北京市征集能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域儲(chǔ)備項(xiàng)目
2016年6月24日,為推進(jìn)北京全國(guó)科技創(chuàng)新中心建設(shè),深入實(shí)施《北京技術(shù)創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2014-2017年)》,加快我市能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展,北京市科委面向社會(huì)公開(kāi)征集能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域科技儲(chǔ)備項(xiàng)目。
項(xiàng)目征集方向?yàn)椋?一)面向能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的電力電子技術(shù)及裝備,新型儲(chǔ)能及智能電網(wǎng)(微網(wǎng))。(二)多能源協(xié)同優(yōu)化的智能分布式發(fā)電系統(tǒng)及裝備。(三)供需聯(lián)動(dòng)預(yù)測(cè)及調(diào)度,智能運(yùn)行控制與能量管理系統(tǒng)。(四)類(lèi)型:包括具有重大創(chuàng)新突破的前沿技術(shù)研究、關(guān)鍵技術(shù)和高端裝備研發(fā)、集成技術(shù)與工程技術(shù)攻關(guān)、利用能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決城市建設(shè)管理中熱點(diǎn)問(wèn)題等。
儲(chǔ)能是實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)
儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展是保障清潔能源大規(guī)模發(fā)展和電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。儲(chǔ)能技術(shù)可以在電力系統(tǒng)中增加電能存儲(chǔ)環(huán)節(jié),使得電力實(shí)時(shí)平衡的“剛性”電力系統(tǒng)變得更加“柔性”,特別是平抑大規(guī)模清潔能源發(fā)電接入電網(wǎng)帶來(lái)的波動(dòng)性,提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性。儲(chǔ)能技術(shù)一般分為熱儲(chǔ)能和電儲(chǔ)能,未來(lái)應(yīng)用于全球能源互聯(lián)網(wǎng)的主要是電儲(chǔ)能。
儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用廣泛,市場(chǎng)需求潛力巨大,是能源互聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié):儲(chǔ)能技術(shù)的潛在需求很大,第一、光伏與風(fēng)電等間歇性電源出力不穩(wěn)定,當(dāng)其發(fā)電占比達(dá)到較高比例時(shí),會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定的沖擊,從而需要配套一定比例的儲(chǔ)能來(lái)穩(wěn)定風(fēng)光電站的出力。第二、用電價(jià)格相對(duì)上網(wǎng)電價(jià)較高的地區(qū),波峰波谷電價(jià)差異很大的地區(qū),分布式配套儲(chǔ)能往往很容易具經(jīng)濟(jì)性;微網(wǎng)、離網(wǎng)對(duì)于儲(chǔ)能的需求也很直接。第三、儲(chǔ)能應(yīng)用于電力系統(tǒng)中將改變電能生產(chǎn)、輸送和使用同步完成的模式,彌補(bǔ)電力系統(tǒng)中缺失的“儲(chǔ)放”功能,以達(dá)到優(yōu)化電力資源配置、提高能源利用效率之目的。第四、儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步還帶動(dòng)了電動(dòng)汽車(chē)的迅速發(fā)展。第五、在日漸興起的能源互聯(lián)網(wǎng)中,由于可再生能源與分布式能源在大電網(wǎng)中的大量接入,結(jié)合微網(wǎng)與電動(dòng)車(chē)的普及應(yīng)用,儲(chǔ)能技術(shù)將是協(xié)調(diào)這些應(yīng)用的至關(guān)重要的一環(huán),儲(chǔ)能環(huán)節(jié)將成為整個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn);能源互聯(lián)網(wǎng)的興起將顯著拉動(dòng)儲(chǔ)能的需求,助推儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。
