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鋰離子電池儲能其效率與能量優勢已得到了廣泛的認可 但應用方面的研究仍然不夠

鉅大LARGE  |  點擊量:367次  |  2020年04月03日  

摘要
鋰電池儲能其效率與能量優勢已得到了廣泛的認可 但應用方面的研究仍然不夠-無論哪種形式的儲能在電網(發、輸、配、用)應用中所發揮的作用基本一致,既是作為提高電網可靠性和韌性的有效手段。儲能在電網中應用最早開始于20世紀初,已有100多年的歷史,最傳統、應用規模最大的儲能就是抽水蓄能,目前正朝著電化學分布式儲能模式發展。

無論哪種形式的儲能在電網(發、輸、配、用)應用中所發揮的作用基本一致,既是作為提高電網可靠性和韌性的有效手段。儲能在電網中應用最早開始于20世紀初,已有100多年的歷史,最傳統、應用規模最大的儲能就是抽水蓄能,目前正朝著電化學分布式儲能模式發展。


圖1儲能裝置在智能電網中的作用


由于電動汽車等相關行業的帶動,鋰離子電池產業規??焖倥蛎?、價格快速下降,把鋰離子電池作為分布式儲能系統的應用逐漸增多。截至2018年底,我國已投運電化學儲能項目的累計規模為1072.7MW,其中鋰離子電池儲能項目約占60%。


在以建設柔性智能電網為目標的發展背景下,從提高電網韌性、可調節性、靈活性、智能性、獨立性、降低耦合性等角度出發,無論哪種應用,儲能均是有效手段之一。從目前可選擇儲能元件來說,鋰離子電池是一個比較合適的選擇,尤其是關于用戶側儲能,鋰離子電池作為儲能元件的高能量密度、長壽命等優勢逐漸顯現出來。然而目前用戶側鋰離子電池儲能應用上升緩慢,無論是儲能系統本身的經濟性、安全性還是適用性等方面都有待突破。


一、鋰離子電池可以省錢嗎


目前用戶側鋰離子電池儲能除了削峰填谷賺取峰谷差價外沒有太多其他收益,經濟回報途徑單一。削峰填谷經濟性更多地依賴于地區峰谷電價,圖3所示為國內峰谷價差分布區域。從調研來看,北京峰谷價差最大,超過1塊錢,因此儲能在峰谷套利方面的應用最有優勢。接下來依次是天津、上海、江蘇及廣東??傮w來說,一線城市及沿海省份更積極推行峰谷電價,因此用戶側儲能會有更好的經濟性。


圖3儲能削峰填谷經濟區域劃分


圖4儲能削峰填谷收益比較


圖4所示為儲能項目削峰填谷收益率(橫坐標為kWh投資成本,縱坐標為全生命周期收益率,不同顏色曲線代表峰谷價差變化)。鋰離子電池模型考慮了充放電效率、深度、容量衰退,按照4500次循環次數,外加1500-2000次梯次利用循環次數,并在計算中考慮了20%的殘值。從圖4中可以看出,即使采用這種理想算法,收益率也不是很可觀(只有當峰谷差價達到0.7元時,才出現收益率)。另外目前儲能行業鋰離子電池品質良莠不齊,業主和集成商很難對電池性能做一個直觀判斷。市場上鋰離子電池的循環次數在3000次~6000次區間(即使廠家承諾循環次數再高,假如只是用于削峰填谷情形,可能電池的循環壽命沒到,日歷壽命也已經到了,這同樣會降低電池使用效率),并且實際運行情況是否真實還存在較大疑問。這些均新增了投資者對鋰離子電池儲能項目經濟性的疑問,新增了鋰離子電池儲能在用戶側應用的難度。


二、鋰離子電池會更安全嗎


鋰離子電池就是能量體,特點是高能量密度,因此本身就具有安全風險,能量密度越高,安全風險越大。目前國內鋰離子電池儲能行業基本排除三元電池,認為磷酸鐵鋰離子電池比較合適也是一個道理(三元電池能量密度高于磷酸鐵鋰離子電池,三元電池的安全風險同時也大于磷酸鐵鋰離子電池)。


圖5電池高能量密度所帶來的爆炸安全隱患


提高鋰離子電池品質,降低電池失控風險是必要的。目前對鋰離子電池儲能的安全更多地集中在鋰離子電池本身,但是儲能系統不只有鋰離子電池,還有其他系統設備、保護設備等,其安全性問題同樣值得注意。目前更多的業主和集成商將重要精力關注于電池本身,反而忽略了外圍設備和系統集成設計。例如,山西某儲能事故的調查結果表明事故原因為固定螺栓頂部對外殼持續放電,而不是電池本身原因。韓國將23起儲能系統事故原因總結為四方面:電擊保護系統不良、運營操作環境管理不善、安裝疏忽、集成控制保護系統管理不善(參見北極星儲能網——電池不背鍋!針對儲能電站事故原因,韓國提出四大改善措施)。這些均表明,除了選擇品質優良的鋰離子電池,其儲能系統的安全還是存在一定概率的隱患,要靠更完善更成體系的系統集成設計保證。


三、鋰離子電池是否適用


首先從屬性角度來看,目前儲能系統在電網中應用更多地含義為一個生產單位。關于用戶側儲能而言,其特征與用戶側運行行為緊密,呈現出點多、面廣、量大、分散等特點,是一個可參與調節的用戶側設備。假如僅僅含義為一個生產單位,那么其應用約束會很多。


目前針對鋰離子電池儲能系統建設、運行、維護等規范已經相繼建立,但是由于鋰離子電池儲能系統作為一個新事物出現,相關指導原則和依據還有待進一步完善。例如:國標《GB51048-2014電化學儲能電站設計規范》重要是將儲能作為獨立生產型單位含義,目前用戶側儲能項目設計很難滿足規范要求。國標《GB/T36558-2018電力系統電化學儲能系統通用技術條件》要求鋰離子電池儲能系統能量轉換效率不應低于92%,而實際上廠家卻很難達到,國內科陸電子CL5231F儲能系統效率為88%,特斯拉powerpack儲能系統效率為88%~89%。


鋰離子電池在用戶側儲能系統的應用,除了鋰離子電池儲能本身參考規范外,更多地涉及到與用戶側既有建筑和設備的配合,相關設計規范與建筑既有規范是否匹配、相關保護是否可以借助建筑物既有保護措施等,這些部分無論是設計還是實際應用均缺乏參考依據。以上工作涉及到多學科知識融合,要加強跨專業領域的交流與協作。


綜上,鋰離子電池儲能作為一種新興應用模式,其效率與能量優勢已得到了廣泛的認可。但鋰離子電池在用戶側儲能工程應用方面的研究仍然不夠,相關標準規范支持亟待補充,并且還要對其屬性含義、經濟效益、系統設計以及建設運行指導等做進一步研究。


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