国家发展改革委员会和国家能源局在2016年发布的《能源生产和消费革命战略(2016-2030)》中提出,在2030年非化石能源发电量比重争取达到50%,这意味着传统电力/电网系统中的电源配置,输电规划和控制方案等方面都需要作出调整。目前,储能技术在提高电力/电网系统对新能源的接纳能力、电网调频、提高电能质量和电力可靠性等方面的重要作用受到国际上的广泛认可,是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段。
从广义上讲,储能技术即能量存储,是指通过一种介质或者设备,把一种能量形式用同一种或者转换成另一种能量形式存储起来,在应用需要时再以特定能量形式释放出来的循环过程,大致可以分为物理储能、电化学储能以及电磁储能三种。物理储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等;电化学储能主要包括铅酸电池储能、锂离子电池、液流电池等;电磁储能主要包括超级电容器储能、超导储能等。
电化学储能技术在全球市场的应用
近年来,全球储能市场的快速增长得到了业界的广泛关注。而多家调研机构的调查报告也在不断提高对储能系统投资和部署的预期。其中,电化学储能技术以其在适用性、效率、寿命、充放电、重量和便携式方面的优势,发展势头迅猛。截至2019年6月底,全球已投运的电化学储能项目的累计装机规模为7427.5MW,占全球储能市场的4.1%,同比增长105%。2019年三季度,全球新增投运电化学储能项目装机规模149.6MW,从技术分布上看,也几乎全部应用了锂离子电池。可见,锂离子电池储能系统是增长最快的储能技术。
从装机规模看,抽水蓄能仍是我国储能市场的主要组成部分。截至2018年年底,我国投运的储能项目累计装机约3120万千瓦,抽水蓄能装机为2999万千瓦,占储能总装机规模的96%;但是,其建设对地理条件要求比较高,建设周期较长,单体容量大,难以寻找合适的贴近于负荷中心的应用建设场地。
除了抽水蓄能,我国其余电储能基本上是各类电化学储能。电化学储能具有单体容量小、施工安装难度小、建设速度快,能够贴近负荷、各类新能源灵活配置的特点。随着近年来电化学储能技术的不断成熟、成本的快速下降,我国电化学储能增长迅速。2019年三季度,中国新增投运电化学储能项目装机规模78.2MW,环比增长29.3%,值得一提的事,其中几乎全部应用了综合表现优秀的锂离子电池。
无论是功率型还是能量型的应用,锂离子电池均有较好表现,且工程实施性好,应用范围较广。伴随着电动汽车的快速发展,锂离子电池的研发生产已有规模效应,造价成本下降趋势较快。相比其他电化学储能技术,锂离子电池综合性价比高,实际应用规模也最大。
但是,锂离子电池的安全性问题也成为了行业所关注的重点。自2017年8月起,韩国已经发生了27起储能电站火灾事故,其中17起为锂电池应用的储能系统。从技术角度分析,锂离子电池在过充过放、过热、机械碰撞等内外部因素的作用下,容易引起电池隔膜崩溃、内部短路,从而导致热失控的发生,这是锂离子电池发生安全问题的根本原因。此外,锂离子电池目前采用的有机溶剂的电解液大多属于易燃或可燃液体,这又增加了其发生火灾的隐患。
锂电池技术正在寻求创新突破
为了提高锂电池储能系统的安全可靠性、能源效率以及其他方面的性能,近年来,全球多家电池科技公司在多年的研发基础上取得了一定的技术性突破,并有部分技术经过多年研究,正在向商业化的道路前进。
Solid Power固态电池制造商研发的新型固态电池,不仅用锂金属材料代替石墨阳极,而且用一块固体件(通常是陶瓷、玻璃或阻燃聚合物)来代替液体电解质和隔膜,这项正在开发的电池将提高至少50%的能量密度。
瑞士电池科技公司英诺利Innolith经过10年的研发,推出了基于不可燃无机电解液技术的锂离子电池,此类电池具有高能量密度及稳定安全的特性。英诺利的首款产品P1已经在美国PJM电网系统中运行了2年,为电网提供调频服务,并在2017年得到了 UL(美国保险商试验所 Underwriter Laboratories Inc) 的认证。相关团队在德国第三方实验室对P1产品进行了连续五年不间断的测试,循环充放次数超过50000次,充放深度从0到100%,比有机电解液的锂电池循环充放次数提高了近10倍。
国内著名的电池制造商宁德时代曾宣布将推出一款长循环寿命磷酸铁锂电池,使用寿命可以超过15年,单体循环超过15000次。据称电池环境适应性强,能够很好地满足储能工况要求,将会是目前应用于储能市场的锂离子电池技术路线的一个很好的选择。
近日,复旦大学研究团队提出了关于锂氧气电池正极材料的智能化设计理念,利用超组装的多孔CeO2/C框架材料用作正极催化剂,实现了Li2O2薄膜在充放电过程中高效可逆地智能化吸附和分解,从而获得了锂氧气电池稳定的长循环寿命和优异的倍率性能。
未来,随着世界从化石燃料转向存储电力,这些突破性的电池技术平台有望为储能行业带来突破性的创新发展。