中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：《儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研宄白皮書(shū)》從第一版開(kāi)始，持續(xù)保持著對(duì)新興、熱門(mén)技術(shù)的跟蹤與分析。 本版白皮書(shū)挑選了氫能產(chǎn)業(yè)、天然氣存儲(chǔ)、鈉系電池為大家詳細(xì)介紹。
另外，隨著儲(chǔ)能技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用越來(lái)越多，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，特別是一定應(yīng)用場(chǎng)景下儲(chǔ)能的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)儲(chǔ)能的推廣意義重大?！秲?chǔ)能產(chǎn)業(yè)研究白皮書(shū)2012》對(duì)國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能的標(biāo)準(zhǔn)化工作做了詳細(xì)的分析，本版白皮書(shū)將就這一部分內(nèi)容進(jìn)行更新，并對(duì)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟在儲(chǔ)能應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)方面做得努力進(jìn)行總結(jié)。
一、氫能產(chǎn)業(yè)簡(jiǎn)述
在2014版白皮書(shū)的技術(shù)分冊(cè)中，我們?cè)鴮?duì)氫能產(chǎn)業(yè)的定義、特點(diǎn)、發(fā)展歷程、全球格局以及主要的制氫、儲(chǔ)氫、輸氫、用氫技術(shù)進(jìn)行過(guò)介紹。本部分將在2014版白皮書(shū)的基礎(chǔ)上全面梳理氫能產(chǎn)業(yè)鏈、討論氫能和燃料電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域、分析中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r及支持政策。
1.氫能產(chǎn)業(yè)鏈概述
氫能產(chǎn)業(yè)鏈涉及制氫、儲(chǔ)氫、輸氫和用氫等多個(gè)環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，目前呈現(xiàn)出以下主要特點(diǎn):
氫能領(lǐng)域的企業(yè)主要集中于制氫和燃料電池領(lǐng)域，且除傳統(tǒng)大型工業(yè)氣體生產(chǎn)企業(yè)，氫能領(lǐng)域的公司多成立于最近10年;
在制氫和氫氣供應(yīng)方面,天然氣重整制氫是大型工業(yè)氣體公司生產(chǎn)供應(yīng)氫氣的主要方式，電解水制氫是分布式現(xiàn)場(chǎng)制氫的主要技術(shù);
在氫氣的運(yùn)輸和存儲(chǔ)方面，氫氣的儲(chǔ)存方式?jīng)Q定其輸送方式。高壓儲(chǔ)罐、以氣體方 式進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸，是目前運(yùn)用最多的方式，管道輸氫項(xiàng)目開(kāi)展較少，固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)大多處于研發(fā)階段。另外，專門(mén)開(kāi)展儲(chǔ)氫、輸氫業(yè)務(wù)的公司很少;
在用氫方面，燃料電池是氫能利用的主要方式，化工領(lǐng)域是氫氣的最大消耗部門(mén)，但氫氣僅作為化工原料使用，并不屬于氫能的范疇;
在氫氣-天然氣綜合利用方面，注入燃?xì)夤芫W(wǎng)(Power-to-Gas)和加氫天然氣燃料兩種方式是探索可再生能源大規(guī)模制氫之后氫氣長(zhǎng)距離輸送和就地消納的有效嘗試。
成本和壽命是氫能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)發(fā)展面臨的共同問(wèn)題。未來(lái)隨著可再生能源的大規(guī)模接入和制氫技術(shù)的發(fā)展，利用清潔的風(fēng)能、太陽(yáng)能，高效、安全、大規(guī)模地制取氫氣將成為可能，氫氣有望扮演起能源儲(chǔ)存媒介的角色，以氫氣為基礎(chǔ)的能源體系將獲得更大的發(fā)展空間。
2.氫能和燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域
