中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：5月24日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦，200余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十一屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)在杭州洲際酒店召開(kāi)。此次大會(huì)主題是“堅(jiān)守儲(chǔ)能安全底線，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展”。來(lái)自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國(guó)內(nèi)外駐華機(jī)構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機(jī)構(gòu)等不同領(lǐng)域的718家產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，1952位嘉賓參加了本屆大會(huì)，其中88家企業(yè)展示了儲(chǔ)能產(chǎn)品。
在5月26日下午的“新型儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用”專場(chǎng)，大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院儲(chǔ)能技術(shù)中心主任、研究員李愛(ài)魁分享了主題報(bào)告《高功率密度儲(chǔ)能電池技術(shù)及應(yīng)用》。經(jīng)演講人本人授權(quán)同意，小編整理了演講速記，并將速記內(nèi)容分享如下：
李愛(ài)魁：感謝組委會(huì)給這個(gè)機(jī)會(huì)，和各位同行交流一下高功率的儲(chǔ)能電池技術(shù)，我講的內(nèi)容都是大家已經(jīng)熟知的，也都來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)及其他渠道信息，盡管我沒(méi)有把文獻(xiàn)列出來(lái)。
今天主要匯報(bào)一下我在高功率密度電池技術(shù)領(lǐng)域的個(gè)人心得，主要講兩部分：第一部分，儲(chǔ)能電池功能需求分析，第二部分，高功率密度儲(chǔ)能電池。
碳達(dá)峰、碳中和目前是所有搞能源的人都非常了解的。如圖所示，截至2020年底，太陽(yáng)能、風(fēng)能的裝機(jī)有5.3億-5.4億千瓦，規(guī)劃十年后（2030年）要達(dá)到12億千瓦，激進(jìn)一點(diǎn)還可能達(dá)到16億千瓦。如此大的規(guī)模對(duì)電力系統(tǒng)里有多大的沖擊，需要多大的變革，各方面都有解讀。
針對(duì)以新能源為主的新型電力系統(tǒng)，電源側(cè)的互聯(lián)互濟(jì)和負(fù)荷側(cè)的可預(yù)測(cè)可控制，也就是通過(guò)能源互聯(lián)網(wǎng)的方式，是應(yīng)對(duì)的主要措施。
如此高比例的新能源，最主要的挑戰(zhàn)首先是峰谷差，資源負(fù)荷不匹配導(dǎo)致的區(qū)域性差異就不說(shuō)了，最主要是光伏巨量裝機(jī)帶來(lái)的晝夜電力供給的缺口?，F(xiàn)在我們儲(chǔ)能削峰填谷，是晚上充電，白天放電，顯然以后可能就是白天充電，晚上放電。能源結(jié)構(gòu)的變化會(huì)引起電力系統(tǒng)發(fā)生根本性的變化。主要的挑戰(zhàn)體現(xiàn)在：第一，峰谷差造成的送出通道容量的穩(wěn)定約束，第二，“雙峰”造成的電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率平衡需求，第三是“雙高”造成的電力系統(tǒng)的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。也就是說(shuō)未來(lái)電力系統(tǒng)穩(wěn)定和電力可靠供給是面對(duì)的主要問(wèn)題。 此外，還有一些特殊的事件，比如說(shuō)極端天氣，以及人為的破壞，未來(lái)可能會(huì)成為更高層次的問(wèn)題。我去年6月份的時(shí)候?qū)懥艘黄恼?，《基于新安全觀的智能電網(wǎng)技術(shù)展望》，主要強(qiáng)調(diào)的就是要考慮非技術(shù)因素的電力安全，如電網(wǎng)強(qiáng)互聯(lián)、電力弱連接，電源黑啟動(dòng)等一些概念。
因此，我們可以把儲(chǔ)能列為了兩大部分功能：第一，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。就是雙高下的電力平衡，也就是功率的平衡。第二，電力可靠的供給，也就是雙峰下的電量平衡。儲(chǔ)能在電力和電量的價(jià)值是不一樣的，由此帶來(lái)的儲(chǔ)能價(jià)格、儲(chǔ)能的技術(shù)方式的差異性。我們電化學(xué)儲(chǔ)能的高價(jià)值在哪里？它的價(jià)值來(lái)自于響應(yīng)快的特性，這個(gè)特性在應(yīng)對(duì)雙高電力系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題方面簡(jiǎn)直是不可替代的。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)，特別是電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，首先要面向電力系統(tǒng)穩(wěn)定的需求，優(yōu)先解決穩(wěn)定問(wèn)題，再是電量問(wèn)題。
