《储能定义与技术路线(超详细).docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《储能定义与技术路线(超详细).docx（25页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。
1、储能定义与技术路线（超详细），水般机械类储貌-rSC*二） tt 二储能分类超级电容器超导储能卜电气类储能铅电一离子电池电化学类储解一 液流电池其他二次电池储能在电力系统中的应用配套大规模可再生能源并网 延缓新建装机 降低发电成本延缓输配电投资 缱解城路堵塞oLJ配套分布式电源 提羽供电可靠性 能凝容度电费 分时/Ift谷套利辅助服务调整.调筑,基用.无功调节，鼎启动（一）储能定义储能是指通过介质或设备把能量存储起来，在需要时再释放的过程。其通过灵活的充放电控制，实现产能和用能在时间和空间的匹配，是灵活性的依仗。储能是支撑新型电力系统的重要技术和基础装备。能够为电网运行提供调峰、调频、备用、黑
2、启动、需求响应支撑等多种服务，是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段；储能能够显著提高风、光等可再生能源的消纳水平，支撑分布式电力及微网，是推动主体能源由化石能源向可再生能源更替的关键技术；储能能够促进能源生产消费开放共享和灵活交易、实现多能协同，是构建能源互联网，推动电力体制改革和促进能源新业态发展的核心基础。Illl储能电池图1微网储能系统图（二）储能的技术路线按照能量的储存方式，储能可分为机械储能、电磁储能、电化学储能、热储能、氢储能五类，其中机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等；电磁储能主要包括超级电容器、超导磁储能；电化学储能主要包括锂离子电池、铅酸电池、液
3、流电池、钠硫电池等。机械储能储能分类图2储能的分类按应用场景功能需求分为四大类：容量型储能技术、能量型储能技术、功率型储能技术以及备用型储能技术。一般容量型（24h）、能量型（约l2h）、功率型（W30min）和备用型（215min）四类。6lXh分钟级 杪级二一飞轮储能一时间微电M用户侧电网配电网大型电站超级电容超丽贮IKWIOKW100KWIMWIoMWI（M）MWIGW图3储能各技术路线的适用场景储能技术类型丰富，适合场景各有侧重，以下为各种储能的技术参数:表1储能技术特点及适用场景技术参数配置灵活性放电时间启动时间则应速度技术水平场昱相水蓄能一星2h天3-5minmin商用大规横调蜂、
4、长时期皈=飞轮储能清穴式：一星崎界：三星Ih-天约6min约Imin洞穴式：商用超临界：可再生能源并网、M助服务三s-min2ms2ms商用快速调频、企业爆UPS蛤蓄电池四星0.5-10hlsIOms商用分布式及虱网、I商业、变电站售电每台虔落子电池五0.1-10h1sIOms商用液流电池三星I-IOhS级ms级示范商用大规模调金生能源并网的硫电池四星l-8hS级ms商用绿合超吸电容器三三s-minlsms5b螃胭三hJ3-5min1MW2tt-W1-30比MKtt.SMAM.运行切B余AM.WKflHEla 乜七 W 总J dH3H84od叶明哲绘图5-2锂离子电池充放电原理图3.1锂离子电
5、池组成锂离子电池主要由正负极、隔膜、电解液、外壳组成。正负极：锂离子电池正极活性物质一般为磷酸铁锂、锌酸锂、钻酸锂，银钻镒酸锂材料，导电极流体使用厚度1020微米的电解铝箔。负极活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳（目前也有一些非碳基材料，比如碳硅等硅基材料），导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。正负极电位决定正极集流体用铝箔,负极集流体用铜箔，铜箔和铝箔具有良好的导电性、易形成氧化保护膜、质地较软有利于粘结、制造技术较成熟、价格相对低廉等优点，因此被选择作为锂离子电池集流体的紧要材料。磷酸铁锂离子电池的正极电位高，铝箔的氧化层比较致密，可戒备集流体氧化，而铜在高电位下会发生嵌锂反应，不宜
