中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
作者：張平 1 圖片康利斌 1 圖片王明菊 3趙廣 3羅振華 3唐堃 1陸雅翔 2胡勇勝 1,2
單位：1. 中科海鈉科技有限責(zé)任公司；2. 中國科學(xué)院物理研究所；3. 華陽新材料科技集團(tuán)有限公司
引用： 張平,康利斌,王明菊等.鈉離子電池儲(chǔ)能技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2022,11(06):1892-1901.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0066
摘 要 儲(chǔ)能技術(shù)是構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，是保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、優(yōu)化能量傳輸、消納清潔能源、改善電能質(zhì)量等的重要手段。電化學(xué)儲(chǔ)能具備地理位置限制小、建設(shè)周期短等優(yōu)勢，是主流儲(chǔ)能方式之一。目前，在電化學(xué)儲(chǔ)能中發(fā)展最為成熟的是鋰離子電池技術(shù)，但隨著電動(dòng)汽車普及和大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用，鋰離子電池或?qū)⒚媾R鋰資源緊缺的問題。鈉離子電池由于資源豐富、成本低廉、能量轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)勢，已成為目前儲(chǔ)能技術(shù)的研究熱點(diǎn)。本文對(duì)鈉離子電池儲(chǔ)能技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，與當(dāng)前主流儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比，從度電成本這一經(jīng)濟(jì)性角度分析了鈉離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的優(yōu)勢，簡要介紹了鈉離子電池的應(yīng)用場景及1 MW·h鈉離子電池儲(chǔ)能示范案例，并在此基礎(chǔ)上給出了鈉離子電池應(yīng)用于儲(chǔ)能電站的一些思考和建議。
關(guān)鍵詞 鈉離子電池；儲(chǔ)能系統(tǒng)；技術(shù)可行性；經(jīng)濟(jì)性分析；度電成本
隨著人類社會(huì)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和生活節(jié)奏加快，人們對(duì)能源消耗的需求持續(xù)增強(qiáng)；目前，全球電力消費(fèi)量超過25萬億千瓦時(shí)，人均年用電量約為3400千瓦時(shí)/人。按燃料來看，電力生產(chǎn)依靠的燃料主要有石油、煤炭、天然氣、核能、可再生能源等；石油、煤炭和天然氣等化石燃料依然是生產(chǎn)和生活的重要能量來源；但這些資源都是不可再生資源，而且會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體，對(duì)人類賴以生存的環(huán)境產(chǎn)生了惡劣的影響(如全球變暖、動(dòng)植物多樣性銳減等)，進(jìn)而危及人類的生存和發(fā)展。因此，需要通過尋求清潔能源發(fā)電來突破化石能源的制約。目前，潮汐能、水能、風(fēng)能、太陽能等清潔、安全且可再生的能源得到了廣泛關(guān)注和迅速發(fā)展，這些能源很大程度上受限于時(shí)間、空間、季節(jié)和氣候變化等因素，尤其風(fēng)能和太陽能天然具備間歇性和波動(dòng)性等不足，受制于電網(wǎng)消納能力，高比例間歇性可再生能源并網(wǎng)不僅會(huì)對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)穩(wěn)定性造成沖擊，而且還有可能導(dǎo)致棄風(fēng)、棄光率回升。儲(chǔ)能技術(shù)的接入，不僅可以降低棄風(fēng)、棄光率，更能平抑新能源波動(dòng)，跟蹤計(jì)劃出力，并參與系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻，增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