燃料電池已經(jīng)成為氫能清潔利用的最主要方式，在2014版白皮書(shū)中，我們?cè)治隽巳剂想姵氐娜髴?yīng)用領(lǐng)域，便攜式應(yīng)用、固定式應(yīng)用和交通運(yùn)輸應(yīng)用。本部分我們將詳細(xì)介紹各種應(yīng)用的市場(chǎng)發(fā)展?fàn)顩r。
(1)燃料電池的固定式應(yīng)用
燃料電池固定式應(yīng)用是指燃料電池作為發(fā)電設(shè)備為數(shù)據(jù)中心、商業(yè)樓宇、工業(yè)企業(yè)、居民住宅建筑以及大型發(fā)電站提供清潔、可靠的電力和熱力能源供應(yīng)。主要有燃料電池備用電源、燃料電池微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、分布式燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)電站三種形式。
固定式應(yīng)用是全球燃料電池裝機(jī)規(guī)模最大、增長(zhǎng)速度最快的領(lǐng)域。根據(jù)DOE《2013燃料電池技術(shù)市場(chǎng)報(bào)告》(《2013 Fuel Cell Technologies Market Report》)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2013年,燃料電池固定式應(yīng)用的裝機(jī)規(guī)模已經(jīng)超過(guò)150MW,占到燃料電池總裝機(jī)規(guī)模的近90%。
(2)燃料電池交通運(yùn)輸應(yīng)用
在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，燃料電池有廣泛的應(yīng)用，主要包括乘用車(chē)、公交車(chē)、物料搬運(yùn)設(shè)備、冷藏車(chē)、機(jī)場(chǎng)牽弓{車(chē)和擺渡車(chē)、小型飛機(jī)船舶的輔助動(dòng)力裝置(APU)等。其中，以燃料電池為動(dòng)力的物料搬運(yùn)設(shè)備己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化;2014年12月，豐田率先推出了世界首個(gè)燃料電池汽車(chē)車(chē)型“Mirai”;全球其他大型汽車(chē)制造商，例如現(xiàn)代等，也正在加快燃料電池乘用車(chē)輛商業(yè)化推廣的步伐。
目前,充分配套的加氫設(shè)施和政府支持補(bǔ)貼政策仍然是決定燃料電池汽車(chē)布場(chǎng)化水平和時(shí)間的關(guān)鍵因素。
(3)燃料電池便攜式應(yīng)用
燃料電池便攜式應(yīng)用是利用燃料電池為小型移動(dòng)及便攜式設(shè)備提供電能,應(yīng)用領(lǐng)域包括燃料電池盒、軍用野戰(zhàn)設(shè)備電源、小型燃料電池充電器、電子設(shè)備電源、燃料電池玩具、遠(yuǎn)程遙控設(shè)備電源、工業(yè)輔助動(dòng)力單元(APU)等。
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和直接甲醇燃料電池(DMFC)是目前燃料電池便攜式應(yīng)用的主要技術(shù)解決方案，其面臨的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)象為鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫電池等儲(chǔ)能電池。
由于尚未找到明確的市場(chǎng)定位和商業(yè)模式，在與鋰離子電池、鉛酸電池等的競(jìng)爭(zhēng)中不具優(yōu)勢(shì)，燃料電池便攜式應(yīng)用的發(fā)展十分緩慢，目前商業(yè)化產(chǎn)品和市場(chǎng)規(guī)模仍然有限。
3.中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r及支持政策
(1)中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)政策
中國(guó)政府尚未出臺(tái)專門(mén)針對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的支持政策與發(fā)展規(guī)劃。2014年國(guó)務(wù)院發(fā)布《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》，首次將氫能納入能源政策體系，氫能和燃料電池被 到為20個(gè)重點(diǎn)創(chuàng)新方向之一。
目前,與氫能和燃料電池有關(guān)的政府政策主要集中在科研支持計(jì)劃和新能源汽車(chē)推廣兩個(gè)方面。
(2)中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r
