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储能电池该怎么选?

作者:王伟 来源:能源评论杂志 发布时间:2019-08-21 浏览:
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中国储能网讯:电池储能路线的选择堪称丰富,至少包括:铅酸(铅炭电池)、锂离子电池(三元、磷酸铁锂)、超级电容、纳基电池、液流电池、钠硫电池等。在令人眼花缭乱的电池技术中,储能用户和集成商该如何进行选择呢?应该基于哪些原则设计方案和长期规划?日前本刊采访了包括多位院士级专家在内的资深人士,他们给出的解答是,储能电池一定要坚持安全第一的原则,具体技术路线要和场景结合,下一代电池或许更具颠覆性,值得期待。

安全第一

专家表示,储能作为一个新兴产业,必须做到先站稳,才能谈得上走起来,跑步前进。没有安全前提下冒进或者大干快上,将对行业带来无穷伤害。

6月中旬,韩国工信部公布了之前23起储能电站起火事故调查结果,总结起来有以下几个原因:电池系统缺陷、应对绝缘检测的保护系统不够、储能电站建设完成后管理和维护不够、换流器(PCS)和储能系统(ESS)之间的综合管理系统不好。

储能电池系统必须满足四种应用需求:能量转移、调峰调频、平滑出力、跟踪调度曲线等。如何既加强规范又不阻碍发展是一个需要全行业共同探讨的问题。

中国工程院院士顾国彪表示,与物理储能相比,目前电化学储能最大的问题是,大容量的电池系统容易出现安全性问题,即使成熟厂家最好的电池,工作的时候如果掌握不好功率平衡,就会引发安全事故。

分析认为,电池发生起火的原因来自两方面:一方面由于电气线路、逆变器、电池管理系统等设计不合理或出现故障,故障部位局部长时间发热、电弧或电火花瞬间放热,会造成线路短路导致电气火灾;另一方面,随着电池循环次数增多,过充过放、不可逆副反应等原因导致容量衰减、内阻增大、内短路、异常产气、析锂等现象,当局部或整体的温度急速上升,热量大量积聚在内部时,会导致电池系统出现热失控。

中国工程院院士杨裕生认为,目前来看,高镍三元等高能电池不应是发展重点,全固态电池能否成功存在不确定性。目前看来,磷酸铁锂电池安全性高,寿命长,既不用镍也不用钴等金属,而且现在已经掌握了微纳结构—碳包覆技术,可以成为主力,但要不断提高性价比。

在中国电科院首席专家惠东看来,理论上讲,磷酸铁锂也不是绝对安全,只是相对安全。目前看到的储能电站的安全事故,往往是在预警缺失或滞后的情况下发生的,加之现有消防措施并非针对火灾配置,最终演变为严重事故。

因此,储能安全问题除了要加强电池管理外,还要考虑到一些被动安全措施,比如传感器、消防系统,甚至是在运维层面提前介入,就像光伏电站一样,储能系统也要牢记“七分靠设计,三分靠运维”的原则并付诸行动,才能保障系统安全可控。

也有业内人士提出,对于特殊应用场景的储能系统安全,需要出台相应规范和标准,比如对于城市中安装于地下室的工商业用户侧储能系统,必须要对安全问题高度重视,谨慎评估。据报道,澳大利亚Standards Australia AS5139标准在征求意见中,曾要求锂离子电池安装在一个独立的空间/外壳中、户用电池储能系统只能安装在户外一个专门区域。

宁德时代新能源公司储能事业部执行总裁陶橡认为,储能还远远谈不上什么先进性、经济性,现在首先要做到稳扎稳打,把整个储能系统的安全平衡性问题,从电芯、电池到BMS(电池管理系统),一直到EMS(能量管理系统)通通做好。