所謂儲(chǔ)能技術(shù)，是將不易儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)換成為更方便使用或者更經(jīng)濟(jì)的能量形式進(jìn)行存儲(chǔ)，并在未來需要能量供應(yīng)時(shí)以特定的能量形式將存儲(chǔ)的能量釋放出來的技術(shù)。常見的儲(chǔ)能技術(shù)主要包括5類，分別為機(jī)械儲(chǔ)能、電氣儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能(圖1)。目前，在電化學(xué)儲(chǔ)能中發(fā)展最為成熟的是鋰離子電池技術(shù)，但隨著電動(dòng)汽車普及和大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用，鋰離子電池已逐漸暴露出鋰資源匱乏的瓶頸問題。截至2022年1月，電池級(jí)碳酸鋰的價(jià)格由年初的4萬元/噸上漲至40萬元/噸；另外我國鋰資源進(jìn)口依賴程度高達(dá)80%[2]，一旦海外鋰礦進(jìn)口被掐斷，國內(nèi)鋰離子電池企業(yè)將面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，可以說毫無緩沖期可言；目前寧德時(shí)代、贛鋒鋰業(yè)等國內(nèi)龍頭企業(yè)已在國際上布局鋰礦資源。
圖1 大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)分類
鈉離子電池作為一種新型二次化學(xué)電源，不僅原材料不存在資源約束問題，同時(shí)具備安全性、高低溫性能以及大倍率充放電性能，資源優(yōu)勢和成本優(yōu)勢明顯，在大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能、低速電動(dòng)車等應(yīng)用領(lǐng)域，有望與鋰離子電池形成互補(bǔ)和有效替代。
本文對(duì)鈉離子電池儲(chǔ)能技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，從度電成本這一經(jīng)濟(jì)性角度分析了鈉離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的優(yōu)勢，并簡要介紹了鈉離子電池的應(yīng)用場景及1 MW·h鈉離子電池儲(chǔ)能示范案例，在此基礎(chǔ)上給出了鈉離子電池應(yīng)用于儲(chǔ)能電站的一些思考和建議。
1 鈉離子電池發(fā)展現(xiàn)狀
鋰離子電池20世紀(jì)70年代在歐洲開啟研究，1991年在日本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并迅速獲得了市場的認(rèn)可，成為“4C”產(chǎn)品(即計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)和消費(fèi)電子)不可或缺的重要組件。近20年來，在各國政府的大力支持下，鋰離子電池在新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展勢頭同樣強(qiáng)勁，同時(shí)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底，全球電化學(xué)規(guī)模儲(chǔ)能示范項(xiàng)目中，鋰離子電池的占比高達(dá)92%。目前，全球鋰離子電池的生產(chǎn)制造規(guī)模達(dá)到了空前水平，2019年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)給予了鋰離子電池極高的肯定。而鈉離子電池技術(shù)同樣也起源于歐洲，在全球大規(guī)模儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的今天，特別是在眾多電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，作為最接近鋰離子電池技術(shù)的鈉離子電池將憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢在各類低速電動(dòng)車和儲(chǔ)能等領(lǐng)域擁有廣闊的用武之地。
與鋰離子電池類似，按正極材料分，鈉離子電池主要有層狀氧化物、隧道型氧化物、普魯士藍(lán)類化合物和聚陰離子型化合物體系，各體系特點(diǎn)見表1。
表1 鈉離子電池各體系及特點(diǎn)
2010年以來，鈉離子電池受到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，其相關(guān)研究更是迎來了爆發(fā)式增長。目前，鈉離子電池已逐步開始了從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没瘧?yīng)用的階段，國內(nèi)外已有多家企業(yè)，包括英國FARADION公司，美國Natron Energy公司，法國Tiamat，日本岸田化學(xué)、豐田、松下、三菱化學(xué)，以及我國的中科海鈉、寧德時(shí)代、鈉創(chuàng)新能源等公司，正在進(jìn)行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)布局，并取得了重要進(jìn)展。2018年6月，國內(nèi)首家鈉離子電池企業(yè)中科海鈉推出了全球首輛鈉離子電池(72 V，80 Ah)驅(qū)動(dòng)的低速電動(dòng)車，并于2019年3月發(fā)布了世界首座30 kW/100 kWh鈉離子電池儲(chǔ)能電站，2021年6月推出1 MWh的鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。國內(nèi)在鈉離子電池產(chǎn)品研發(fā)制造、標(biāo)準(zhǔn)制定以及市場推廣應(yīng)用等方面的工作正在全面展開，鈉離子電池即將進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，相關(guān)工作已經(jīng)走在世界前列。