6、做正极集流体,正极集流体一般采用铝箔；而负极的电位低，铝箔在低电位下易形成铝锂合金,负极集流体一般采用铜箔，铜箔和铝箔之间不具备互替性。隔膜:经特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔结构,可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。锂离子电池隔膜主要作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路。对于锂电池系列，由于电解液为有机溶剂体系，因而需要有耐有机溶剂的隔膜材料，一般采用高强度薄膜化的聚烯烧多孔膜。电解液：溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂。rLi(.x,FePO4充电o ICharge放电DischargeAnode负极Cathode正极Electrolyte电解液,隔膜图6锂离子电池组成3.2磷
7、酸铁锂与三元锂磷酸铁锂电池是一种使用磷酸铁锂（LiFeP04）作为正极材料，碳作为负极 材料的锂离子电池，单体额定电压为3. 2V,充电截止电压为3.6V-3.65V。三元 锂电池是指正极材料使用银钻镒酸锂（Li （NiCoMn）02）或者银钻铝酸锂的三元正 极材料的锂电池，三元复合正极材料是以银盐、钻盐、锦盐为原料，里面银钻锦 的比例可以根据实际需要调整。目前新能源汽车电池主要有两种技术路线，即磷 酸铁锂电池和三元锂电池。磷酸铁锂电池相较于三元锂电池，能量密度低，低温 性能差，但经过改良后，目前已突破传统磷酸铁锂电池的能量密度限制，达到了 三元材料水平。三元锂电池的能量密度高，低温性能好，但
8、其造价高，安全性存 在一定问题。2022年1-12月，我国动力电池累计产量545.9GWh,累计同比增长 148. 5机其中三元电池累计产量212. 5GWh,占总产量38. 9%,累计同比增长126. 4%； 磷酸铁锂电池累计产量332. 4GWh,占总产量60. 9%,累计同比增长165. 1%。未 来新能源汽车市场预期将更加细分，在短程低速或中短程电动车市场中，磷酸铁 锂电池很可能维持主流地位，但对长程或其他用途车辆而言，三元锂电池也有望维持一定优势。（数据来源：中国汽车动力电池产业创新联盟、中商产业研究院整理）磷酸铁锂与三元锂的对比：（1）材料不同：之所以称为“三元锂”“磷酸铁锂”主要
9、指的是动力电池的“正极材料”的化学元素不同。三元锂正极材料使用银钻锦酸锂（Li（NiCOMn）02）三元正极材料，这种材料综合了钻酸锂、银酸锂和镒酸锂三种材料的优点，形成了三种材料三相的共熔体系，由于三元协同效应，其综合性能优于任一单组合化合物。磷酸铁锂是指用磷酸铁锂作为正极材料，其特色是不含钻等贵重金属元素,原料价格低且磷、铁存在于地球的资源含量丰富。三元锂材料因为稀缺，且随着电动车快速发展而水涨船高，价格高，受上游原材料制约性强；磷酸铁锂因为使用的稀有/贵金属比例较低,所以价格比三元锂电便宜，受上游原材料影响较小。（2）能量密度不同：三元锂由于采用了更活泼的金属元素，主流的三元锂电池能量密
