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锂电池在电网储能领域的试应用(下)

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国电池网 发布时间:2013-11-05 浏览:
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二、相关应用案例介绍
(一)国家电网张北风光储输项目
应用于电力系统中的储能系统需要兼具功率密度和能量密度两大特点,现有的这些化学储能技术中,理论上只有钠硫电池、锂离子电池、镍镉电池等少数几种储能技术较为合适,但是,这几种储能技术都存在各自的问题需要解决,如锂离子电池需要复杂的管理系统、成本很高,镍镉电池的寿命短、毒性问题无法解决,钠硫电池的安全问题很难解决,等等。但总的来看,锂离子电池相对更被看好,于是大家都在积极开展相关示范运行工作。国家电网张北风光储输项目就是以锂离子电池的试应用为主。
该项目位于河北省张家口市的张北县和尚义县境内,是国家“金太阳”项目重点工程,由国家电网旗下国网新源控股有限公司具体实施。该项目的投资主体是国家电网,科技部和财政部仅仅提供部分科研项目经费和金太阳工程补助。这是中国首个风光储输示范项目,同时也是目前世界上规模最大,集风电、光伏发电、储能及输电工程四位一体的可再生能源项目,是国家电网建设坚强智能电网首批重点工程中唯一的电源项目。
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该项目希望达到的目的主要有:①以储能来平缓风电与光电的波动;②希望通过储能来矫正风电预测偏差;③希望利用储能削峰填谷;④希望通过储能可以调整新能源出力。
这也是针对新能源电力大规模并网尚存的技术瓶颈来设定的。目前影响新能源大规模并网的技术瓶颈主要有三点:①调峰问题,需建设大量的备用容量和调峰电源;②电力安全问题,风电和光电出力多变和瞬间冲击,影响电网的暂态稳定性及频率稳定性;③电能质量问题,风电和光电大规模并网常常会引起电压水平降低,风机中的电子设备会带来谐波污染,影响电能质量。
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选定张北坝上地区是因为这里有着丰富的风能和太阳能资源。另外,当地用电需求小,无法消纳当地的风光发电电力,需运输到离该地较近的离京津唐电网负荷中心。只是,风光发电出力忽大忽小,时有时无,在没有足够数量的其他电源匹配调峰的情况下,并网时往往会导致电网运行不稳定。这也是京津唐电网负荷中心不太愿意接纳张北新能源电力的主要原因。因此,该地具备中国新能源开发利用的基本特征,在此设立一个示范项目,对破解电网接纳大规模新能源技术难题具有很重要的意义。
张北风光储输示范项目总规划建设风电50万kW、光电10万kW,需要用到储能装置7~11万kW;其中一期工程在张北县境内,规划建设10万kW的风电(小东梁风电场4.9万kW+孟家梁风电场4.9万kW)和4万kW的光电(大河光伏电站),需要采用2万kW的储能电池,以kWh计算,储能电池总容量高达9.5万kWh;另外,一期项目还需配套建设220kV智能变电站1座。该项目一期工程总投资33亿元,其中储能电池购置经费4亿元。该项目已于2011年12月25日正式宣布建成,投入试运行。
从图5可以看到,该项目的技术核心是联合发电智能监控系统,国家电网称该系统为自主开发。该系统可根据调度曲线以及风力、光照的情况对储能装置、风电机组及光伏阵列进行优化控制,从而将具有波动的风电、光电转化为优质电力。
2012年09月新华社记者曾对该项目进行过一次实地采访。该电站生产部主任刘汉民博士解释说“当风电、光伏发电出力足够时,可将多余的发电出力储存到电池中;一旦风光出力不够时,储能系统就可以放出电量。而这一切,是通过联合发电智能监控系统实现的。它是整个风光储电站的‘大脑’,可改善风电、光伏出力的波动性和间歇性,使之安全稳定地并入电网运行。”与此同时,国家电网还自主开发了一套储能监控系统,二者结合,可实现与上级调度无缝连接。
对于不同的风光发电比例以及不同的储能配比所可能出现的结果,国家电网也做了认真研究,见图6,这都是根据张北地区的实际情况模拟的。从图6上可以看到,国家电网认为,新能源发电(本项目仅指风力发电+光伏发电)规模与储能装置规模比为3:1时,从经济性和平滑效果来看,能达到最佳结合。从张北项目一期工程来看,配比为7:1,接近图中7.5:1的绿线,平滑效果:波动量≈10%/小时。