近兩年，受?chē)?guó)際氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的帶動(dòng)和可再生能源大規(guī)模接入的影響，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向和應(yīng)用渠道也逐漸多樣化，與燃料電池備用電源、可再生能源制氫、氫能天然 氣綜合利用有關(guān)的示范項(xiàng)目紛紛啟動(dòng)。具體而言，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出以下特點(diǎn):
中國(guó)煤制氫及提純技術(shù)走在世界最前列;
以國(guó)際合作項(xiàng)目和重大賽事為契機(jī)，開(kāi)展過(guò)一系列燃料電池汽車(chē)示范運(yùn)行項(xiàng)目;
移動(dòng)基站備用電源市場(chǎng)率先發(fā)展，安裝規(guī)模逐年增加;
? 開(kāi)展風(fēng)電制氫綜合利用示范項(xiàng)目，探索利用氫能解決可再生能源的消納問(wèn)題;
? 以HCNG作為汽車(chē)代用燃料，中國(guó)在氫氣天然氣綜合利用方面另辟另辟蹊徑。
(3)中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問(wèn)題
雖然我國(guó)在氫能領(lǐng)域的研發(fā)和示范都取得了一定進(jìn)展，但是氫能尚未成為一種被公眾廣
泛接受的清潔能源，如何把制氫、儲(chǔ)氫、輸氫、用氫等產(chǎn)業(yè)鏈上下游聯(lián)系起來(lái)，如何把氫能 與可再生能源、交通、電力、天然氣等結(jié)合起來(lái)，尚沒(méi)有明確的實(shí)施路徑。就我國(guó)而言，目前氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中遇到的困難和障礙主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
? 中國(guó)氫能發(fā)展缺乏頂層設(shè)計(jì);
? 石化行業(yè)仍然是中國(guó)最大的用氫部門(mén)，需要結(jié)合本國(guó)國(guó)情開(kāi)拓氫能市場(chǎng);
? 大功率質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)仍然落后于國(guó)際先進(jìn)水平;.
? 系統(tǒng)成本高、產(chǎn)業(yè)鏈不完善、無(wú)法完全國(guó)產(chǎn)化和量產(chǎn)化等問(wèn)題阻礙了燃料電池的商業(yè)化;
? 氫能及燃料電池的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化體系不完善，無(wú)法跟上市場(chǎng)化進(jìn)程;
? 中國(guó)車(chē)企氫燃料電池汽車(chē)的開(kāi)發(fā)布局落后于世界著名車(chē)企。
二、 天然氣存儲(chǔ)簡(jiǎn)述
1.天然氣存儲(chǔ)技術(shù)簡(jiǎn)介
按存儲(chǔ)方式的不同，天然氣存儲(chǔ)可分為氣態(tài)存儲(chǔ)、液態(tài)存儲(chǔ)和固態(tài)存儲(chǔ)。其中，氣態(tài)存儲(chǔ)主要包括地下儲(chǔ)氣庫(kù)存儲(chǔ)、儲(chǔ)氣罐存儲(chǔ)、管道存儲(chǔ)、壓縮天然氣(CNG)存儲(chǔ)、吸附天然氣(ANG)存儲(chǔ)和近臨界流體存儲(chǔ)等;液態(tài)存儲(chǔ)主要指采用液化天然氣(LNG)方式存儲(chǔ); 固態(tài)存儲(chǔ)主要指采用天然氣水合物(NGH)的形式存儲(chǔ)。目前天然氣儲(chǔ)存的主要方式還是氣 態(tài)存儲(chǔ)，其他存儲(chǔ)方式應(yīng)用的較少。
而氣態(tài)存儲(chǔ)方式中，相比于其他儲(chǔ)氣技術(shù)，地下儲(chǔ)氣庫(kù)具有庫(kù)容大、安全性好、造價(jià)和 運(yùn)行費(fèi)用較低、持久耐用等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今世界上主要的天然氣儲(chǔ)存方式和手段，也是城市最主要和最經(jīng)濟(jì)的供氣調(diào)峰方式。本部分內(nèi)容將主要對(duì)地下儲(chǔ)氣庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)的重要性、技術(shù)、 發(fā)展規(guī)劃、存在問(wèn)題等進(jìn)行梳理與介紹。
2.天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)的重要性