10、度普遍在140Whkg160Whkg,低于高银配比的三元电池（160Wh/kg-180Whkg）,部分重量能量密度能够达到180Wh-240Whkg（宁德时代宣称：麒麟电池的三元电池系统能量密度达到255whkg）。磷酸铁锂能量密度为一般为90-110Whkg,部分创新的磷酸铁锂电池，例如刀片电池，能量密度可达120Wkg-140Wkgo三元锂较磷酸铁锂最大的优势就是能量密度高，充电速度快。（3）温度适应性不同：三元锂电池的低温性能优异，在-20条件下可保持正常电池容量的约70衿80乐其续航能力更优异。磷酸铁锂不耐低温，气温低于-10,电池衰减得非常快，磷酸铁锂电池在-20C条件下只能保持正常
11、电池容量的约50%-60%o3.3 储能对于锂离子电池的要求锂离子电池是电化学储能技术发展的最具潜力技术之一，如何开发有区别于动力电池技术路线的储能专用锂离子电池成为行业发展需求的关键。储能专用电池的特点要求具备高安全、大容量、长寿命、低成本、高能效。从安全性、循环寿命等指标来说，固态锂离子电池将成为未来规模应用的最有潜力的技术。锂离子电池成本随着锂产业链规模不断成熟扩大，成本具有大幅下降空间；储能装备的预装化、标准化、模块化等应用将进入成熟阶段。6OO(Xt01OO%OOD5005Wh克硼独应用100009100K0WoOJeAWh砧MMlWflHE电同於环节的育蛇用理的J电也bntfirf
12、aJlh3OOO80%DOo1200/（Wh兆K/亮财钿十先K/克硼他应用6000it80%0000,VkWb相WHHWW电科忸愤触应用r11灰电池液流电池ISi()3500Wh支防示蛆用20（寿命）2000WW*i帧电网3个环储。蛆用20222m2022年2030年图7锂离子电池与其他电池的寿命、成本对比表4典型锂离子电池参数对比项目硝酸铁理电池5B三i的发电池X10000rm-1045C/放电-2O-55C?E%-3O-55C/Bi-30-60C-20-60C-5-6OeC三tR三tSIOms三t安全性保护指病理当燃IB点低,E析氢等国风险五生化二机等事险碘班98%O.1C9O%1C98%
13、0.1C90%1C80-90%60%-75%(元/IcWh)6509505502300除电池外跑板本75098750年平均运堆囊用2%2%1.5%5%1弹弹12年15全索统成本（元/kWh）13OO-161500-20008-135OS3050(kWh)0.630.860.610.73高温条件下，三元锂电池的三元材料会在200时发生分解，产生剧烈的化学反应，释放出氧原子，并在高温作用下极易发生燃烧或爆炸的现象。2022年6月29日，国家能源局发布了关于征求防止电力生产事故的二十五项重点要求（2022年版）（征求意见稿）意见的函，其中在防止电化学储能电站火灾事故的要求中提到：中大型电化学储能电站
14、不得选用三元锂电池、钠硫电池，不宜选用梯次利用动力电池。表5储能成组方案对比常用集装箱规格号铁锲电池40尺三元锲电池40尺蛤发电池40尺的液流电池20尺（另需配置电帐液的）BMSiSrtiftg艮杂，病要考点SOC估算精度以及均衢算法抖动翩烈，SOC估算途度较大，一立性焉要靖港的均套算法蔺单，主要以监控为主T系统集成可行性可行，国内现技术路线,方案相对成熟将脸证（已被家止在储能电站中使用），一致性问星较产重,近准尚未统一可行可行运送特点可实现无人运维雄.安全因素星制约电池寿命短，运继星别化服务逢可长时间运行，但瑁添电帐液作业繁琐,工程活大初始投资造中耿相对少3.4 锂离子电池产业链锂离子电池产
15、业链如下图所示:锂电池产业链全景图（2022年版）输日在线力 CSAM com二三三三三3.5 锂离子电池储能产业链下游AK锂离子电池储能产业链如下图所示。此外，电池管理BMS、能量管理EMS、储能系统安装领域的头部企业如下：电池管理BMS:科工电子、高特电子、高泰昊能、力高新能源、协能科技、宁德时代、派能科技能量管理EMS:派能科技、国电南瑞、中天科技、许继电气、平高电气、阳光电源储能系统安装:永福股份、特变电工、正泰电器、中国电建、中国能建a4It山*t*水修伸40天碑被4、铅酸电池与铅炭电池4.1 铅酸电池与铅炭电池对比铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。
