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需求側響應?電網輔助服務?綜合能源中不可或缺的電池儲能技術

作者:張啟航 來源:交能網 發布時間:2020-03-17 瀏覽:
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從這周開始我們將開啟綜合能源關鍵技術系列的第一篇——電池技術。綜合能源系統統籌規劃了區域能源的生產及使用,并借此降低了能源使用成本,提高了能源效率。而在綜合能源系統中,儲能系統發揮著連接不同子系統的紐帶作用。儲能系統在可再生能源并網、分布式發電與微網、調峰調頻、需求側響應等領域都不可或缺。

在儲能系統中,電池儲能是重中之重的一環。

電池儲能相比其它常見儲能技術,有著許多特點。首先,電池儲能有著非常高的能量密度,這意味著存儲同等能量,電池占用的空間更少,且不像抽水蓄能及壓縮空氣儲能那樣對環境的要求較高。高達90%的能量存儲效率以及靈活的容量分配都是電池相較于其它儲能技術的優點。電池極快的響應時間,使得它在電網輔助服務尤其是一次調頻中表現出色。

常見電池技術及其優缺點

不同種類的電池原理性質及其應用都有所不同,本文將介紹兩種最常見的電池技術,鋰離子電池和鉛酸電池。

鋰離子電池

鋰離子電池作為生活中廣泛應用的電池種類,主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作,其常見正極材料有:鋰鈷氧化物(LiCoO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)、鎳酸鋰(LiNiO2)及磷酸鋰鐵(LiFePO4),負極材料一般為石墨,鈦酸鹽被認為是未來更好的替代品。鋰離子電池應用領域十分廣泛,在電網調峰、調頻、電動汽車及光伏儲能方面均有優秀表現。

優點:

1. 高能量密度

2. 壽命較長

3.輸出功率高

缺點:

1. 安全性能稍差

2.對電池管理系統要求較高

3.成本較高

鉛酸電池

鉛酸電池是一種電極主要由鉛及其氧化物制成,電解液是硫酸溶液的蓄電池。鉛酸電池放電狀態下,正極主要成分為二氧化鉛,負極主要成分為鉛;充電狀態下,正負極的主要成分均為硫酸鉛。鉛酸電池在電網調峰調壓力、不間斷電源、光伏儲能及孤島電網領域均有應用。

優點:

1.今時今日已經批量生產

2.對于靜態應用來說,能量/功率密度可以接受

3.通過控制過充電反應來實現安全性

4.無需復雜的電池管理

5.大規模儲能經驗

6.短期攤銷和初始投資相對較低

缺點:

1.充電和放電并不對稱

2.對通風的要求較高

3.循環壽命有限

4.重金屬鉛

電池技術的應用場景

電池技術在綜合能源領域有著廣泛的應用:

大型風、光電站的儲能系統

電池系統可以對風、光等可再生能源輸出功率進行平抑,緩解晝夜峰谷差,降低系統調峰調頻和備用容量的需求,降低對多能互補系統中燃氣輪機、生物質發電等發電單元的性能壓力,提高區域供電電能質量,有效減少棄風、棄光現象。

在光伏方面,由于光伏發電的不可控性,光伏僅在白天尤其是午間發電。利用電池將白天發的電儲存起來,為電網調度、電網的穩定性起到了很有力的調節支持作用。在風電方面,儲能系統主要解決風機發電波動大的問題,平滑風機出力曲線、丟風存儲、風電場輔助調頻等。

維護電網穩定性

隨著可再生能源發電比例的逐步提高,電網的穩定性愈發成為一個重要問題。尤其在綜合能源系統中,多能互補系統的存在對區域負荷供電電能質量及可靠性提出了更高的要求。電池系統憑借其快速的響應時間,靈活的有功,無功吞吐能力,在電網輔助服務領域表現出色。尤其是在一次調頻方面。一次調頻對反應時間的苛刻要求,電池系統能夠完成諸如抽水蓄能等系統不能完成的任務。此外,電池系統還可以通過提供電力市場輔助服務進行套利。

戶用儲能電池

1.戶用光伏儲能

對于住宅光伏客戶,儲能系統能大大提升自身的光伏發電量使用效率。光伏儲能系統的主要經濟性體現在提高住戶自身產電的電力消耗比率,從而減少從公共電網獲取的電量。通過安裝戶用電池,理論上該比率可以增加到100%,但由于經濟性原因很少能夠達到。目前在歐洲,戶用光伏儲能系統的自耗率平均為35%,電池價格占整個光伏儲能系統成本的50%以上。

2.需求側響應

戶用儲能電池還可引用于用戶需求側響應,用戶可在電網負荷較小的情況下,利用電池充電;在電網負荷較大的時候,利用電池進行供電,能夠大大降低電網負荷,同時節約電力成本。能起到這樣作用的電池主要是戶用光伏儲能電池和家用電動汽車電池。

電動汽車

電動汽車之于電力行業的意義就是“裝在車輪上移動電池”,而且其飛快的發展速度對于儲能行業的意義可能會是住宅儲能無法比擬的。Diaz-Bone 舉過這樣一個例子:“100,000 個家用儲能系統的數量可能聽起來已經可以令人印象深刻,但如果對比電動汽車的規模,這個數字也只能相形見絀了。我們正在研究數百萬輛電動汽車,每輛汽車的電池容量為 40 到100千瓦時,是一般家用電池儲能系統的五到十倍”。與固定式家用電池一樣,通過充電樁連接到電網的電動汽車不僅可以存儲電力,還可以根據需要將其送入電網。電池的核心優勢是,可以在短時間內吸收和釋放大量電力,這使其成為為電網提供輔助服務的理想工具。它們可以保證電力通暢以穩定電網,充當備用電源以提高可靠性,并且能夠在供電充足且便宜的時間再充電。

德國示范案例:M5BAT項目

德國儲能示范:亞琛工業大學m5bat電池系統

M5BAT位于德國亞琛,是一個功率5MW,能量5MWh的龐大電池存儲系統,建設始于2015年8月,于2016年9月8日開始調試。從那天起,該電池系統已連接到德國亞琛地區中壓電網,并用于平衡能源供應。在此期間,還將實時進行能源市場容量交易。該項目的參與者共同投資了1,140萬歐元,用于開發和測試這個世界首創的電池存儲系統。該項目還從德國聯邦經濟和能源部獲得了670萬歐元的資金。

M5BAT是一個典型的區域儲能系統,其5MWh的電力容量可以為10000戶家庭在斷電時供電約60分鐘。M5BAT除去實際功用,還承擔著科研任務,期望了解電池存儲的經濟和技術特征。

電池技術多種多樣。為了發揮協同效應,可以將不同的電池技術結合起來,以充分利用各自的優勢。例如,廉價的高能量電池和昂貴的高功率電池可以同時使用,以在提供相同功率容量的同時實現更好的成本效益。

M5BAT使用五種不同的電池技術,并使用智能電池管理技術來優化整體操作。M5BAT具有不同鋰“離子”技術的三個電池串,主要用作短期電力存儲。此外,還安裝了兩種不同技術的鉛蓄電池組,用于短時間和中等放電時間。在世界范圍內的此類性能級別中,M5BAT的混合模塊化系統首屈一指。

參考資料:

[1]RWTH-AACHEN-M5BAT-Projekt

[2]RWTH-ISEA-Energiespeicher Technologie

[3]KlimaExpo.NRW-M5BAT: flexiblerBatteriespeicher im Test

[4]曹建-儲能在綜合能源服務中的技術與實踐

關鍵字:電池儲能技術

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