在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下,電化學(xué)儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱、氫儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車(chē)等儲(chǔ)能技術(shù)或設(shè)備圍繞電力供應(yīng),實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)、交通網(wǎng)、天然氣管網(wǎng)、供熱供冷網(wǎng)的“互聯(lián)”,儲(chǔ)能和能源轉(zhuǎn)換設(shè)備共同建立了多能源網(wǎng)絡(luò)的耦合關(guān)系。在未來(lái)的能源互聯(lián)網(wǎng)中,部分新能源發(fā)電將通過(guò)制氫、制熱等方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,或以電化學(xué)儲(chǔ)能等雙向電力儲(chǔ)能設(shè)備存儲(chǔ)并適時(shí)返回電網(wǎng)。在各電力儲(chǔ)能技術(shù)的支撐下,新能源發(fā)電與熱電聯(lián)供機(jī)組、燃料電池、熱泵等轉(zhuǎn)換設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了在新能源高效利用目標(biāo)下,以電能為核心的多能源生產(chǎn)和消費(fèi)的匹配。
各種儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)
儲(chǔ)能從技術(shù)原理上主要可分為適合能量型應(yīng)用的電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、熔融鹽蓄熱、氫儲(chǔ)能以及適合功率型短時(shí)應(yīng)用的飛輪、超導(dǎo)和超級(jí)電容器儲(chǔ)能等。
抽水蓄能是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù),具有規(guī)模大、壽命長(zhǎng)、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),目前效率可達(dá)70%左右,建設(shè)成本大致為3500元/kW~4000元/kW。缺點(diǎn)主要是電站建設(shè)受地理資源條件的限制,并涉及上、下水庫(kù)的庫(kù)區(qū)淹沒(méi)、水質(zhì)的變化以及庫(kù)區(qū)土壤鹽堿化等一系列環(huán)保問(wèn)題。
鈉硫電池具有能量密度大,無(wú)自放電,原材料鈉、硫易得等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)主要是倍率性能差、成本高,以及高溫運(yùn)行存在安全隱患等。未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)主要是提高倍率性能、進(jìn)一步降低制造成本、提高長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性和系統(tǒng)安全性。
目前主要的液流電池體系有:多硫化鈉/溴、全釩、鋅/溴、鐵/鉻等體系,其中全釩體系發(fā)展比較成熟,已建成多個(gè)MW級(jí)工程示范項(xiàng)目,具有壽命長(zhǎng)、功率和容量可獨(dú)立設(shè)計(jì)、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)主要是效率和能量密度低、運(yùn)行環(huán)境溫度窗口窄。發(fā)展趨勢(shì)主要是選用高選擇性、低滲透性的離子膜和高導(dǎo)電率的電極提升效率,提高工作電流密度和電解質(zhì)的利用率以解決高成本問(wèn)題等。
鉛碳電池是在傳統(tǒng)鉛酸電池的鉛負(fù)極中以“內(nèi)并”或“內(nèi)混”的形式引入,具有電容特性的碳材料而形成的新型儲(chǔ)能裝置。相比傳統(tǒng)鉛酸電池具有倍率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但是碳材料的加入易產(chǎn)生負(fù)極易析氫、電池易失水等問(wèn)題,發(fā)展趨勢(shì)主要是進(jìn)一步提高電池比能量密度和循環(huán)壽命,同時(shí)開(kāi)發(fā)廉價(jià)、高性能的碳材料。
鋰離子電池的材料種類(lèi)豐富多樣,其中適合作正極的材料有錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰;適合作負(fù)極的材料有石墨、硬(軟)碳和鈦酸鋰等。鋰離子電池的主要優(yōu)點(diǎn)是:儲(chǔ)能密度和功率密度高,效率高,應(yīng)用范圍廣;關(guān)注度高,技術(shù)進(jìn)步快,發(fā)展?jié)摿Υ?。主要缺點(diǎn)是:采用有機(jī)電解液,存在安全隱患;壽命和成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)仍待提升。
