電力系統(tǒng)中電化學(xué)儲能技術(shù)應(yīng)用分析及成本預(yù)測
鄒貴林 黃 琰 王 偉
今年7月，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)了《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確提出“將發(fā)展新型儲能作為提升能源電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、綜合效率和安全保障能力，支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重要舉措，以政策環(huán)境為有力保障，以市場機制為根本依托，以技術(shù)革新為內(nèi)生動力，加快構(gòu)建多輪驅(qū)動良好局面，推動儲能高質(zhì)量發(fā)展。”還提出儲能發(fā)展目標(biāo)：“到2025年，實現(xiàn)新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展轉(zhuǎn)變，裝機規(guī)模達(dá)3000萬千瓦以上；到2030年，實現(xiàn)新型儲能全面市場化發(fā)展。”
筆者針對目前電力系統(tǒng)中主要應(yīng)用的鋰離子電池、鉛碳電池、液流電池等新型電化學(xué)儲能技術(shù)應(yīng)用，尤其是儲能技術(shù)進(jìn)步趨勢和市場需求預(yù)期，進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，提出了未來電化學(xué)儲能的成本下降趨勢為“三個5”——“每5年，循環(huán)壽命將提升50%，成本將下降50%”。到2030年，電化學(xué)儲能循環(huán)壽命將超過當(dāng)前水平的2倍以上，功率成本和能量成本將下降到當(dāng)前水平的1/3以下，度電成本低于0.1元/千瓦時·次。
“常勝將軍”的鋰離子電池，當(dāng)前已具備規(guī)?；瘧?yīng)用能力，適用于電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、新能源消納、緊急事故備用、黑啟動等大部分應(yīng)用場景，是電力系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)的靈活調(diào)節(jié)資源。
鋰離子電池由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成，其材料體系豐富多樣，其中適合用于電力儲能的主要有磷酸鐵鋰、三元（鎳鈷錳酸鋰）、鈦酸鋰等，此外近年來還發(fā)展了一些高能量密度的新型鋰離子電池體系。鋰離子電池充電時鋰離子從正極脫出，通過電解質(zhì)和隔膜向負(fù)極遷移，并在負(fù)極嵌入負(fù)極材料；放電時整個過程逆轉(zhuǎn)。
“后起之秀”的鉛炭電池，當(dāng)前充放電深度較低，系統(tǒng)可靠性較差，出力特性難以掌握，僅在部分用戶側(cè)儲能項目中得到應(yīng)用，對于電力系統(tǒng)的適應(yīng)性還需加強。
鉛炭電池是在鉛酸電池的鉛負(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能裝置。鉛炭電池的正極是二氧化鉛，負(fù)極是鉛—炭復(fù)合電極。目前，鉛炭電池負(fù)極中加入的炭材料主要有石墨、炭黑、活性炭、碳納米管、石墨烯等。目前，鉛炭電池儲能系統(tǒng)的能量成本約為1300元~1800元/千瓦時，但由于充放電深度一般低于80%，因此實際成本略高。
“揚長避短”的液流電池，從技術(shù)原理上講，液流電池儲能系統(tǒng)在實際工程應(yīng)用時存在能量轉(zhuǎn)換效率低（約為60%~65%）、能量密度低的缺陷，但由于其循環(huán)壽命長的顯著優(yōu)勢，在特定場景中具備較好的應(yīng)用前景。
全釩液流電池，其包括正負(fù)兩極的電解液罐、水泵以及中間的電堆，電堆中包括端片（絕緣框架）、集流體（主要為銅）、石墨片、碳/石墨氈電極及離子交換膜。正負(fù)極電解液是分別含有V4+、V5+和V2+、V3+的水溶液，在充放電過程中電解液流過電極表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其內(nèi)部的電荷平衡是通過溶液中的H+在離子交換膜兩側(cè)遷移來完成。目前，全釩液流電池關(guān)鍵材料和部件還未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，生產(chǎn)成本較高。
電化學(xué)儲能技術(shù)未來前景可期。以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲能技術(shù)近年來在本體研發(fā)、系統(tǒng)集成、工程驗證等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)提升，初步具備了規(guī)?；瘧?yīng)用的條件，將成為“雙碳”進(jìn)程中發(fā)展速度最快，應(yīng)用前景最廣的儲能技術(shù)。
以磷酸鐵鋰電池為代表的電化學(xué)儲能技術(shù)擁有85%左右的高能量轉(zhuǎn)化效率、百毫秒級的四象限功率快速響應(yīng)能力以及建設(shè)靈活性等優(yōu)勢，是理想的儲能資源。得益于電動汽車動力電池的蓬勃發(fā)展，鋰離子電池在生產(chǎn)成本、能量密度、模塊化集成等方面取得了長足的進(jìn)步，給電化學(xué)儲能應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。
而面向電力儲能應(yīng)用需求，電化學(xué)儲能技術(shù)近年來也在多個領(lǐng)域取得了關(guān)鍵性的突破，在規(guī)?；煞矫妫瑢崿F(xiàn)了電化學(xué)儲能由兆瓦級向百兆瓦級集成規(guī)模的突破；而在功能實現(xiàn)與工程驗證方面，通過國家風(fēng)光儲輸、江蘇、河南、廣東等地電網(wǎng)側(cè)儲能等一系列電化學(xué)儲能示范工程，驗證了其在調(diào)峰、調(diào)頻、新能源消納、緊急功率支撐等多場景中的功能與應(yīng)用價值。
總之，電化學(xué)儲能技術(shù)已通過了規(guī)?；瘧?yīng)用功能驗證。面向未來，鋰電池循環(huán)次數(shù)仍有一定提升空間，且能量成本仍將進(jìn)一步下降，到2030年其單位容量建設(shè)成本將低于抽水蓄能，且隨著固態(tài)電池、高安全集成等電池制備與系統(tǒng)集成技術(shù)的突破提升，其在應(yīng)用安全性與靈活性等方面的優(yōu)勢將進(jìn)一步凸顯。
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