2 鈉離子電池儲(chǔ)能技術(shù)可行性分析
2.1 鈉離子電池原理
鈉離子電池的結(jié)構(gòu)及工作原理(圖2)與鋰離子電池相同，鈉離子電池的構(gòu)成主要包括正極、負(fù)極、隔膜、電解液和集流體。正負(fù)極之間由隔膜隔開以防止短路，電解液浸潤正負(fù)極以確保離子導(dǎo)通，集流體則起到收集和傳輸電子的作用。充電時(shí)，Na+從正極脫出，經(jīng)電解液穿過隔膜嵌入負(fù)極，使正極處于高電勢的貧鈉態(tài)，負(fù)極處于低電勢的富鈉態(tài)。放電過程與之相反，Na+從負(fù)極脫出，經(jīng)由電解液穿過隔膜嵌入正極材料中，使正極恢復(fù)到富鈉態(tài)。為保持電荷的平衡，充放電過程中有相同數(shù)量的電子經(jīng)外電路傳遞，與Na+一起在正負(fù)極間遷移，使正負(fù)極分別發(fā)生氧化和還原反應(yīng)。若以NaxMO2為正極材料，硬碳為負(fù)極材料，則電極和電池的反應(yīng)式可分別表示為
圖2 鈉離子電池工作原理
由上述反應(yīng)可知，鈉離子可以在正極與負(fù)極之間可逆遷移，正極和負(fù)極均由允許鈉離子可逆地插入和脫出的插入型材料構(gòu)成。因此，鈉離子電池同鋰離子電池一樣被稱作“搖椅式電池”。
2.2 技術(shù)可行性分析
鈉離子電池的技術(shù)可行性可以從以下幾方面考慮。
（1）鈉資源儲(chǔ)量豐富，分布均勻，成本低廉，足以支撐電化學(xué)儲(chǔ)能的持續(xù)發(fā)展。
（2）與鋰離子電池工作原理相似，生產(chǎn)設(shè)備大多兼容，短期或長期設(shè)備和工藝投入少，利于成本控制。
（3）鈉離子電池正極和負(fù)極的集流體都可使用廉價(jià)的鋁箔，可進(jìn)一步降低電池體系成本。
（4）鈉離子的溶劑化能比鋰離子更低，即具有更好的界面離子擴(kuò)散能力；同時(shí)，鈉離子的斯托克斯直徑比鋰離子的小，相同濃度的電解液具有比鋰鹽電解液更高的離子電導(dǎo)率；更高的離子擴(kuò)散能力和更高的離子電導(dǎo)率意味著鈉離子電池的倍率性能更好，功率輸出和接受能力更強(qiáng)，已公開的鈉離子電池具備3 C及以上充放電倍率，在規(guī)模儲(chǔ)能調(diào)頻時(shí)應(yīng)用時(shí)，可以得到很好的應(yīng)用。
（5）根據(jù)目前初步的高低溫測試結(jié)果，鈉離子電池高低溫性能更優(yōu)異，在-40 ℃低溫下可以放出70%以上容量，高溫80 ℃可以循環(huán)充放使用，這將在儲(chǔ)能系統(tǒng)層面降低空調(diào)系統(tǒng)的功率配額，也可以降低溫度控制系統(tǒng)的在線時(shí)間，進(jìn)而降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的一次投入成本和運(yùn)行成本。
另外，在所有安全項(xiàng)目測試中，均未發(fā)現(xiàn)起火現(xiàn)象，安全性能更好。鈉離子電池的內(nèi)阻比鋰離子電池稍微高一點(diǎn)，致使在短路等安全性試驗(yàn)中瞬間發(fā)熱量少、溫升較低，這是安全性能好的原因之一。關(guān)于鈉離子電池的報(bào)告表明，由于其電極材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，其比傳統(tǒng)的鋰離子電池更為安全。盡管如此，在人口密集的城市電網(wǎng)附近部署大規(guī)模的電池系統(tǒng)仍需要完全消除火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，鈉離子電池可通過采用不可燃的固態(tài)電解質(zhì)來替代可燃的有機(jī)液體電解質(zhì)，從而形成鈉離子固態(tài)電池。這種固態(tài)電池具有更高的穩(wěn)定性并且可以在更寬的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，從而大大提高鈉離子電池的可靠性和安全性。
2.3 環(huán)境影響
由于鋰離子電池產(chǎn)業(yè)迅速增長，廢棄電池的處理問題成為平衡產(chǎn)業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)問題。但是，任何有效的可持續(xù)發(fā)展策略都離不開各級(jí)廠商的共同合作和相關(guān)的政策制訂者的監(jiān)管。與鋰離子電池相比，鈉離子電池在材料化學(xué)屬性方面具有較大的差異，因其具有更長的預(yù)期使用壽命，鈉離子電池作為電網(wǎng)儲(chǔ)能電池具有更大的優(yōu)勢。如能對(duì)鈉離子電池各組件的化學(xué)成分和元素組成進(jìn)行分類標(biāo)記，勢必大大減小鈉離子電池對(duì)環(huán)境的污染。
3 鈉離子電池儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)可行性分析
3.1 儲(chǔ)能電站全壽命周期成本分析