近年來(lái)以美國(guó)和日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)儲(chǔ)能電池的發(fā)展路線進(jìn)行了探索,在實(shí)現(xiàn)電池的長(zhǎng)壽命、低成本、高安全方面取得了一定的進(jìn)展。以零應(yīng)變材料為代表的長(zhǎng)壽命電池材料、能夠擺脫鋰資源束縛的鈉系電池體系、基于固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)電池等是目前主要的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。
壓縮空氣儲(chǔ)能具有規(guī)模大、壽命長(zhǎng)、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。目前傳統(tǒng)使用天然氣并利用地下洞穴的壓縮空氣儲(chǔ)能已經(jīng)比較成熟,效率可達(dá)70%。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼提出了絕熱、液態(tài)和超臨界等多種新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù),擺脫了對(duì)地理和資源條件的限制,但目前基本還處于技術(shù)突破或小規(guī)模示范階段,效率基本低于60%。發(fā)展趨勢(shì)主要是通過(guò)充分利用整個(gè)循環(huán)過(guò)程中的放熱、釋冷來(lái)提高整體效率,同時(shí)通過(guò)模塊化實(shí)現(xiàn)規(guī)?;?。
熔融鹽蓄熱是利用熔融鹽使用溫區(qū)大、比熱容高、換熱性能好等特點(diǎn),將熱量通過(guò)傳熱工質(zhì)和換熱器加熱熔融鹽存儲(chǔ)起來(lái),需要利用熱量時(shí)再通過(guò)換熱器、傳熱工質(zhì)和動(dòng)力泵等設(shè)備,將儲(chǔ)存的熱量取出以供使用,目前已在太陽(yáng)能熱發(fā)電中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)主要是規(guī)模大,可方便配合常規(guī)燃汽機(jī)使用等。但目前還存在成本高、效率和可靠性低等缺點(diǎn),發(fā)展趨勢(shì)主要是突破工質(zhì)選擇和關(guān)鍵材料。
氫儲(chǔ)能是通過(guò)電解把水分解成氫氣和氧氣,實(shí)現(xiàn)電能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化,被認(rèn)為是未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的重要支撐,日趨成為多個(gè)國(guó)家能源科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)支持的焦點(diǎn)。目前存在的問(wèn)題主要是能量轉(zhuǎn)換效率低(總效率低于50%)、生產(chǎn)過(guò)程能耗大,需配套建立氫氣輸送管線、加氫站等相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。在氫儲(chǔ)能的各環(huán)節(jié)中,制氫的主要發(fā)展趨勢(shì)是減少能耗、降低成本、提高轉(zhuǎn)化效率,儲(chǔ)氫主要是發(fā)展新型高效的儲(chǔ)氫材料、提高儲(chǔ)氫容器的耐壓等級(jí),輸氫主要是發(fā)展抗氫脆和滲透的輸氫管道材料及研究氫與天然氣混合輸送的技術(shù)、建設(shè)及完善相關(guān)配套設(shè)施,用氫主要是發(fā)展低成本的氣體重整技術(shù)、降低氫燃料電池的成本、提高性能穩(wěn)定性。
飛輪儲(chǔ)能具有功率密度高、使用壽命長(zhǎng)和對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),其缺點(diǎn)主要是儲(chǔ)能密度低和自放電率較高,目前主要適用于電能質(zhì)量改善、不間斷電源等應(yīng)用場(chǎng)合。