因?yàn)殡娏科胶饪梢酝ㄟ^(guò)多種方式解決：第一是多方式約束人類用電行為，第二是通過(guò)需求側(cè)資源響應(yīng)、虛擬電廠等各個(gè)方面去解決。但是 “雙高”下電力系統(tǒng)穩(wěn)定靠現(xiàn)有的靈活性調(diào)節(jié)資源是做不到的，當(dāng)然隨著火電機(jī)組比例下降，現(xiàn)有的靈活性資源也是動(dòng)態(tài)變化的。因此，不可或缺的，才是最貴的，當(dāng)把電化學(xué)儲(chǔ)能定義為平衡電量時(shí)，那么儲(chǔ)能價(jià)格就不可能太貴，畢竟電量成本會(huì)分?jǐn)偟诫娰M(fèi)里去，但是如果用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定，那么未來(lái)的價(jià)值是很大的。
因此，高功率密度的儲(chǔ)能電池，應(yīng)該是電池的一個(gè)重要的技術(shù)方向，目前的市場(chǎng)投標(biāo)均是以容量?jī)r(jià)格核算，引導(dǎo)大家朝能量密度、大容量電芯方向發(fā)展，未來(lái)不排除以電力，也就是功率計(jì)價(jià)，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的功率，具體時(shí)間配置跟應(yīng)用工況和電站自身響應(yīng)能力相關(guān)，不做硬性規(guī)定。
具體哪些電池技術(shù)可以作為高功率密度儲(chǔ)能電池，一些沒(méi)有經(jīng)過(guò)工程化應(yīng)用驗(yàn)證的新型電池體系我就不講了，今天還是從鋰離子電池和全釩液流電池的高功率化方向探索。
我多年來(lái)一直從事液流電池，而且我看了一下，這次我們大會(huì)沒(méi)有釩電池的專家來(lái)溝通這方面的相關(guān)信息，所以我還是先介紹一下液流電池技術(shù)。釩液流電池開(kāi)發(fā)的最初目標(biāo)主要是用于長(zhǎng)時(shí)間尺度調(diào)峰的，因?yàn)橐?guī)模大、高安全。但實(shí)際上液流電池的電堆與電解液，就是電化學(xué)單元和能量單元是獨(dú)立分開(kāi)的，因此液流電池沒(méi)有倍率的概念，幾分鐘到幾小時(shí)只跟電解液多少有關(guān)，實(shí)際上是適合用于功率穩(wěn)定的。剛開(kāi)始的時(shí)候功率單元特別貴，因?yàn)槭侨萘坑?jì)價(jià)，當(dāng)初希望用長(zhǎng)時(shí)間電解液稀釋電堆成本，目前看電堆成本下降極快，數(shù)年內(nèi)接近原來(lái)價(jià)格的15%，但電解液受資源波動(dòng)反倒是難以控制，盡管不消耗，但初裝成本和資金成本仍是制約因素。
全釩液流電池的功率密度和成本是負(fù)相關(guān)。（圖示）這是我和國(guó)內(nèi)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室交流的功率密度過(guò)去和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，因此技術(shù)空間還很大，如果未來(lái)用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定，較短時(shí)間尺度的電解液價(jià)格敏感性下降，釩電池能量效率的敏感性也會(huì)進(jìn)一步降低。因此，盡管國(guó)內(nèi)這兩年因?yàn)殁C價(jià)的波動(dòng)，造成大家對(duì)這塊的關(guān)注度不夠，甚至改用別的電解液體系，但我還是建議大家多多關(guān)注，畢竟也是經(jīng)過(guò)大規(guī)模工程化應(yīng)用的技術(shù)路線，任何技術(shù)都在進(jìn)步之中。
接下來(lái)是鋰電池，首先是高功率鋰電池并不代表只有電芯，實(shí)際上高功率會(huì)帶來(lái)很多載荷、絕緣、消防以及電工材料等一系列的革新，專門圍繞高功率去做。在它的模組結(jié)構(gòu)上、溫控上，也要給于特殊考慮，盡管內(nèi)阻進(jìn)行了優(yōu)化，高功率就意味著單位時(shí)間內(nèi)熱量的釋放要比其他的多一些，如果按照其他的結(jié)構(gòu)，可能會(huì)引起熱失控方面的風(fēng)險(xiǎn)。
最近幾年我參觀學(xué)習(xí)很多儲(chǔ)能電站的集裝箱溫控風(fēng)道設(shè)計(jì)，以及消防安全設(shè)計(jì)，我仍然比較認(rèn)可2017年我的鋰電池集裝箱設(shè)計(jì)模式（圖示），從熱管控的角度來(lái)說(shuō)還是很適合的。中心思路是把熱量管控起來(lái)，通過(guò)熱風(fēng)收集，直接把熱氣送給空調(diào)，空調(diào)就會(huì)直接啟動(dòng)，它的制冷效果非常好，而且如果空調(diào)的制冷量不能滿足，這時(shí)候還可以通過(guò)直接排風(fēng)的方式送出箱外，這種方式提高空調(diào)利用率，由于有熱風(fēng)直排系統(tǒng)，提高了空調(diào)溫度啟動(dòng)閾值，降低了儲(chǔ)能電站輔助能耗。
