能源结构调整中的大规模储能技术

发展可再生能源是大势所需

上图展示了我国能源消费情况：

2003年18亿吨标准煤，2012年36亿吨，2015年达到43亿吨，2020年将达到48亿吨，其中煤炭力争控制在42亿吨。

众所周知，煤炭的大量消耗是我国环境污染、肺癌等疾病的成因之一。故，发展可再生能源是大势所驱。历史上出现了三次能源革命：

第一次能源革命，煤炭代替了薪柴，大英帝国抓住了机遇，称霸全球。但也引发了诸多问题，例如伦敦大雾霾。据不完全统计，当时英国的能源结构中70%以上是煤炭。

第二次能源革命，油气代替了煤炭，美国借势成为新的世界霸主。

第三次能源革命，提出了可再生能源。中共中央在十三五规划中提出能源革命和能源结构调整的战略方针：到2020年，我国风能发电装机容量达到2.5亿千瓦，光伏发电达1.5亿千瓦，光热发电达500万千瓦。

以上是世界各国在能源转型上的一些规划目标，可以看出，普及可再生能源是全球实现低碳能源转型的关键。预计2030年以后，整个能源结构当中，可再生能源将会占主导。早在2004年的一次报告中我提出过：可再生能源正逐渐由辅助能源变为主导能源。至今我仍然坚持这一观点。

为什么需要“储能”?

电网有一百多年历史，没有储能也运行得很好，那为什么现在需要“储能”?

举一个例子，上图是日本的某个实验：图中曲线是某风机半夜两点时段的发电输出，可以看到这个风力发电不是那么稳定，最高超过300千瓦，最低不到50千瓦。这是风机发电的特点，可能会对电网造成很大的问题。但如果有储能装置，发电多时将多余电存起来作为负载，发电少时往外放电，长此以往，计算出一个预估值，判断多大风发多少电，根本解决风能、太阳能发电的不稳定、不连续性特性，实现安全、稳定供电。

再者就是，近年来由于风、光发电的不连续、不稳定、并网难等特点导致弃风、弃光情况增加。去年全年，全国弃风、弃光、弃水总量高达1300亿kWh。1300亿电是个什么概念?相当于我国去年一年的弃风量、弃光量约等于1.6个三峡工程的年发电量。

所以说，储能能够平衡发电和用电，实现电网稳定性，大规模储能技术才是实现可再生能源普及应用的核心技术。

大规模储能技术是国家的重大需求

值得高兴的是，近几年，无论是十三五还是两会，一些文件的出台都表明国家开始重视储能：

2016.11.17，《国家能源委员会会议：通过能源发展十三五规划》，指出，加快技术创新和体制改革是推动能源可持续发展的关键依托。要集中力量在可再生能源开发利用特别是新能源并网技术和储能、微网技术上取得突破，全面建设“互联网+”智慧能源，提升电网系统调节能力，增加新能源消纳能力，发展先进高效节能技术，抢占能源科技竞争制高点。

2016.12.19《十三五国家战略性新兴产业发展规划》国务院加快发展先进核电、高效光电光热、大型风电、高效储能、分布式能源等，加速提升新能源产品经济性，加快构建适应新能源高比例发展的电力体制机制、新型电网和创新支撑体系，促进多能互补和协同优化，引领能源生产与消费革命。

大力发展“互联网+”智慧能源。加快研发分布式能源、储能、智能微网等关键技术，构建智能化电力运行监测管理技术平台，建设以可再生能源为主体的“源—网—荷—储—用”协调发展、集成互补的能源互联网。

还有前段时间大家一定都被由五部委联合发布的《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》刷屏了，指导意见中明确指出:“应用推广一批具有自主知识产权的储能技术和产品。加强引导和扶持，促进产学研用结合，加速技术转化。鼓励储能产品生产企业采用先进制造技术和理念提质增效，鼓励创新投融资模式降低成本，鼓励通过参与国外应用市场拉动国内装备制造水平提升。重点包括100MW级全钒液流电池储能电站、高性能铅炭电容电池储能系统等。”

作为国内首个储能产业政策文件，这份指导意见明确了储能产业未来10年的发展目标，标志着储能作为电网中的主体地位确立。该意见鼓励多种技术路线和应用场景并行发展，并且提出了由政府引导、市场主导，强调建立补偿机制，而非单纯的给予补贴，起点研究预测未来与电化学储能相关的示范项目有望加快推进，多种储能商业模式将有望蓬勃发展。

各种储能技术的特点

1、各种储能技术及适用规模

上图是美国能源局专家画的图，归纳了各种储能技术及适用规模。这个图不是说哪个技术可以代替谁，而是各种储能技术需要找好自己的定位，不同的储能适合不同的领域。

我们所说的大规模储能技术，如图中三角区域所示，时间长、功率大，属于电网的储能技术。如抽水储能、压缩空气储能、钠硫电池、铅炭电池等。

2、大规模储能技术的要求

满足以下三个条件就适合大规模储能：

① 安全性

② 生命周期的性价比高(经济性好)

③ 生命周期的环境负荷低(环境友好)

对规模储能技术而言，由于系统功率和容量大，发生安全事故造成的危害和损失大，因此规模储能技术的首要要求是安全可靠。解决其安全可靠性是其重中之重;无论多大规模的储能，报废后的废弃物处理成本必须算上;对环境的影响必须考虑进去。

