太阳能等可再生能源项目。

各种电池都具有针对特定性能的功能和应用,但是,储能开发商的目标是相同的:选择一种能够确保储能系统经济、可靠、高效运行的电池。

锂离子电池

1991年,索尼公司推出了世界第一款锂离子电池,主要用于消费类产品。从那时起,锂离子电池已成为电网规模储能系统最广泛采用的电池技术。锂离子电池具有处理小规模应用的多功能性,例如为电动汽车供电;也可以应用在需要数小时储能的电网规模储能系统中。

锂离子电池的名字来源于在电极之间转移的锂离子,无论是为了储能而注入能量还是提取能量。锂离子电池使用锂化金属氧化物作为阴极(电子进入器件的带负电电极)而不是金属锂,通常采用碳用作阳极(电子离开器件的带正电电极)。与通过充电和放电改变电极的电池有所不同,锂离子电池提供更高的效率,因为离子运动使电极结构保持完整。

在锂电池家族中,还有一些电池供应商提供各种不同的电池产品和设计,并不断提高能源密度和循环寿命,降低成本。

对于30分钟至3小时的持续储能,与其他电池解决方案相比,锂电池具有最佳的能量密度。对于更长时间的持续储能,锂离子电池并不是最具成本效益的选择,这取决于应用场合,尤其是在考虑寿命成本时。锂离子电池也可配置成各种规模的电池组,以产生各种规模的电压和容量。

位于华盛顿州普尔曼的1MW/4MWh的储能系统由Avista公司运营。该系统使用Northern Power公司的FlexPhase转换器和UET公司的氧化还原液流电池为电网和最终用户提供多种服务,其中包括负载转移、黑启动功能、可再生能源集成和弹性。

锂电池组通常具有较窄的电压范围和较高的最小直流串联电压,相对于其他电池技术,锂电池可以将功率转换器的成本降至最低。锂离子电池的储能系统(ESS)的效率通常高于使用液流电池或锌混合电池。

例如,锂离子电池储能系统在额定功率下额定运行两小时,其往返效率为75%至85%。但是,额定运行30分钟的电池储能系统的效率可能在65%到75%的范围内。当然,规模较小的30分钟电池储能系统的初始成本较低,其效率更高,在长时间放电运行时寿命更长。

随着时间的推移,锂离子电池将会退化,在设计一个20年使用寿命的电池储能系统时,必须采取一个电池补充、更换和处理策略。虽然锂离子电池的固态特性意味着移动部件较少,但这意味着容量相对较小的锂离子电池与液流或锌混合电池相比,需要更复杂的监控和电池管理系统。

氧化还原液流电池

美国国家航空航天局在20世纪70年代研究了氧化还原液流电池(RFB)在太空计划中的应用,而将氧化和还原反应的液流电池用于储能的概念可以追溯到更久远的年代。

在氧化还原液流电池(RFB)中,两种化学组分溶解在系统内的液体中,并通过离子膜进行分离。该膜促进离子交换和电流流动,同时液体在阳极电解液和阴极电解液罐中保持分离。在这些电解液罐中发生的化学还原和氧化反应将产生的能量存储在液态电解质溶液中,这就是“氧化还原”的名称来源。

与锂离子电池类似,不同的液流电池具有多种不同的化学成分。电网规模液流电池储能解决方案的大多数产品都使用某种钒、铁、溴或钠溶液。

氧化还原液流电池(RFB)与传统电池相比比较独特,因为其系统的额定功率值取决于所选电堆的大小,并且其储能容量取决于电解液罐的尺寸和罐中电解质的体积。原则上,这意味着可以任何配置能量和功率的组合。然而,在实践中,与电堆的额定功率相比,泵送和管理罐所需的基础设施对于具有4小时或更多时间的储能系统而言在经济上是可行的。

液流电池的特点是循环寿命很长,可以达到数万次循环,或在理论上可以达到无限的循环寿命。例如,在两个槽之间交换离子时,钒溶液不会发生降解,并且在系统寿命结束时,钒溶液还有一定的剩余值。尽管与其他电池相比,其初始成本通常较高,但液流电池的工作寿命成本可能较低,特别是在高循环应用中。

Eos Aurora 1000是一种能够满足电网规模市场需求的储能系统。它使用锌混合阴极电池,可以进行扩展和配置,以降低成本,并最大限度地提高盈利能力。

液流电池的能量密度比同等规格的锂电池溶液的能量密度更低,并且通常需要更大的占地面积或特定存储装置或所需的占地面积。但是,对于许多储能项目而言,占地面积并不是影响项目可行性的主要因素。

在一些情况下,与容量相同的锂离子电池储能系统相比,4小时长时储能的液流电池的占地面积更小。锂离子电池组的重量通常使其堆叠放置变得不切实际。

人们还存在一些误解,即由于液流电池在额定功率下放电4小时或更长时间,它们不能执行频率调节或其他短期供电任务。实际上,液流电池非常适合长时间的峰值转换(改变电力来源以减少电网“需求费用”)或需求转换,以及短期服务。在这种堆叠的使用案例中,具有高循环寿命的电池储能系统非常具有价值。液流电池的往返效率通常为65%至75%。

锌混合电池

锌混合电池是最新的电池产品之一,在电网规模储能用例中具有早期的现场应用。第一批可充电锌基电池于1996年问世,最终用于为新加坡的中小型客车供电。电动汽车和分布式能源的激增增加了对生产成本低廉的电池系统的需求。

锌混合电池也有望为电网规模的解决方案提供专用电池,可以在成本方面超越其他的电池。金属锌被广泛使用,而且其生产成本通常比锂离子电池或液流电池更低。锌混合电池在商业化进程中处于早期阶段,因此其成本比其他新兴电池技术解决方案还要低。

在锌混合电池中,多孔阳极由大量锌颗粒形成的,然后在放电期间实现电解质饱和。通过氧化反应在阴极处形成的的氢氧根离子移动到锌糊中以形成锌酸盐,从而释放出电子,并进入阴极。与液流电池类似,这项技术也适用于4小时储能解决方案。

与锂离子电池类似,采用锌混合电池系统必须考虑电池的劣化,其中包括电池的补充、更换和处理,因为其储能容量将会逐渐退化。锌混合电池的整体效率通常低于锂离子电池,平均为65%至70%。对于更高的充电和放电速率的应用来说略低,而对于更低的充电和放电速率的应用来说则更高。

预计锌混合电池在可再生能源应用中具有一定竞争力,例如与太阳能发电项目配套部署时。它们也适用于具有日常充电和放电周期的调峰应用。与锂离子电池解决方案相比,锌混合电池和液流电池往往具有更宽的直流电压工作范围,并且所需的功率转换器系统成本更高一些。

选择合适的电池

用户需要选择理想的电池,并设计最佳的系统和运行策略来决定储能项目的经济效益。了解不同电池技术的优势和挑战是用户做出正确选择的关键。

虽然没有人确切知道未来哪一种电池将会成为最终获胜的解决方案,但仍然会有多种选择。最终用户希望与交钥匙供应商和集成商开展合作,这些供应商和集成商可以帮助用户配置适合其项目的电池储能系统。

关键字:储能电池

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