對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能電站工程，其全生命周期過程包括建設(shè)階段、運(yùn)行階段和投資回報(bào)階段。本文將鈉離子電池儲(chǔ)能電站的全壽命周期成本分為投資成本、財(cái)務(wù)成本、運(yùn)維成本和電力損耗成本4個(gè)部分，其成本結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 儲(chǔ)能電站全壽命周期成本結(jié)構(gòu)
3.2 儲(chǔ)能電站電池系統(tǒng)度電成本模型
對(duì)于各種儲(chǔ)能技術(shù)，以儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電電量為準(zhǔn)，采用平準(zhǔn)化電力成本(LCOS)方法來分析比較不同儲(chǔ)能技術(shù)的成本。本文考慮到鈉離子電池應(yīng)用于儲(chǔ)能電站的成本，主要來源于電池系統(tǒng)的前期初始投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本以及電力損耗，故本文主要分析儲(chǔ)能電站電池系統(tǒng)的度電成本；并充分考慮電池的運(yùn)行特性和壽命特征，建立的儲(chǔ)能電站電池系統(tǒng)的度電成本計(jì)算模型如下
(1)
式中，LCOEESS為儲(chǔ)能系統(tǒng)平準(zhǔn)化全壽命度電成本，元/(kWh)；Cin為初始投資成本，即儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)時(shí)投入的成本，通常包括設(shè)計(jì)、硬件、軟件、工程、采購、施工等產(chǎn)生的總費(fèi)用；Com為運(yùn)行維護(hù)成本，即儲(chǔ)能系統(tǒng)在每年運(yùn)行和維護(hù)過程中產(chǎn)生的費(fèi)用，包含容量維護(hù)成本、功率維護(hù)成本和人工運(yùn)營成本；CL為電力損耗成本，即儲(chǔ)能系統(tǒng)在全生命周期內(nèi)從電網(wǎng)或其他能源電源處充放電花費(fèi)的所有費(fèi)用；E為系統(tǒng)全生命周期上網(wǎng)電量，指儲(chǔ)能系統(tǒng)每年向電網(wǎng)輸出的電量，與儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電效率、儲(chǔ)能容量、年循環(huán)次數(shù)和放電深度等有關(guān)。
各項(xiàng)成本及全生命周期上網(wǎng)電量可由下式表示：
式中，d為儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率下的放電時(shí)間，h；CE為隨容量變化的裝機(jī)成本，元/kWh；CP為隨功率變化的裝機(jī)成本，元/kW；En為儲(chǔ)能系統(tǒng)的標(biāo)稱裝機(jī)容量，kWh；n(t)為第t年的運(yùn)行次數(shù)；O&M為年均單位容量運(yùn)維成本與單位容量單價(jià)的百分比；Pc為充電時(shí)的購電電價(jià)，元/kWh；r為折現(xiàn)率；T為系統(tǒng)壽命，a；ηcyc為儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)效率；ηD為儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電效率；θDOD為儲(chǔ)能系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的充放電深度；θdeg為儲(chǔ)能系統(tǒng)的年平均衰退率。
3.3 模型分析
目前，已建或在建的新型儲(chǔ)能電站，因其不同的技術(shù)路線，為達(dá)到正常運(yùn)行需求，其建設(shè)初期的超配容量、充放電深度、系統(tǒng)效率、年利用率等也不盡相同。通過項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和調(diào)研，本文整理了不同電池體系的相關(guān)性能參數(shù)，不同電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比見表2。
表2 電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)
鉛蓄電池經(jīng)歷近150年的發(fā)展，不論是在理論研究，還是在產(chǎn)品種類、產(chǎn)品電氣性能等方面都得到了長足的進(jìn)步，是最早在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用的一種電池產(chǎn)品。磷酸鐵鋰電池是國內(nèi)目前最廣泛使用的儲(chǔ)能電池，據(jù)GGII統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，儲(chǔ)能領(lǐng)域目前使用磷酸鐵鋰電池占比超過94%，包括新品電池與梯次電池，主要應(yīng)用在UPS、后備電源以及通信儲(chǔ)能等領(lǐng)域。三元鋰電池是在國外儲(chǔ)能項(xiàng)目中廣泛使用的一種電池類型，在國內(nèi)早期的儲(chǔ)能示范項(xiàng)目中也有所應(yīng)用，具有高能量密度、高循環(huán)效率等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)安全性令人擔(dān)憂。鈉離子電池因具有成本低、安全性能高、低溫性能良好、循環(huán)壽命長等特點(diǎn)，有望在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