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从图6下可以看到,在张北地区的风光资源条件下,单纯输出风电的出力波动为30%,而风电与光电以1:1的比例一起发电时的联合出力波动为12%,如果再加上适当配比的储能电池系统参与,波动会降至5%以下。国家电网认为,风光比例越小,储能平抑作用就越明显。在经过对5种风光比例(风力发电均为100MW,而光伏发电则有0、30、40、50、100MW 5种)比较之后,国家电网得出的结论是:储能容量为20~40MW时,平抑波动效率最高;储能容量为60~80MW时,平抑波动效果最佳。从张北项目一期工程来看,风光发电规模比例为100MW:40MW,实际采用的储能装置规模为20MW,取了平抑波动效率最高的20~40MW的阶段中的最低值。
在各种储能技术中,国家电网内部详细比较了各自的优缺点(主要是考虑技术风险控制、装置多样性,同时兼顾工程的示范意义),最后选中了锂离子电池、钒电池和钠硫电池,其中锂离子电池选择的是磷酸铁锂路线。从上海电力设计研究院的一份资料(见表2)来看,国际电网认为就实际工程而言,磷酸铁锂储能系统综合性能最好,其次是钠硫电池,而钒电池最差。据此,国家电网确定三种储能技术的配置原则。表3是该项目储能电池最终的采购清单及中标情况,也印证了这一点。该项目于2011年03月23日和04月15日发布了两次储能设备采购招标公告,其中03月23日的是锂离子电池,04月15日把液流电池(钒电池)补充进去,只是,截至现在也没有发布钠硫电池的招标公告。
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从2011年12月25日国家电网张北风光储输示范项目一期工程投入试运行至2012年09月供约9个多月的时间,累计发电2.2亿kWh(其中风光发电比例约4:1)。当然,该项目成功试运行的意义不在于发了多少电,而在于在无任何工程实例可参考的条件下,探索出一条世界首创的风光储输联合发电运行模式,即通过风、光、储的七种组合发电方式,与平滑出力、跟踪计划、系统调频、削峰填谷四种功能的结合,实现多组态、多功能、可调节、可调度的联合发电运行方式。
国家电网张北风光储输示范项目一期试运行的自我总结是:实现了风光储互补机制及系统集成、全景监测与协调控制、功率预测、新能源电力与电网协调、大规模储能技术等5大技术突破,完成了联合发电智能全景优化控制等10项以上自主设备研发,并获得了储能控制策略等20多项技术创新。
目前,对于储能装置的配备,国家电网得出的总体结论是:现有储能技术基本能满足风电和光电并网的功能性需求,但储能电池的寿命、安全性和经济性方面还存在问题。仅从经济性方面来看,根据该示范项目测算,平均每kW风光发电所需的储能装置投入为2万元;据业内人士介绍,20%的储能可以解决风电并网的大量问题。这就意味着,中国2011年底4,700万kW的风电装机总量,若全部配备储能需要一次性投入近1,880亿元。一次性投入巨大,谁来买单?是发电企业,还是电网,还是用电的消费者?
2011年中国累计风力发电总量为890亿kWh,若以0.5元/kWh的电价计算,如果弃风高达15~35%,实际损失也就只有78.52~239.61亿元。如以锂离子电池或钠硫电池的寿命可以长达10年计算,1,880亿元的总投资摊薄至每年的投资也接近200亿元。相比较之下也就不难理解为什么很多人宁愿选择弃风。当然,账不能简单这么算,如果张北项目的锂离子电池能够同时用于附近京津地区的电动汽车,那其经济效益将无法估量。这也是很多企业不惜代价去进行尝试的主要动力。我们期待锂离子电池在电网级储能市场早日实现商业化、规模化应用。
(二)松下的电网储能试验项目
松下计划开发能够通用于家庭储能系统和电网储能系统的动力锂离子电池模块化技术,相关业务始于被松下兼并的三洋电机。三洋电机大型蓄电业务部副业务部长花房宽曾于2011年06月时对媒体表示:“原先认为是5~10年后家用蓄电池才可能上市,311地震之后,时间很可能大幅提前。”
技术在线2011年06月14日报道,三洋电机已经面向日本市场推出了一款录像机大小、容量为1.6kWh的储能电池模块。这个模块由312只18650电池组成,三洋电机称这样一个模块为1组电池。目前,三洋电机正在以组为最小单位,加速推进家用及商用储能系统的实用化。三洋电机表示,如果使用4~5组电池,可用作便利店的紧急电源;如果组合使用1,000组电池,可以确保1,500kWh的电容量,便可用作中型医院的电源。三洋电机表示,通过组合使用多个作为电池单元集合体的电池组来适应具体用途的电源,这种可任意扩展的特性正是三洋电机独特的优势所在。