16、铅酸电池放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。铅炭电池是一种电容型铅酸电池，它是在铅酸电池的负极中加入了活性碳，能够显著提高铅酸电池的寿命。铅碳电池是一种新型的超级电池，是将铅酸电池和超级电容器两者合一。铅炭电池是铅酸电池的创新技术，相比铅酸电池有着诸多优势。铅炭电池有以下优势：一是充电快，提高8倍充电速度；二是放电功率提高了3倍；三是循环寿命提高到6倍，循环充电次数达2000次；四是性价比高，比铅酸电池的售价有所提高，但循环使用的寿命大大提高了；五是使用安全稳定，可广泛地应用在各种新能源及节能领域。此外，铅炭电池也发挥了铅酸电池的比能量
17、优势，且拥有非常好的充放电性能一90分钟就可充满电（铅酸电池若这样充、放，寿命只有不到30次）。而且由于加了碳（石墨烯），阻止了负极硫酸盐化现象，改善了电池失效的一个因素。叶明哲绘制放电PbOi2H2SO4Pb -PbSO42H2O + PbSO蓄电池浮充模式叶明哲绘制PbOKZHzSOrPb 理 PbSo-2HQ+PbSO,图8铅酸电池原理图4.2 特点及适用场景铅炭电池无易燃物（电池的电解液是水基体系，热失控和燃烧爆炸的概率很小），其相比锂电池更加安全，而且铅炭电池和铅酸电池一样，基本可实现100%回收。自2021年8月份以来，伴随着新能源市场崛起，碳酸锂市场价格开始呈现飞跃式上涨，锂电池
18、的造价成本也相应的水涨创高。而铅炭电池原材料的价格相对稳定，造价成本更低，经济效益也就更高。据测算，目前铅炭电池储能的建设成本O.95元/Wh。综合比较，铅炭电池无论是安全性、经济性，稳定性、以及可复制性，都具有非常大的比较优势，未来会被更多的储能电站采用，包括5G基站及IDC、发电侧、电网侧，以及用电侧。4.3 铅炭电池项目2022年12月1日，吉电股份在浙江省湖州市长兴县小浦园区超威郎山工厂园区内，首个铅碳类“百兆瓦时”用户侧储能项目(IOMW/97.312MWh)一期工程一次并网成功。图9超威郎山工厂园区铅炭电池储能项目5、液流电池液流电池是由Thaller于1974年提出的一种电化学储
19、能技术，是一种新的蓄电池。液流电池由电堆单元、电解液、电解液存储供给单元以及管理控制单元等部分构成，是利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池，具有容量高、使用领域(环境)广、循环使用寿命长的特点，是一种新能源产品。图10液流电池原理图5.1 特点及适用场景液流电池中全机液流电池技术成熟度最高。优势主要体现在以下方面：一是具有高安全性。全锐液流电池本征（在目前的电化学储能方面安全性最高）及钮矿产资源都十分安全（中国帆储量、产量都是世界第一）。二是具有长寿命性。全帆液流电池不同于一般的电化学储能方式，其电池循环次数可达15000-20000次，使用年限可达15-20年，非常适合4T2小时
20、的长时储能应用场景。三是具有环保性。全机液流电池储能系统所使用的电解液在结束寿命周期后，可以完全被回收，电池端的制造材料也属于零污染材料。四是易扩容。液流电池的储能活性物质与电极完全分开，功率和容量设计互相独立，便于模块组合设计和电池结构放置，以及容量便于扩展。液流电池的短板主要是效率和成本，目前的示范系统能效也就是75%左右。基于全机液流电池的优势和特点，其在2小时以上长时需求的风光资源配储及需要长时储能来进行电力储备的工业园区等场景具有广泛应用。（大工业用户以后或许可以使用）5.2 帆液流电池产业链帆液流电池产业链如下图所示:乳液流电池产业周3PVLPEA ”W喳：*一羽LM*ft彳 5S