根據(jù)調(diào)研和文獻(xiàn)公開數(shù)據(jù)，以鉛蓄電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池和鈉離子電池儲(chǔ)能為例，采用前述模型計(jì)算其在調(diào)峰應(yīng)用場景下的全生命周期度電成本，幾種儲(chǔ)能技術(shù)度電成本對(duì)比見表3。
表3 4種電化學(xué)儲(chǔ)能形式的全生命周期度電成本
3.4 鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)度電成本分析
在儲(chǔ)能系統(tǒng)投資成本中，初始容量投資成本一般占據(jù)初始投資的60%以上，該成本主要用于電芯購置。鈉離子電池，尤其銅基鈉離子電池，其正極材料主要元素Na、Cu、Fe和Mn都是價(jià)格低廉、來源廣泛的大宗元素，相比鋰離子電池Li、Ni、Co等元素成本優(yōu)勢明顯；另外，負(fù)極采用的無煙煤前驅(qū)體，其材料來源和成本亦有優(yōu)勢，且碳化溫度(約1200 ℃)遠(yuǎn)低于生產(chǎn)石墨負(fù)極時(shí)的石墨化溫度(約2800 ℃)，鈉離子電池負(fù)極材料在原材料和生產(chǎn)制造方面成本優(yōu)勢明顯；集流體方面，由于銅箔的價(jià)格是鋁箔價(jià)格的3倍左右，鈉離子電池負(fù)極不需要使用銅箔，而是使用鋁箔，也是降低鈉離子電池成本的路徑之一；綜合正極材料、負(fù)極材料和集流體幾個(gè)方面，鈉離子電池材料成本約370元/(kWh)，而且隨著產(chǎn)業(yè)鏈成熟，材料成本有望進(jìn)一步下探，結(jié)合結(jié)構(gòu)件和電氣件成本，初始容量投資有望控制在500～700元/(kWh)；性能方面，隨著研發(fā)持續(xù)投入和技術(shù)迭代，電池循環(huán)壽命有望突破8000次。
從前文儲(chǔ)能電站電池系統(tǒng)度電成本模型看，初始投資成本和循環(huán)壽命是影響度電成本的關(guān)鍵因素，本文進(jìn)一步分析初始容量投資和循環(huán)次數(shù)對(duì)儲(chǔ)能度電成本的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，當(dāng)初始容量投資在500～700元/kWh、循環(huán)次數(shù)在6000周時(shí)，鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)度電成本可實(shí)現(xiàn)0.217～0.285元/kWh；當(dāng)循環(huán)次數(shù)在8000周時(shí)，鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)度電成本可下探至0.2元/kWh以內(nèi)。若能進(jìn)一步改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)和工藝，提高材料利用率，降低材料成本和制造成本，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)壽命，則電站的度電成本可進(jìn)一步降低，可滿足大規(guī)模儲(chǔ)能商業(yè)化應(yīng)用的要求。
圖4 單位容量成本和循環(huán)次數(shù)對(duì)儲(chǔ)能度電成本的影響
與鋰離子電池相比，鈉離子電池能量密度略低，鈉離子電池應(yīng)用于儲(chǔ)能電站，雖然增加了安裝設(shè)備及用地的成本。但是由于鈉離子電池在充放循環(huán)中不用擔(dān)心過放電的問題，放電深度可達(dá)100%，其實(shí)際可用容量近乎等于標(biāo)稱容量。另外，由于鈉離子電池的溫度適應(yīng)性較寬，在充放電過程中的輔助耗能進(jìn)一步降低。在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)，鈉離子電池儲(chǔ)能還可以通過電池結(jié)構(gòu)和工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)，降低制造、運(yùn)維和電池組替換成本，從而降低整個(gè)儲(chǔ)能電站的度電成本。
4 鈉離子電池儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用場景