超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能在本質(zhì)上是以電磁場(chǎng)儲(chǔ)存能量,不存在能量形態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程,具有效率高、響應(yīng)速度快和循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),適合在提高電能質(zhì)量等場(chǎng)合應(yīng)用。超導(dǎo)儲(chǔ)能的缺點(diǎn)是需要低溫制冷系統(tǒng)、系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜、成本較高等。超級(jí)電容器在大規(guī)模應(yīng)用中面臨的主要問(wèn)題是能量密度低,其發(fā)展趨勢(shì)主要是開(kāi)發(fā)高性能電極及電解液關(guān)鍵材料技術(shù),以提高儲(chǔ)能密度、降低成本。
全釩液流電池成為大規(guī)模儲(chǔ)能首選技術(shù)
全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)因其具有儲(chǔ)能規(guī)模大(可達(dá)百兆瓦級(jí))、充放電切換應(yīng)答速度快,儲(chǔ)能介質(zhì)為水溶液、安全可靠,電池均勻性好、使用壽命可達(dá)15年以上,生命周期的性?xún)r(jià)比高,材料和部件可循環(huán)利用,環(huán)境友好等突出的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)成為大規(guī)模儲(chǔ)能的首選技術(shù)之一,成為國(guó)際高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的新熱點(diǎn)。
大連化物所首席科學(xué)家張華民掛帥的全釩液流電池研發(fā)團(tuán)隊(duì)與融科儲(chǔ)能一起,共申請(qǐng)了專(zhuān)利150余項(xiàng),國(guó)際專(zhuān)利6項(xiàng),形成了完整的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系,領(lǐng)軍國(guó)內(nèi)外液流電池標(biāo)準(zhǔn)的制定。目前已成功實(shí)施了近30項(xiàng)應(yīng)用示范工程,其中包括2012年實(shí)施的當(dāng)時(shí)全球最大規(guī)模的5MW/10MWh遼寧臥牛石風(fēng)電場(chǎng)全釩液流儲(chǔ)能系統(tǒng),在國(guó)內(nèi)外率先實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。當(dāng)前正在實(shí)施的、由大連市政府支持的200MW/800MWh全釩液流電池儲(chǔ)能項(xiàng)目,也已被國(guó)家能源局確定為國(guó)家儲(chǔ)能示范項(xiàng)目。
國(guó)網(wǎng)遼寧電力公司運(yùn)行管理的遼寧臥牛石風(fēng)電場(chǎng)全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)自2013年3月投運(yùn)以來(lái),在削峰填谷和減少棄風(fēng)上發(fā)揮了重要作用,截至2015年底,該系統(tǒng)共減少棄風(fēng)近760萬(wàn)千瓦時(shí),獲得直接經(jīng)濟(jì)效益逾460萬(wàn)元。此后,國(guó)網(wǎng)遼寧電力公司又陸續(xù)投運(yùn)了兩座儲(chǔ)能電站,分別為和風(fēng)楊家店儲(chǔ)能電站(鋰電池和全釩液流電池)和黑山龍灣儲(chǔ)能電站(全釩液流電池)。“從2015年的運(yùn)行數(shù)據(jù)看,這三個(gè)風(fēng)電廠的利用小時(shí)數(shù)都在2100小時(shí)以上,遠(yuǎn)高于全網(wǎng)平均利用小時(shí)數(shù)1780小時(shí)。”國(guó)網(wǎng)遼寧電力有限公司副總經(jīng)理王芝茗指出。
國(guó)家發(fā)改委氣候戰(zhàn)略與國(guó)際合作中心主任李俊峰認(rèn)為,通過(guò)電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度削峰填谷,包括將燃煤電廠改為調(diào)峰電廠,將是未來(lái)幾年政策上的首選。“‘十三五’期間,儲(chǔ)能還只能維持在技術(shù)研發(fā)、示范工程和產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)階段,國(guó)家應(yīng)鼓勵(lì)在適宜的地方優(yōu)先選擇液流電池技術(shù),不再鼓勵(lì)鉛酸電池。”
目前,液流電池技術(shù)已在國(guó)際市場(chǎng)得到認(rèn)可。美國(guó)在其2011年儲(chǔ)能發(fā)展規(guī)劃中已將液流電池作為首要支持發(fā)展的電池技術(shù)。美國(guó)2012年資助的22個(gè)儲(chǔ)能項(xiàng)目中液流電池占到12個(gè),且規(guī)模最大的也是液流電池。加拿大安大略省2015年招標(biāo)的5個(gè)儲(chǔ)能項(xiàng)目中,液流電池技術(shù)中標(biāo)了4個(gè)。