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美國(guó):適合電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)部署的三種電池技術(shù)

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1388次  |  2019年06月17日  

早在2017年,調(diào)研機(jī)構(gòu)GTMResearch公司就2016年美國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)狀況發(fā)布了一份研究報(bào)告。該研究預(yù)計(jì),到2021年,儲(chǔ)能系統(tǒng)的裝機(jī)容量將增長(zhǎng)到2GW以上,其中包括住宅儲(chǔ)能、非住宅儲(chǔ)能、電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng),這將比2016年儲(chǔ)能裝機(jī)容量要高10倍以上。據(jù)估計(jì),如此大規(guī)模的部署將使美國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到28億美元。

鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以存儲(chǔ)和調(diào)節(jié)可再生能源

美國(guó)喬治·梅森大學(xué)的DavidHart和AlfredSarkissian研究了美國(guó)的電網(wǎng)規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng),并于2016年向美國(guó)能源部提交了他們的研究結(jié)果。該研究一項(xiàng)主要成果表明,鋰離子電池約占電網(wǎng)規(guī)模電池儲(chǔ)能市場(chǎng)95%份額。然而,氧化還原液流電池和鋅混合電池也成為儲(chǔ)能市場(chǎng)上的主要技術(shù)。

盡管公用事業(yè)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署在2018年的前三個(gè)季度略有下降,但預(yù)計(jì)在2019年仍將增長(zhǎng)。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)可再生能源的可變性,并提高可靠性來(lái)提供按需供電,從而支持風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源項(xiàng)目。

各種電池都具有針對(duì)特定性能的功能和應(yīng)用,但是,儲(chǔ)能開(kāi)發(fā)商的目標(biāo)是相同的:選擇一種能夠確保儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、可靠、高效運(yùn)行的電池。

鋰離子電池

1991年,索尼公司推出了世界第一款鋰離子電池,主要用于消費(fèi)類產(chǎn)品。從那時(shí)起,鋰離子電池已成為電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)最廣泛采用的電池技術(shù)。鋰離子電池具有處理小規(guī)模應(yīng)用的多功能性,例如為電動(dòng)汽車供電;也可以應(yīng)用在需要數(shù)小時(shí)儲(chǔ)能的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中。

鋰離子電池的名字來(lái)源于在電極之間轉(zhuǎn)移的鋰離子,無(wú)論是為了儲(chǔ)能而注入能量還是提取能量。鋰離子電池使用鋰化金屬氧化物作為陰極(電子進(jìn)入器件的帶負(fù)電電極)而不是金屬鋰,通常采用碳用作陽(yáng)極(電子離開(kāi)器件的帶正電電極)。與通過(guò)充電和放電改變電極的電池有所不同,鋰離子電池提供更高的效率,因?yàn)殡x子運(yùn)動(dòng)使電極結(jié)構(gòu)保持完整。

鋰電池家族中,還有一些電池供應(yīng)商提供各種不同的電池產(chǎn)品和設(shè)計(jì),并不斷提高能源密度和循環(huán)壽命,降低成本。

對(duì)于30分鐘至3小時(shí)的持續(xù)儲(chǔ)能,與其他電池解決方案相比,鋰電池具有最佳的能量密度。對(duì)于更長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)儲(chǔ)能,鋰離子電池并不是最具成本效益的選擇,這取決于應(yīng)用場(chǎng)合,尤其是在考慮壽命成本時(shí)。鋰離子電池也可配置成各種規(guī)模的電池組,以產(chǎn)生各種規(guī)模的電壓和容量。

位于華盛頓州普爾曼的1MW/4MWh的儲(chǔ)能系統(tǒng)由Avista公司運(yùn)營(yíng)。該系統(tǒng)使用NorthernPower公司的FlexPhase轉(zhuǎn)換器和UET公司的氧化還原液流電池為電網(wǎng)和最終用戶提供多種服務(wù),其中包括負(fù)載轉(zhuǎn)移、黑啟動(dòng)功能、可再生能源集成和彈性。

鋰電池組通常具有較窄的電壓范圍和較高的最小直流串聯(lián)電壓,相對(duì)于其他電池技術(shù),鋰電池可以將功率轉(zhuǎn)換器的成本降至最低。鋰離子電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)的效率通常高于使用液流電池或鋅混合電池。

例如,鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在額定功率下額定運(yùn)行兩小時(shí),其往返效率為75%至85%。但是,額定運(yùn)行30分鐘的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率可能在65%到75%的范圍內(nèi)。當(dāng)然,規(guī)模較小的30分鐘電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始成本較低,其效率更高,在長(zhǎng)時(shí)間放電運(yùn)行時(shí)壽命更長(zhǎng)。

隨著時(shí)間的推移,鋰離子電池將會(huì)退化,在設(shè)計(jì)一個(gè)20年使用壽命的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí),必須采取一個(gè)電池補(bǔ)充、更換和處理策略。雖然鋰離子電池的固態(tài)特性意味著移動(dòng)部件較少,但這意味著容量相對(duì)較小的鋰離子電池與液流或鋅混合電池相比,需要更復(fù)雜的監(jiān)控和電池管理系統(tǒng)。

氧化還原液流電池

美國(guó)國(guó)家特種航天局在20世紀(jì)70年代研究了氧化還原液流電池(RFB)在太空計(jì)劃中的應(yīng)用,而將氧化和還原反應(yīng)的液流電池用于儲(chǔ)能的概念可以追溯到更久遠(yuǎn)的年代。

在氧化還原液流電池(RFB)中,兩種化學(xué)組分溶解在系統(tǒng)內(nèi)的液體中,并通過(guò)離子膜進(jìn)行分離。該膜促進(jìn)離子交換和電流流動(dòng),同時(shí)液體在陽(yáng)極電解液和陰極電解液罐中保持分離。在這些電解液罐中發(fā)生的化學(xué)還原和氧化反應(yīng)將產(chǎn)生的能量存儲(chǔ)在液態(tài)電解質(zhì)溶液中,這就是“氧化還原”的名稱來(lái)源。