在位于兵库县加西市的三洋电机的工厂中,1,000组31.2万只电池单元组成的巨大的储能系统正在进行实证试验。由于每个电池单元的性能不完全一致,有些参差不齐。据称目前正在一边管理电压降低情况、电流流动情况及发热程度,一边对充放电进行控制。对于18650电池用于储能领域的安全性问题,花房宽表示,三洋电机的18650电池月产3,500万只,截至目前全球供货量已累积达到50亿只,从来没有出现过发热及起火事故,安全性不存在问题。更为重要的是,位于兵库县洲本市及德岛市的锂离子电池工厂已建成大规模量产体制,因此,将18650电池储能用,具有非常明显的成本优势。
三洋电机的HIT太阳能电池是全球光电转换效率最高的太阳能电池之一,同时,锂离子电池市场份额全球第一。如何把自己的这些绿色能源技术整合到一起,一直是三洋电机追求的目标。在被松下兼并以后,在整合松下和三洋电机出色的电池管理和控制技术的基础上,三洋电机加快了开发“智能能源系统(SES)”的步伐。SES可以利用太阳能电池发电,再利用锂离子电池系统储能并平稳输出电能。体现这一规划的结果就是三洋电机于2010年10月18日面向媒体公开的“加西绿色能源工业园区”,上面提到的1,000组储能模块的实证试验正是其SES试验的一部分,这个试验试图建立一个成熟且完整的兼具创能、储能和节能的能源综合管理与应用系统。
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图7是三洋电机在加西绿色能源工业园区开展的“智能能源系统(SES)”实证试验示意图,基本上能说明白问题,这里就不重复介绍。该项试验工程共投资约50亿日元,导入了1MW的太阳能发电系统、1,500kWh的储能系统以及控制多种节能设备的SES系统等。三洋电机提出了将“CO2排放量削减25%”的目标,每年将削减2,480吨的CO2排放量,同时,三洋电机希望通过这项试验,找到“家庭、大楼、城市三位一体能源解决方案”。从这可以看到,松下和三洋电机瞄准了未来智能城市建设这个巨大市场。
在园区的入口处有一栋储能电池大楼,放置着这套当时“全球规模最大”的锂离子电池储能系统,可满足150户普通家庭一天的电力消费量。在一楼大厅里设置了SES数字显示屏,实现能源“可视化”的同时,可实时提供发电量、蓄电量、节能效果等数据,随时监控储能系统的电压、电流、温度等重要指标情况,从而对充放电进行合理有效的控制,以实现性能的最大化。
(四)日本宫古岛“离岛微型电网系统实证试验”与东芝的钛酸锂电池
2010年01月18日,东芝对外宣布,接到了日本冲绳电力公司2010年秋季将在宫古岛开始的“离岛微型电网系统实证试验”相关设备的一揽子订单。根据要求,东芝将构建以储能电池平衡功率变动剧烈的可再生能源负荷的新一代电力系统。真锂研究认为,这是探讨独立供电系统的一个有代表性的尝试工作,对于中国来说应该非常具有借鉴意义。因为,中国大陆太阳能和风能资源丰富的地方,一般都是电网没有覆盖到的地方。
宫古岛的试验是在其现有的火力发电(2.15万kW+4万kW)、燃气轮机发电(1.5万kW)及风力发电(900kW×4座,600kW×1座)的基础上,新增太阳能发电系统(3MW及1MW,由夏普提供)及储能电池系统(4MW及200kW)。预定在利用储能电池平衡变动剧烈的风力发电及太阳能发电的输出功率的同时,验证电压上升、剩余电量解决对策及频率调整等系统稳定性。此次的实证试验已被选入日本经济产业省资源能源厅公开征集的“平成21年度海岛独立型系统新能源导入验证事业”之中。
东芝在这个实证试验中的任务分工是:一揽子提供电池组、功率调节器、通信网及控制电力供需监控系统“μEMS”(Micro Energy Management System,微型能源管理系统)。按照东芝的介绍,μEMS相当于智能电网的大脑,是一项核心技术,它与电力公司共同协作来实现电网内调节供求的功能。
μEMS的基本工作流程是:对各电源的供电情况以及电网内的电力消耗情况、是否有供电不足等进行监测,并根据需要实现最佳的电力调配。在这个流程中,东芝还研发了计算、监测电力消耗情况的系统。即“智能电表”和“电表数据管理系统MDMS(电表数据管理系统)”。智能电表安装在家庭、写字楼、工厂等各个需求端,分别计测耗电量。计测数据通过通信网络按一定时间间隔送到MDMS汇总。