21、MR5.3帆液流电池项目sera务2022年10月30日，由中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员李先锋团队提供技术支撑的迄今全球功率最大、容量最大的百兆瓦级液流电池储能调峰电站正式并网发电。该项目是国家能源局批准建设的首个国家级大型化学储能示范项目，总建设规模为200兆瓦（Mw）/800兆瓦时（MWh）。本次并网的是该电站的一期工程，规模为100兆瓦（MW）/400兆瓦时（MWh）。图11大连化物所帆液流电池项目投资分析2全帆液流电池储能技术在大规模长时储能领域颇具应用前景，因其具备安全性高、易扩容、输出功率和容量大、循环寿命长、性价比高、电解液可循环利用、帆资源自主可控、对环境友
22、好等突出优势，特别是百兆瓦级液流电池技术被纳入“十四五”新型储能核心技术装备攻关重点方向。防止电力生产事故的二十五项重点要求（2022年版）（征求意见稿）更是把储能的关注点吸引到“超帆脱俗的全机液流电池储能上。在产业链不断拓展的推动下，全机液流电池产业正由导入期向成长期过渡，处于大规模产业化的前夕，一旦占比成本高的钢电解液规模化生产、全产业链协作，并从技术上实现全机液流电池能量密度的突破，具有本征安全性的液流电池将在中大型电化学储能中真正发挥其优势。H月中核汇能公布的首次GWh液流电池储能系统集采中标结果显示，投标最低价已至2.2元/肌。国内液流电池储能项目正在各地紧罗密布地开展，液流储能电池
23、产线规模化建设提速。目前液流电池在新型储能中的渗透率不到1%,一旦产业链成熟，未来有望实现跨越式增长。注：五氧化二钮和隔膜占据了原料成本的60-80%o且随着储能时长增长，五氧化二帆成本所占比例逐渐增加。五氧化二帆市场目前是典型的现货市场，短期钢价波动会直接影响全机液流电池造价，因此，相对稳定的钢价有利于液流电池行业的成本控制。6、钠离子电池钠离子电池是一种二次电池（充电电池），主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，与锂离子电池工作原理相似。2022年度化学领域十大新兴技术之一。钠离子电池使用的电极材料主要是钠盐，相较于锂盐而言储量更丰富，价格更低廉。由于钠离子比锂离子更大，所以当对重量和
24、能量密度要求不高时，钠离子电池是一种划算的替代品。与锂离子电池相比，钠离子电池具有的优势有：（1）钠盐原材料储量丰富，价格低廉，采用铁锦银基正极材料相比较锂离子电池三元正极材料，原料成本降低一半；（2）由于钠盐特性，允许使用低浓度电解液（同样浓度电解液，钠盐电导率高于锂电解液20%左右）降低成本；（3）钠离子不与铝形成合金，负极可采用铝箔作为集流体，可以进一步降低成本8%左右，降低重量10%左右；（4）由于钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到零伏。钠离子电池能量密度已大于140Whkg,可与磷酸铁锂电池相媲美，但是其成本优势明显，有望在大规模储能中取代传统铅酸电池。（5）耐低温,钠离子
25、电池在-20的低温环境中可以实现90%以上的放电保持率，-40低温下可放出70%以上的容量，高温80C还能循环充放使用，项目落地与场景应用更具有灵活性。负极电解质正极图12钠离子电池原理图6.1 钠离子电池产业链钠离子电池产业链如下图所示:船离子电池产业链正材R的士/白松9化,amtRftMHtr合知=XMMKN国几m溶NEODMCZtMGDtGPC中，ueaTSPP Pf PpElfMB WUM6.2 钠离子电池发展情况钠离子电池理论上循环寿命也是可以接近锂离子电池；钠离子电池有钠资源优势、成本优势、性价比高。碳酸锂接近60万元每吨，而碳酸钠1吨只需要2000元-3000元，这是天然的成本优