地下儲(chǔ)氣庫(kù)多建在靠近天然氣用戶城市的附近，能很好地滿足用戶的調(diào)峰需求。許多天 然氣生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)都把地下儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)作為天然氣上下游一體化工程的一個(gè)重要組成部分進(jìn)行總體規(guī)劃，其主要作用和功能包括：
? 協(xié)調(diào)供求關(guān)系與調(diào)峰;
? 實(shí)施戰(zhàn)略儲(chǔ)備，保證供氣的可靠性和連續(xù)性：
? 有助于生產(chǎn)系統(tǒng)和輸氣管網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)化;
? 影響氣價(jià)，實(shí)現(xiàn)價(jià)格套利;
? 提供應(yīng)急服務(wù);
? 為其它國(guó)家提供儲(chǔ)氣商業(yè)服務(wù)。
3.天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)的技術(shù)
按照地質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分，地下儲(chǔ)氣庫(kù)主要有四種類(lèi)型：枯竭油氣田型儲(chǔ)氣庫(kù)、含水多孔地層型儲(chǔ)氣庫(kù)、鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)、廢棄煤礦井型儲(chǔ)氣庫(kù)。
枯竭油氣田，是目前全球使用最廣泛、運(yùn)行最久的一種儲(chǔ)氣庫(kù)，也是中國(guó)首選的儲(chǔ)氣庫(kù)類(lèi)型。它通過(guò)油氣田原有的生產(chǎn)井和建庫(kù)時(shí)增加的氣井向枯竭的油氣層注入或采出天然氣，具有儲(chǔ)氣量大、可靠性好的特性。另外，原有油氣井的一些設(shè)備也都可以投入使用，因此可以縮短建庫(kù)周期、節(jié)省一定的投資和運(yùn)行費(fèi)用。
含水多孔地層型儲(chǔ)氣庫(kù)，選擇有足夠面積和厚度、其上有良好不滲透覆蓋層的砂巖或砂層(含水多孔地層)，人為地將天然氣注入，水被排出，天然氣充滿空隙而形成的一種人工氣藏。這類(lèi)儲(chǔ)氣庫(kù)的儲(chǔ)量巨大，可以存儲(chǔ)幾十億立方米的天然氣，每年循環(huán)1次，但氣— 水界面較難控制、建設(shè)周期長(zhǎng)、投資和運(yùn)行費(fèi)用高、風(fēng)險(xiǎn)較大。
鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)，是目前重點(diǎn)研宄的一類(lèi)儲(chǔ)氣庫(kù)。利用地下較厚的鹽層或鹽丘，采用人工方式在鹽層或鹽丘中制造洞穴形成儲(chǔ)存空間來(lái)存儲(chǔ)天然氣。鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)的墊層氣用率高 (必要時(shí)，墊層氣可完全回收)，工作氣量注采率高，年注采循環(huán)為4-6次，可以拆分為若 干期建造，較快地投入使用。缺點(diǎn)是投資和運(yùn)行費(fèi)用高、儲(chǔ)氣容量較小、技術(shù)難度大。
廢棄煤礦井型儲(chǔ)氣庫(kù)，利用廢棄煤礦等遺留的洞穴來(lái)儲(chǔ)存天然氣。這類(lèi)儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)費(fèi)用低，但存在嚴(yán)重缺陷，例如，采出儲(chǔ)存氣體的質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化，熱值有所降低;密封性差，存在氣體向地面泄露的危險(xiǎn)。
不同的儲(chǔ)氣庫(kù)技術(shù)有不同的特點(diǎn)及用途，不同地理?xiàng)l件及需求的地區(qū)可因地制宜發(fā)展不同類(lèi)型的儲(chǔ)氣庫(kù)。目前，中國(guó)主要采用的儲(chǔ)氣庫(kù)技術(shù)主要有枯竭油氣田型儲(chǔ)氣庫(kù)和鹽穴型儲(chǔ)氣庫(kù)，含水多孔地層型儲(chǔ)氣庫(kù)和廢棄煤礦井型儲(chǔ)氣庫(kù)則應(yīng)用的較少。
4.國(guó)天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)現(xiàn)狀及規(guī)劃
(1)中國(guó)天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)現(xiàn)狀及規(guī)劃
