眼下,尽管风力发电机、太阳能光伏等新能源设施在生活中已越来越常见,但中国三分之二的社会用电量仍来自于会带来大量碳排放的煤电。
为了优化国家能源结构,加速发展新能源,各级政府纷纷以储能为抓手推进建设新型能源体系,许多政策和资源都向发展长时储能倾斜。在各种长时储能技术路径中,液流电池凭借本征安全、度电成本低、灵活易部署等优势脱颖而出,进入到产业化发展的新阶段。
发展新能源需引进储能做帮手
发展新能源,必须引进储能,这是由新能源间歇性、波动性、随机性等特点决定的。
以光伏发电来说,不同的时段,不同的季节,不同的天气,光照强度不一样,光伏电池的输出电压和电流也会出现相应变化。对于电网来说,光伏发电并不是越多越好。在正午、盛夏等强光照条件下,光伏输出的电压如果大幅超过电网的可接受能力,可能会造成电网阻塞,影响正常供电。
同样,新能源发电量不足,也会冲击电网安全。以风力发电为例,风的速度、方向,时刻都会发生变化,一旦天气在较短的时间内由大风转为小风、甚至静风,而其他的电源又无法补充上来,就会给电网稳定运行带来困难,甚至造成电网瘫痪。
因此,发展新能源,需要引进储能来做帮手。在发电量高于用电需求时,将多余的电量储存起来备用;当新能源发电不足时,再将先前储存的电量补充输送进电网。通过这种削峰填谷的操作,来保障电网的运行安全。这样既能平衡电力负荷,有效缓解因新能源发电不稳定造成的影响供电安全的问题,保障电网正常运行,还能“削峰填谷”,在不同时段内合理调配资源,满足社会用电需求,减少损失浪费。
4小时以上长时储能成为新能源“标配”
目前,可投入商用的储能技术非常多,储能时间也有长有短。对于新能源电站来说,只有配置4小时及以上的长时储能产品,才能真正起到平衡电力负荷与削峰填谷的作用。
根据2022年,全国光伏电站平均利用1452小时,全国风力电站平均利用2259小时计算,每天的工作时长分别为4小时和6.2小时。如果电站配备的是2小时以内的中短时储能,依旧无法保护电网免受因新能源发电不稳定所带来的冲击。
另外,短时储能无法有效填补一天内的用电峰谷缺口。我国用电峰谷平时间段的划分如下: 高峰时段08:30-11:30 & 18:00-23:00;平时段07:00-08:30 & 11:30-18:00;低谷时段23:00-7:00。当高比例使用新能源发电时,如果储能时长不足,会出现白天光照和风能充足时,电池很快充满,无法继续充电;到了早晚用电需求高峰时,电池又很快用尽,无法补能的尴尬。
为此,各地政府先后出台了一系列相关政策,要求新能源项目配套建设4小时以上的新型储能设施。
2023年7月,山东省出台《关于支持长时储能试点应用的若干措施》,要求试点项目规模不低于10万千瓦,满功率放电时长不低于4小时,这是国内首个支持长时储能发展的地方性专项政策,长时储能可享受优先接入电网、优先租赁、容量补偿标准提高、减免输配电价等优惠政策。
同月,内蒙古自治区出台《关于加快新能源产业发展的提案》,要求市场化的新能源项目按照装机容量的15%,配置时长4小时以上的储能设施。
根据这些政策内容,可以明确看出政府对储能行业的重视程度,并正在采取各种措施来解决日内平衡调节的问题。未来,储能技术的应用将进一步扩大,用于解决日以上甚至跨周、跨月的调节。可以预见,长时储能技术在能源领域的应用将越来越广泛,为我国能源结构的优化和清洁能源的发展提供强有力的支持。
储能路径百花齐放,谁将突出重围?
目前在储能市场应用最多的锂离子电池因其寿命有限且自放电率较高,长时间存储将加速电池老化,只适合2小时以内的中短时储能场景,无法满足长时储能的需求。
在结构层面,锂离子电池将功率输出与能量储存装置紧密结合。如果要增加储能时长,就要等比例增加电池成本。因此,4小时储能系统的电池成本相当于1小时储能系统成本的4倍。锂离子电池在长时储能领域并不具备经济性。
图:锂电池与液流电池的投资成本示意
在长时储能的各种技术路径中,抽水蓄能已处于大规模商用阶段,具有装机容量大、放电时间及使用寿命长、能量转换效率较高等优势,但也存在选址受限、建设周期长达8-10年等劣势。
压缩空气储能虽然单机容量大、储能时间及使用寿命长,但是存在压缩过程放热损失能量、选址局限于高气密性空间(如岩穴、废弃矿井等)、建设周期较长(2年左右)等问题。
那么,有没有一种长时储能技术,既能像抽水蓄能和压缩空气储能一样实现长时,又能克服选址难、建设周期长的劣势呢?
南方科技大学碳中和能源研究院院长赵天寿分析称,长时储能技术包含最关键的两个要素,首先能量载体可以流动,同时要有相应的能量转换装置,实现容量和功率解耦。液流电池就是满足这两个条件的优质之选。
图:液流电池运行原理
液流电池是一种新型的电力系统储能技术,它通过将电能转化为化学能并存储在液态电解质中,然后在需要时将化学能重新转化为电能进行释放。这种技术路径最适合长时储能,因为它具有本征安全、4小时以上储能时长、度电成本低等特点。液流电池的储能容量可以根据需要进行调整,具有建设周期短(3-6个月)、灵活易部署的特点,因此它非常适合用于大规模储能系统,如新能源并网等应用场景。随着技术的不断进步和成本的降低,液流电池在未来电力系统中的应用前景将更加广阔。
液流电池优势凸显,获国家与市场双重认可
目前我国液流电池主要有全钒液流电池、锌铁液流电池、铁铬液流电池、锌溴液流电池等技术路线。其中,全钒液流电池是国内商业化较早的路线之一。
聚焦全钒液流电池的大连融科储能技术发展有限公司总经理王晓丽谈到,具备长寿命、高安全的液流电池主导的场景将弥补锂电池的安全、长时缺陷。比如,在高安全的情况下,城市复合中心、地下储能、人群密集的区域,适合液流电池;基于长寿命特征,液流电池适合于做大规模型、基础设施型的建设。
锌铁液流电池作为后起之秀,具有原料供给量大、价格低的优势,近年来发展迅速。纬景储能的锌铁液流电池具备本征安全、度电成本低、4～8小时储能、大规模量产、寿命长、易部署、建设周期短、环境友好等特性,正在通过技术迭代与规模化量产来逐步降低液流电池的储能度电成本,提升新能源的经济性。
作为长时储能代表,液流电池还得到了国家权威部门的高度认可。在国家能源局发布的《第三批能源领域首台(套)重大技术装备(项目)名单》中,纬景储能研发并生产的“锌铁液流新型储能电池”和巨安储能的“铁基液流储能系统”均被列入其中。
图:第三批能源领域首台(套)重大技术装备(项目)名单——新型储能
2023年,液流电池取得了突破性进展,首个吉瓦时级别项目集采开标、首个吉瓦级产能工厂投产等事件,为整个储能行业带来了发展的曙光。中核汇能、中国电建市政公司、国家电投相继开启GWh液流电池项目招标,对液流电池进行大规模集采,储能市场格局发生明显变化,已从“一锂独大”转变为“百花齐放”。