儲(chǔ)能技術(shù)已被視為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要組成部分。儲(chǔ)能系統(tǒng)在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)的主要應(yīng)用如圖5所示。在引入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，可以實(shí)現(xiàn)需求側(cè)有效管理，消除晝夜間峰谷差，平滑負(fù)荷，高效利用電力設(shè)備，降低供電成本，促進(jìn)可再生能源的應(yīng)用，也可作為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段。鈉離子電池作為一種新型的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域可充分發(fā)揮其低成本的優(yōu)勢，同時(shí)，在例如調(diào)頻、啟動(dòng)電源等應(yīng)用領(lǐng)域，鈉離子電池的大倍率充放特性可以很好地支撐系統(tǒng)運(yùn)行。
圖5 儲(chǔ)能系統(tǒng)主要應(yīng)用場景
4.1 在電源側(cè)的應(yīng)用
隨著大規(guī)模分布式電源并網(wǎng)，電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻資源不足的問題日益凸顯。在發(fā)電側(cè)，鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可與火電機(jī)組配合，發(fā)揮其響應(yīng)速度快、瞬時(shí)功率調(diào)節(jié)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，提供調(diào)頻調(diào)壓服務(wù)。在AGC系統(tǒng)調(diào)度下，鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可與風(fēng)力、光伏等新能源系統(tǒng)配合，提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，減少棄風(fēng)、棄光率。此外，當(dāng)新能源并網(wǎng)點(diǎn)電壓瞬時(shí)跌落時(shí)，儲(chǔ)能裝置可提供緊急功率支撐，增強(qiáng)電網(wǎng)高、低電壓穿越能力。
4.2 在變電站系統(tǒng)中的應(yīng)用
新型電力系統(tǒng)的加速到來，使儲(chǔ)能技術(shù)的作用日益顯現(xiàn)。鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的低成本、高效率的優(yōu)勢將在移峰填谷等應(yīng)用場景中得以體現(xiàn)，可進(jìn)一步降低輸配電損耗，促進(jìn)我國電力市場的完善。隨著電力市場化改革的進(jìn)一步推進(jìn)，輔助服務(wù)市場的競價(jià)機(jī)制也將日趨完善，低成本的鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)必將在競價(jià)體系中占據(jù)優(yōu)勢。同時(shí)，當(dāng)大規(guī)模鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電力現(xiàn)貨市場，也可通過現(xiàn)貨市場交易模式獲得電量收益。
4.3 在負(fù)荷側(cè)中的應(yīng)用
在配電側(cè)，配電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性越來越高，溫度、濕度等環(huán)境條件也對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的儲(chǔ)能產(chǎn)品提出挑戰(zhàn)，鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)因其寬溫區(qū)特性，可適應(yīng)不同緯度地區(qū)的氣候條件，提高分布式電源滲透率，提升配電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。另外，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)在負(fù)荷低谷時(shí)儲(chǔ)能，在負(fù)荷高峰時(shí)發(fā)電，平滑負(fù)荷曲線，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)降低基本電費(fèi)，延緩設(shè)備擴(kuò)容，改善電能質(zhì)量，提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
5 1 MWh鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)示范案例
5.1 系統(tǒng)概況
本項(xiàng)目在中國科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“大規(guī)模儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用示范項(xiàng)目”的支持下，2021年6月28日，中科海鈉聯(lián)合華陽集團(tuán)在山西太原綜改區(qū)聯(lián)合推出了全球首套1 MWh鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(圖6)，并成功投入運(yùn)行。該系統(tǒng)以鈉離子電池為儲(chǔ)能主體，結(jié)合市電、光伏和充電設(shè)施形成微網(wǎng)系統(tǒng)，可根據(jù)需求與公共電網(wǎng)智能互動(dòng)。