與鋰離子電池類似,不同的液流電池具有多種不同的化學(xué)成分。電網(wǎng)規(guī)模液流電池儲(chǔ)能解決方案的大多數(shù)產(chǎn)品都使用某種釩、鐵、溴或鈉溶液。

氧化還原液流電池(RFB)與傳統(tǒng)電池相比比較獨(dú)特,因?yàn)槠湎到y(tǒng)的額定功率值取決于所選電堆的大小,并且其儲(chǔ)能容量取決于電解液罐的尺寸和罐中電解質(zhì)的體積。原則上,這意味著可以任何配置能量和功率的組合。然而,在實(shí)踐中,與電堆的額定功率相比,泵送和管理罐所需的基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于具有4小時(shí)或更多時(shí)間的儲(chǔ)能系統(tǒng)而言在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

液流電池的特點(diǎn)是循環(huán)壽命很長(zhǎng),可以達(dá)到數(shù)萬(wàn)次循環(huán),或在理論上可以達(dá)到無(wú)限的循環(huán)壽命。例如,在兩個(gè)槽之間交換離子時(shí),釩溶液不會(huì)發(fā)生降解,并且在系統(tǒng)壽命結(jié)束時(shí),釩溶液還有一定的剩余值。盡管與其他電池相比,其初始成本通常較高,但液流電池的工作壽命成本可能較低,特別是在高循環(huán)應(yīng)用中。

EosAurora1000是一種能夠滿足電網(wǎng)規(guī)模市場(chǎng)需求的儲(chǔ)能系統(tǒng)。它使用鋅混合陰極電池,可以進(jìn)行擴(kuò)展和配置,以降低成本,并最大限度地提高盈利能力。

液流電池的能量密度比同等規(guī)格的鋰電池溶液的能量密度更低,并且通常需要更大的占地面積或特定存儲(chǔ)裝置或所需的占地面積。但是,對(duì)于許多儲(chǔ)能項(xiàng)目而言,占地面積并不是影響項(xiàng)目可行性的主要因素。

在一些情況下,與容量相同的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相比,4小時(shí)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的液流電池的占地面積更小。鋰離子電池組的重量通常使其堆疊放置變得不切實(shí)際。

人們還存在一些誤解,即由于液流電池在額定功率下放電4小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間,它們不能執(zhí)行頻率調(diào)節(jié)或其他短期供電任務(wù)。實(shí)際上,液流電池非常適合長(zhǎng)時(shí)間的峰值轉(zhuǎn)換(改變電力來(lái)源以減少電網(wǎng)“需求費(fèi)用”)或需求轉(zhuǎn)換,以及短期服務(wù)。在這種堆疊的使用案例中,具有高循環(huán)壽命的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)非常具有價(jià)值。液流電池的往返效率通常為65%至75%。

鋅混合電池

鋅混合電池是最新的電池產(chǎn)品之一,在電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能用例中具有早期的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。第一批可充電鋅基電池于1996年問(wèn)世,最終用于為新加坡的中小型客車供電。電動(dòng)汽車和分布式能源的激增增加了對(duì)生產(chǎn)成本低廉的電池系統(tǒng)的需求。

鋅混合電池也有望為電網(wǎng)規(guī)模的解決方案提供專用電池,可以在成本方面超越其他的電池。金屬鋅被廣泛使用,而且其生產(chǎn)成本通常比鋰離子電池或液流電池更低。鋅混合電池在商業(yè)化進(jìn)程中處于早期階段,因此其成本比其他新興電池技術(shù)解決方案還要低。

在鋅混合電池中,多孔陽(yáng)極由大量鋅顆粒形成的,然后在放電期間實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)飽和。通過(guò)氧化反應(yīng)在陰極處形成的的氫氧根離子移動(dòng)到鋅糊中以形成鋅酸鹽,從而釋放出電子,并進(jìn)入陰極。與液流電池類似,這項(xiàng)技術(shù)也適用于4小時(shí)儲(chǔ)能解決方案。

與鋰離子電池類似,采用鋅混合電池系統(tǒng)必須考慮電池的劣化,其中包括電池的補(bǔ)充、更換和處理,因?yàn)槠鋬?chǔ)能容量將會(huì)逐漸退化。鋅混合電池的整體效率通常低于鋰離子電池,平均為65%至70%。對(duì)于更高的充電和放電速率的應(yīng)用來(lái)說(shuō)略低,而對(duì)于更低的充電和放電速率的應(yīng)用來(lái)說(shuō)則更高。

預(yù)計(jì)鋅混合電池在可再生能源應(yīng)用中具有一定競(jìng)爭(zhēng)力,例如與太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目配套部署時(shí)。它們也適用于具有日常充電和放電周期的調(diào)峰應(yīng)用。與鋰離子電池解決方案相比,鋅混合電池和液流電池往往具有更寬的直流電壓工作范圍,并且所需的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)成本更高一些。

選擇合適的電池

用戶需要選擇理想的電池,并設(shè)計(jì)最佳的系統(tǒng)和運(yùn)行策略來(lái)決定儲(chǔ)能項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。了解不同電池技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)是用戶做出正確選擇的關(guān)鍵。

雖然沒(méi)有人確切知道未來(lái)哪一種電池將會(huì)成為最終獲勝的解決方案,但仍然會(huì)有多種選擇。最終用戶希望與交鑰匙供應(yīng)商和集成商開(kāi)展合作,這些供應(yīng)商和集成商可以幫助用戶配置適合其項(xiàng)目的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

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