26、势，因为资源丰富，所以原料价格低。2015年之后，世界各国都开始了对钠离子电子的产业化研究，到今天全球大概有几十家钠离子电池公司，我国也是其中布局较早的，目前我国在钠离子电池领域处于世界领先地位，中科海钠、宁德时代、立方新能源等企业均已实现钠离子电池的初步量产，并推出了成熟的产品线。表6钠离子电池与其他储能方式对比储能方式能量塞度循环次散成本(7Cwh)输水0.5-1.5WhL,50年0.210.25机械储能压空气储能3-6WhL的25年0.30.6飞轮储能100100万次.20年3045船电池3O-5OWhkg3OO-SOO0.S0.8电化学储能电池40S0Whkg20000次3.539离子
27、电池120180Whk93000次0.8-1.2*纳窝子电池100160Whkg3000次0.60.9光热储能熔盐储底S01万次，2030年的0.1电磁储能超级电容器储髭510Whkg50000次9.5-13.5土口号情睦0.S5Whkg100000次70-90全球钠离子电池产业化现状，FAHJUHSii 01MBuon Fiwrgy 公司 an*m京JJ Natron EnergyTQYOTA 日本牛田J.UmllNWtkC,K*MXKI”Em0(M小公司iafiMKALTRlSl-fJtAt 宁时代全球共有数十家公司正进行钠离子电池冷山犍赢卿10图13全球钠离子电池产业化现状7、电化学储能
28、度电成本储能度电成本(LCOS)为国际通用的成本评价指标。基于储能全生命周期建模的储能平准化成本LCOS(LevelizedCostofStorage)是目前国际上通用的储能成本评价指标，其算法是对项目生命周期内的成本和放电量进行平准化后计算得到的储能成本。和目前几种典型电化学储能技术的度电成本仍远高于抽水蓄能的度电成本；目前磷酸铁锂电池和铅炭电池的度电成本较低。2M)3丝图14几类典型储能技术的度电成本8、电化学储能电站全生命周期成本储能电站的成本主要包括初始投资成本和运行成本，其中初始投资成本包括储能系统成本、功率转换成本和土建成本，运行成本则包括运维成本、回收残值和其他附加成本(如检测费
29、、入网费等)。通过大量的市场调研，得到各类储能电站的成本，按照容量型和功率型的不同，分别进行全生命周期成本对比。容叟储能电4M*能成本（万元/MWh：ItHM rjMM*M4b !*M - ft Mt *ihmi omm*a*a储陡电站全少命喝期储最成本（万元/MWh）储能电站全生命周期功率成本（力兀/MW）（五）结论1、抽水蓄能目前占比在80%以上，是绝对主力；液流电池、压缩空气、锂离子/钠离子电池、铅碳电池也很适合规模储能。钠硫电池本来也很合适大规模储能，但这些年由于安全问题，已不太受关注。2、电化学储能这几年的发展速率是高于抽水储能，从原来不足10%到现在超过10%,未来占比会更多。各种
30、电化学储能技术中，铅酸/铅碳电池成本最低，它最大的问题还是寿命和循环次数，我们国家的铅回收技术还是比较成熟的，所以环保不是大问题，但循环寿命确实是大短板。3、锂离子电池整个产业链都很成熟、系统效率也比较高，成本方面大家也接受，是目前除了铅酸电池外最经济的选择，循环寿命上可以做到五六千次，但安全性是其短板，也是目前研究的热点。4、液流电池在安全性、长寿命方面都有其本质上的优势，比较适合大规模储能，但一方面效率不如锂电高，目前成本偏高也限制了其大规模应用。5、钠离子电池资源丰富，是锂离子电池很好的补充，但尚处于示范应用阶段，离大规模应用还需要一段时间。6、从目前情况看，抽水蓄能、锂离子电池、液流电池、铅炭电池技术因一定的优势，仍将在储能领域保持较大的比重。