一旦我們把它定位在功率型的，那么電化學(xué)秒級(jí)的支撐能力就是有價(jià)值，可挖掘的，包括分布式穩(wěn)控系統(tǒng)緊急支撐、動(dòng)態(tài)調(diào)壓，還有包括區(qū)域孤網(wǎng)一次調(diào)頻等。我們現(xiàn)在大電力系統(tǒng)的慣性夠大，因此一次調(diào)頻的時(shí)間可以是10秒左右，但是未來(lái)隨著雙高加劇，擾動(dòng)可能就是秒級(jí)，甚至是毫秒級(jí)。那個(gè)時(shí)候，系統(tǒng)內(nèi)毫秒級(jí)、秒級(jí)的支撐，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定就非常有價(jià)值。目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)電池和PCS的秒級(jí)支撐是沒(méi)有很好研究的。我們2017年做的儲(chǔ)能電站，鋰電池過(guò)載能力是150%一分鐘，PCS是120%半小時(shí)，150%半分鐘。這就意味著2萬(wàn)千瓦的電站，在半分鐘之內(nèi)可以支撐3萬(wàn)千瓦的出力，這為長(zhǎng)時(shí)間尺度額定功率設(shè)計(jì)的電化學(xué)儲(chǔ)能電站，在用于短時(shí)間尺度緊急支撐時(shí)的過(guò)載能力研究提供了實(shí)踐依據(jù)。這也提示我們用于功率計(jì)價(jià)時(shí)儲(chǔ)能電站的成本還有很多下降空間，不同時(shí)間尺度的電力裝備指標(biāo)體系也有很多變動(dòng)空間。這對(duì)于儲(chǔ)能支撐系統(tǒng)安全穩(wěn)定是非常有利的。這個(gè)電站的監(jiān)控室內(nèi)接入了分布式穩(wěn)定系統(tǒng)，為穩(wěn)控系統(tǒng)除了高頻切機(jī)、低頻切荷以外，多了一種運(yùn)行模式，這是這個(gè)電站的一個(gè)創(chuàng)新。未來(lái)新型的電力系統(tǒng)里，我們的儲(chǔ)能和穩(wěn)定系統(tǒng)的結(jié)合，應(yīng)該是一個(gè)必選項(xiàng)。
目前這個(gè)電站是處于獨(dú)立運(yùn)行的狀態(tài)，接收分布式穩(wěn)控系統(tǒng)的調(diào)控，沒(méi)有穩(wěn)控指令時(shí)用于孤網(wǎng)調(diào)頻。課通過(guò)主監(jiān)控系統(tǒng)界面手動(dòng)設(shè)置調(diào)頻死區(qū)，還有上下區(qū)的觸發(fā)頻率、截止頻率、保護(hù)頻率，以及下垂系數(shù)等一系列的運(yùn)行定值。特別是下垂系數(shù)，既要考慮頻率平滑效果，也要考慮電站自身成本消耗
這是儲(chǔ)能電站投入前后的監(jiān)控界面。對(duì)于2萬(wàn)千瓦的電站，10%左右的出力，也就是2MW，對(duì)于一個(gè)60萬(wàn)千瓦的小電網(wǎng)系統(tǒng)，就有很好的平滑作用。這樣就會(huì)減少機(jī)組閥門的動(dòng)作，降低機(jī)組的非停概率，這是機(jī)組DCS系統(tǒng)的頻率曲線。之前的調(diào)試數(shù)據(jù)顯示如果增加K值，平滑效果更好，這里需要平衡機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)和儲(chǔ)能電站，找到二者進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)的性價(jià)比平衡點(diǎn)。當(dāng)然這也是未來(lái)儲(chǔ)能電站獨(dú)立調(diào)頻的難點(diǎn)。大家可能以為運(yùn)行參數(shù)基于規(guī)則，但規(guī)則基于什么呢，制定規(guī)則的依據(jù)呢，恐怕仍需要研究二者的價(jià)值。大家除了等待政策，還需要先行先試，為政策出臺(tái)提供理論及實(shí)踐依據(jù)。
此圖可以看出儲(chǔ)能電站在穩(wěn)定方面的作用。對(duì)于一個(gè)60萬(wàn)千瓦的小電網(wǎng)，有個(gè)10萬(wàn)千瓦的主變脫網(wǎng)，以往儲(chǔ)能電站未投運(yùn)時(shí)基本上就需要切一個(gè)5萬(wàn)千瓦的水電機(jī)組，用于保網(wǎng)內(nèi)主電源火電機(jī)組。那么，這次儲(chǔ)能電站在近300毫秒內(nèi)只是出了1.6萬(wàn)千瓦，就使火電機(jī)組安全跨越故障，系統(tǒng)頻率也沒(méi)有劣化到切除水電機(jī)組的高頻率閾值。
比較遺憾的是，由于多種原因，這個(gè)電站一直沒(méi)有接入到火電機(jī)組的機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)里，如果接入到機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)里，它對(duì)機(jī)組的支撐會(huì)更加的精準(zhǔn)，出力也可以量化、考核。現(xiàn)在電站是無(wú)人值守，獨(dú)立運(yùn)行，狀態(tài)及啟?？刂圃陔姀S控制室，調(diào)度有遠(yuǎn)程控制能力，但沒(méi)有具體的調(diào)度策略，僅僅是多了一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)。通過(guò)調(diào)度保護(hù)電網(wǎng)對(duì)外聯(lián)絡(luò)點(diǎn)功能一直沒(méi)有啟用。
以上是我簡(jiǎn)短的介紹，謝謝大家！