宫古岛的人口较多,约为5.5万人,是一个人口较多的地区。在宫古岛的试验中,4MW的太阳能发电系统有3MW作为百万瓦太阳能设置,另外1MW中的600kW设想用于工厂、400kW设想用于住宅。不过,整个试验不会在实体工厂及住宅中分别设置太阳能发电系统,而是集中在一处,统一进行电力需求模拟。
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在储能电池方面,除了将4MW的NAS(钠硫电池,由日本碍子制造)与电力系统相互连接之外,还将在住宅设置200kW的锂离子电池系统。设想将4kW的太阳能发电系统设置于100户住宅,在25户住宅每户设置8kW的锂离子电池系统。这200kW的锂离子电池系统用的就是东芝的SCiBTM锂离子电池(锰酸锂+钛酸锂组合)。此外,3MW的太阳能功率调节器采用12台额定功率为250kW的东芝制品。预定为模拟工厂购入额定功率10kW的功率调节器,为住宅购入额定功率为4kW的功率调节器。
在储能领域,东芝对外宣示的主打产品是60Ah/2.4V,且计划2010年底实现量产,不过,关于这款储能用锂离子电池的进展情况,未见媒体的后续报道。看来,进展情况不尽人意,因为,东芝于2011年07月15日推向市场的1.6kWh储能系统“不间断供电装置”(SBE1P-U10010SC),使用的是20Ah的电池单元。东芝为该储能系统的定价最初是150万日元,后来迅速下降到120万日元,以图在竞争激烈的日本家用储能系统市场中谋取一席之地。
东芝“SBE1P-U10010SC”大概由34个20Ah/2.4V的电池单元构成,设想用于店铺和办公室等,除可作长时间的备用电源外,也可在用电高峰时有效节电。作为节电用时,需要手动操作开关在夜间充电,以供白天使用。该储能系统最大的特点是循环寿命长,在4,000次以上。如果每天进行1次充放电,电池寿命有望超过10年。东芝表示,与储能系统本身的预计寿命(5年)相比,蓄电池单元的寿命更长,因此无需更换电池。另外,只要更换储能系统本身的部分部件,就可在到达电池寿命之前一直使用。
在智能电网方面,除了上面介绍的这个宫古岛的实证试验之外,东芝还参与建设了诸多智能电网试验工程,如“美国新墨西哥州日美智能电网实证”、“印度德里-孟买工业大动脉构想”、“法国里昂再开发地区智能社区实证”、“日本横滨智能城市项目”、“中国天津环保城市项目”等。需要提及的是,东芝对潜力巨大的储能市场表现出越来越强烈的兴趣。据悉,东芝已将智能电网和智能社区业务列为公司的最主要业务之一,期待到2015年,包括储能电池在内的该方面业务的销售收入能够达到9,000亿日元。
(五)其他
对于锂离子电池在电网储能系统、住宅和家庭储能系统等领域的试应用,全球主要国家和地区的政府、企业都在如火如荼开展相关实证试验。真锂研究在《锂电信息动态与分析》(产业研究月度报告)中还有很多相关介绍和研究分析,如三菱重工与九州电力合作开展的黑岛“离岛微型电网系统(Micro Grid System)实证试验”(计划导入30%的可再生能源电力)、三菱重工用于环保型公寓大楼“Park City国分寺”的住宅储能系统实证试验、伊藤忠商事(Itochu,世界500强之一)尝试车用电池在储能市场的再利用项目“CREVIA二子玉川”试验项目、德国能源巨头EnBW(Energie Baden-Wuerttemberg AG,德国公用事业公司,世界500强之一)牵头的MeRegioMobil项目(利用汽车动力电池削峰填谷)等等,限于篇幅,这里就不一一提及。
国外很多锂离子电池企业都在积极开拓这个大市场。A123系统在被万向收购前是全球最大的电网储能用锂离子电池供应商,美国江森自控(JCI,世界500强之一)、日本电气(NEC,世界500强之一)、德国赢创集团(曾入选过世界500强)等企业巨头也都积极投身于相关示范运行项目中,努力开发相关电池技术和系统集成技术。
中国在这方面一点也不落后。从下游应用领域看,不仅国家电网在积极开展相关示范运行项目,南方电网也在深圳建设了采用比亚迪锂离子电池的储能电站,开展相关示范运行。此外,以“五大四小”(华能、大唐、国电、华电、中电投这五大集团以及华润电力、国华电力、国投电力、中广核这四小豪门)为代表的中国发电领域的企业巨头也在越来越多地开展电网储能示范运行项目。

   从锂离子电池企业来看,比亚迪、万向、ATL、中航锂电、哈尔滨光宇、山东润峰新能源、珠海银通等一批企业都瞄准了这个潜力无限的市场,都在做着积极的准备工作。 

关键字:锂电池 储能 电网

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