场景定制

电池技术路线该如何选择?随着成本下降,电池储能是否可以替代抽水蓄能?这些同样是业界关心的问题。

在顾国彪看来,不能绝对地说哪种储能方式最好,无论是物理性质的抽水蓄能、飞轮储能,还是电化学的各种电池,他们各有各的应用场景,科学的方法应该是根据其特性,部署在适合的地方,更好地发挥其功能。

中国电建集团华东勘测设计院有限公司副总经理时雷鸣认为,电池储能和抽水蓄能两者不是相生相克,不是你死我活的关系,可以发展成相互补充、共同发展、相互促进的和谐共生关系。原因在于,电池储能可以在极短的时间内(100毫秒)跟踪电网频率和负荷的波动,功率爬升速率极快,电能与频率几乎完全同步,但是持久性有限。抽水蓄能不足在于空载到满载的时间要10秒,但可以提供从日调节到周调节,为系统的大稳定和事故备用提供更加可靠的保障,在后续补位上面为电网提供的作用不可替代。

从场景来看,电池储能目前的主要场景包括:电源侧的发电侧风光电站,火电厂AGC调频;电网侧的变电站储能、虚拟电厂、调峰、辅助服务(调频、调压、黑启动、旋转备用);用户侧的光储电站、家庭储能、备用电源等。

据专家介绍,从电池类型来看,最为重要的是电池的功率特性和容量特性。因此,根据不同储能应用场景对于电池功率容量比值的不同要求,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。

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以及超级电容器则是一类典型的功率型电池。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。

储能电池对于能量密度没有太高的要求,针对不同应用场景,会对其功率密度有一定的要求,比如需具备安全、长寿命、能量转换效率高,循环次数一般要大于3500次。

综合来看,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,因此适合充放电倍率≤0.5C的容量型电池;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,所以比较适合充放电倍率≥2C的功率型电池;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。

期待颠覆

产业的颠覆性革新一定要有新一代技术支撑。恰如因为出现了突破机械寻址方式的新一代存储芯片,乔布斯才推出了苹果手机。同是基于材料的创新,芯片业的摩尔定律却无法在储能行业生效,每年几个百分点的提升也很难让公众提起兴致,当用能设备变得越来越轻薄,越来越智能,电池却还在苦苦煎熬中期待着升级换代的到来。

面对纷繁的储能技术路线,不少专家表示,虽然目前有很多电池技术路线,现有的这些技术不会是未来的主流路线,将来一定会出现颠覆性的技术。

2018年以来,不少电池专家公开表示,未来动力电池和储能电池技术路线会分开,储能专用电芯也将登场。

中国科学院电工研究所储能技术研究组组长、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会副秘书长陈永翀表示,现有储能用锂电池是由手机电池等微小型电池渐进式发展而来,除了将电池体积变大以外,还没有脱离小型电池粘接涂布薄膜电极结构的核心设计思路,这给大型储能用锂电池的一致性设计带来了的难题。此外,基于现有原理的电池使用存在安全隐患,后处理也比较困难。

因此,有必要彻底脱离原有小型电池的设计思路,开发颠覆性的大型储能电池结构技术,包括适用于容量型储能的超厚浆料电极技术和功率型储能的超高压结构技术,在此基础上创新开发低成本的制造技术、安全延寿的修复技术和绿色环保的回收技术,以满足不同储能应用场景的需求,支撑储能产业实现突破发展。据了解,目前日本京瓷公司开发的浆料电池,可使原材料费用比以往降低约3成,最快将在2020年内开始量产,并用于住宅及工厂的储能系统。

陈永翀预计,下一个十年,电化学储能技术将会有颠覆性发展。对于储能企业而言,以下几类值得关注:技术可靠,具有国际化视野的储能产品或生产装备出口供应商;技术路线独树一帜,在成本方面有明显竞争优势的储能产品供应商;掌握核心应用技术,与保险公司合作提供储能租赁服务的储能运维服务商;电网公司下属的储能系统公司。

未来,电化学储能技术的目标是“低成本、长寿命、高安全、易回收”,有待技术的颠覆性创新和突破。

关键字:储能电池

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