有人认为电动汽车储能报废下来后可以用到大规模储能上。我的观点是：电动汽车不到20-40个千瓦，你用到小规模储能上也许可行，但用到兆瓦级以上的储能，其经济性、寿命各个方面都需要反复考量。

3、抽水储能技术

优点：

① 技术成熟：世界范围已建127,000MW，

② 储能容量大：占总储能装机容量的99%;数十MW ― GW

缺点：

受地形、生态环境等条件的限制

工作原理：

储电：利用“谷电”，把水由低位水库抽到高位水库，电能转为势能。

发电：在用电高峰期，释放高位水库中的水，势能转化为电能。

在欧美，抽水储能装机容量一般占发电装机容量的10%-15%;我国由于水力资源、地理环境等资源限制，抽水储能装机容量只占发电装机容量的1.7%不到。

4、压缩空气储能技术

优点：储能容量大

缺点：选址地质条件限制大 、需和燃气燃油电站配套

压缩空气储能技术是比较成熟的。早在上世纪八十年代的德国和九十年代的美国就有建过压缩空气储能电站，但目前世界上仅有2座百兆瓦级压缩空气储能电站，第三座终止建设。

5、锂离子电池储能技术

现在都说锂离子电池好，但是两个问题需要重视：一个是安全性问题，第二个是容量衰减问题。锂离子电池做的越大，其能量衰减就越快。正如我刚才提到的，汽车电池报废后用到大规模储能上是需要慎重的。

6、钠硫电池储能技术

能量密度较高，单个电池的开路电压高

高温型蓄电池(350℃运行)

缺点：

液态硫和金属钠对氧化铝隔膜具有强腐蚀性，易引起爆炸，危险性大

电池防腐、隔热与安全防护要求高

制造成本高

启动时间长(数十小时至上百小时)

目前，全球范围内能造出钠硫电池的只有日本NGK公司一家，中国要买它家电池要排队五年，而且电池卖出去后，所有的电池管理系统、电池信息只能日本人看，买家只能用。然而钠硫电池中的金属纳遇到水就着火，有极大的安全隐患。日本在2010年2月和9月的两场大型钠硫电池着火事件，也给日本钠硫电池公司造成致命打击，导致很多订单退货。

7、铅酸、(铅碳)电池储能技术

优点：

铅酸电池技术成熟、价格低廉、安全性能相对可靠

铅碳电池可大幅度提高电池的寿命

缺点：

循环寿命短、环境污染

铅酸电池，我以前不看好。但通过近几年对铅碳电池的研究，从目前我的试验室研究结果表明，如果铅碳电池做得好，同样的条件下，铅碳电池的寿命要比铅酸电池增加5倍。但仍存在一些安全性的问题，如十几年以前，美国有一国际知名的储能公司最近宣布破产，原因是其在美国本土和在夏威夷项目着火，其主要原因是在铅酸电池和碳，碳和水在一起，充电过程当中超过1.7V(铅酸电池电压为1.8V)，控制不好就会产生氢气，引起着火。所以解决这个问题是铅碳电池的核心。

上图是美国能源部2011年发布的美国能源部储能规划，图中可以看出他们支持哪些电池。

上图是一个叫Navigant的咨询公司2015年对储能技术的预测。上图显示了该公司认为的今后哪些储能会主导。具体的百分比我不太相信，但其趋势我比较认可。除了锂离子、液流电池、欧洲还有一个P to G(Power-to-Gas)技术。我个人认为，从中期看，储能的这三种技术是比较好的。

全钒液流电池储能技术

1、全钒液流电池的原理及特点

原理：利用钒离子价态变化，实现电能储存和释放

2、全钒液流储能电池的特点

① 功率和容量可独立设计，尤其适合大规模储能

储能容量大：100skWh– 100sMWh;

输出功率大：100skW— 100sMW

② 能量效率高、充放电性能好、循环寿命长：

能量效率80%, 可深度放电，循环次数>13,000

③ 启动和响应速度快：无相变化, 充、放电切换只需0.02秒

④ 常温封闭运行，电解液可半永久使用、性价比高

部件材料可循环利用、环境友好

⑤ 安全性好。

⑥ 使用寿命长，可达15～20年。

⑦ 比能量低

全钒液流电池比较适合大规模储能，特别是兆瓦以上的储能和时间比较长(四个小时以上)的储能。因为四个小时以上的储能其它电池技术都要增加电池，而全钒液流电池只要增加电解液;它的循环寿命大于13000多次，目前在电池中是最长的;其充放电相应速度比较快;其电解液可以半永久性使用;因为全钒液流电池是水溶液，所以安全性非常好;缺点是比能量较低，不适合电动车，只适合固定电站。

3、全钒液流储能电池的内部结构

4、我国钒资源情况：

全球目前已知的资源储量大约6300万吨钒，中国钒储量占世界38%;其中适合目前开采的资源储量为1300万吨钒，95%在中国、俄罗斯和南非。

电解液残值高：电解液残值可达50%~70%，用户角度看，是一种保值或增值的物质。

全钒液流电池产业是钒资源综合利用的重要方向。目前为止，在全钒液流领域中国是领先的，整个产业链最全，所有材料都是我国自己的。

5、钒电解质溶液

全钒液流电池电解液性能衰减的原因是微量副反应，长期积累等引起的物质失衡和价态失衡引起的。可通过在线或离线再生技术恢复，电解液可循环利用!

6、全钒液流电池关键材料—电极

全钒液流电池电极材料为碳材料(碳毡或石墨毡)，电池报废后可以作为燃料烧掉，除CO2外无环境污染物。