圖6 1 MWh鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)示范案例
本項(xiàng)目儲(chǔ)能系統(tǒng)為1 MWh低壓直掛系統(tǒng)，經(jīng)用戶0.4 kV母線并入配電線路，可供廠區(qū)生產(chǎn)、生活用電及充電樁供電等。系統(tǒng)為倉儲(chǔ)式集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用分倉設(shè)計(jì)，分電氣倉及電池倉，電氣倉內(nèi)集成儲(chǔ)能變流器、配電柜、控制柜、消防主機(jī)和EMS能量管理系統(tǒng)，其中儲(chǔ)能逆變器采用雙級(jí)拓?fù)淠K化PCS，16個(gè)30 kW模塊，分為兩個(gè)機(jī)柜，每個(gè)機(jī)柜8個(gè)模塊，共組成480 kW儲(chǔ)能變流器；電池倉由16個(gè)電池簇組成，每個(gè)電池簇由8個(gè)電池插箱和1個(gè)高壓箱組成，總配置容量1.1 MWh。
5.2 系統(tǒng)接入方式
本項(xiàng)目儲(chǔ)能系統(tǒng)通過一路出線接入0.4 kV電壓母線，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)整體架構(gòu)
5.3 儲(chǔ)能單元拓?fù)?/strong>
雙級(jí)拓?fù)淠K化PCS，16個(gè)30 kW模塊分為兩個(gè)機(jī)柜，每個(gè)機(jī)柜8個(gè)模塊，共組成480 kW儲(chǔ)能變流器，可以實(shí)現(xiàn)電池簇單簇管理和交流并聯(lián)，避免電池簇直流側(cè)環(huán)流引起的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提升系統(tǒng)容量發(fā)揮。儲(chǔ)能系統(tǒng)配置就地監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行能量管理和監(jiān)測控制，并負(fù)責(zé)與廠區(qū)微網(wǎng)管理系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和能量管理。
5.4 運(yùn)行情況簡述
本項(xiàng)目自2021年6月28日投運(yùn)以來，執(zhí)行削峰填谷策略，每日一充一放，充放電深度100%DOD，運(yùn)行穩(wěn)定。運(yùn)行期間按照GB/T 36548—2018《電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)測試規(guī)范》對(duì)其進(jìn)行性能測試，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)交流側(cè)平均充電電量1137.41 kWh，平均放電電量957.87 kWh，綜合運(yùn)行效率為84.2%。
6 結(jié)論與建議
通過上文分析，鈉離子電池應(yīng)用于儲(chǔ)能電站在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上是可行的，電池的購置成本和循環(huán)次數(shù)是影響鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)度電成本的主要因素。因此，將鈉離子電池應(yīng)用于儲(chǔ)能電站時(shí)，結(jié)合鈉離子電池的性能特點(diǎn)，提出以下幾點(diǎn)建議：
（1）系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方面，在鈉離子電池未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化之前，建議采用組串式多變流器并聯(lián)集成的系統(tǒng)方案，為鈉離子電池設(shè)計(jì)獨(dú)立的儲(chǔ)能單元，再將多個(gè)獨(dú)立的儲(chǔ)能單元集成在一起形成儲(chǔ)能系統(tǒng)，最大化地發(fā)揮鈉離子電池的能力。
（2）充放電管理方面，建議一方面利用鈉離子電池倍率性能優(yōu)秀的特點(diǎn)，發(fā)揮其在不同應(yīng)用場景的優(yōu)勢；另一方面根據(jù)鈉離子電池的實(shí)際情況開發(fā)更為合適的電池管理系統(tǒng)，研究針對(duì)性、精細(xì)化的控制策略。
（3）完善頂層設(shè)計(jì)，推動(dòng)鈉離子電池儲(chǔ)能政策、法規(guī)、準(zhǔn)則與行業(yè)深度融合，開展鈉離子電池儲(chǔ)能安全性、場景適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性等綜合評(píng)價(jià)研究，推動(dòng)鈉離子電池儲(chǔ)能大規(guī)模示范項(xiàng)目的建設(shè)，加快鈉離子電池規(guī)模化應(yīng)用進(jìn)程。