中國(guó)從1999年開(kāi)始，先后建設(shè)了大港儲(chǔ)氣庫(kù)群、京58儲(chǔ)氣庫(kù)群和劉莊儲(chǔ)氣庫(kù)。2012 年的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)的實(shí)際工作氣量為30億立方米，天然氣表觀消費(fèi)量為1471億立方米，儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣量?jī)H占天然氣消費(fèi)量的2%,遠(yuǎn)低于美國(guó)的14.2%和世界平均水平11:3%。
2013年，隨著華北蘇橋、新疆呼圖壁、重慶相國(guó)寺、遼河雙6等儲(chǔ)氣庫(kù)的投產(chǎn)，當(dāng)年新增設(shè)計(jì)工作氣量116億立方米，截止到2013年底，中國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)(含中國(guó)石化的中原油由文96儲(chǔ)氣庫(kù))的設(shè)計(jì)工作氣量達(dá)到164.92億立方米，以油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)為主，主要分布在'氣源所在地、天然氣消費(fèi)中心以及大型骨干管網(wǎng)附近。
但考慮到儲(chǔ)氣庫(kù)從投產(chǎn)到達(dá)到設(shè)計(jì)工作氣量的時(shí)間長(zhǎng),而季節(jié)調(diào)峰氣需求逐年迅速增長(zhǎng)等因素，目前中國(guó)儲(chǔ)氣能力建設(shè)仍嚴(yán)重滯后，急需根據(jù)全國(guó)天然氣管網(wǎng)布局，加快建設(shè)儲(chǔ)氣設(shè)施。
根據(jù)規(guī)劃，“十二五”期間將新增儲(chǔ)氣庫(kù)工作氣量約220億立方米，約占2015年天然氣消費(fèi)總量的9%，城市應(yīng)急和調(diào)峰儲(chǔ)氣能力達(dá)到15億立方米。未來(lái)，預(yù)計(jì)中國(guó)將形成四大區(qū)域性聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)的儲(chǔ)氣庫(kù)群：東北儲(chǔ)氣庫(kù)群、華北儲(chǔ)氣庫(kù)群、長(zhǎng)江中下游儲(chǔ)氣庫(kù)群和珠江三角洲儲(chǔ)氣庫(kù)群。
(2)中國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)營(yíng)管理及價(jià)格機(jī)制
中國(guó)天然氣產(chǎn)業(yè)仍然是上中下游一體化的運(yùn)營(yíng)模式，天然氣生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及銷(xiāo)售主要是由中國(guó)右油、中國(guó)石化等國(guó)有大型石油公司運(yùn)營(yíng)管理。儲(chǔ)氣庫(kù)與歐美國(guó)家的早期運(yùn)營(yíng)模式一樣，作為管道的輔助設(shè)施與管道捆綁在一起，沒(méi)有成為天然氣產(chǎn)業(yè)鏈中的獨(dú)立環(huán)節(jié)。雖然2010年以后出現(xiàn)了國(guó)家投資的儲(chǔ)氣庫(kù),但是儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)營(yíng)模式?jīng)]有發(fā)生根本性的變化。 目前，中國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)的主要作用還是協(xié)調(diào)供求和調(diào)峰、優(yōu)化生產(chǎn)和管網(wǎng)運(yùn)行以及應(yīng)急與戰(zhàn)略儲(chǔ) 備等方面。
經(jīng)過(guò)2011年和2013年兩次天然氣價(jià)格改革之后，中國(guó)的天然氣定價(jià)方法由成本加成 法轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)凈回值定價(jià)法，價(jià)格管理由出廠環(huán)節(jié)調(diào)整到門(mén)站環(huán)節(jié)，國(guó)家發(fā)改委規(guī)定各省門(mén)站價(jià)格的最高上限，同時(shí)建立了天然氣價(jià)格與可替代能源價(jià)格的動(dòng)態(tài)掛鉤機(jī)制。
自前，中國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)一直是管道的輔助設(shè)施，沒(méi)有單獨(dú)定價(jià)，儲(chǔ)氣環(huán)節(jié)發(fā)生的投資、成本費(fèi)用都是與管道的經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算捆綁在一起，相應(yīng)的儲(chǔ)轉(zhuǎn)費(fèi)計(jì)入到管輸費(fèi)中，與管輸費(fèi)一并收取，沒(méi)有在天然氣價(jià)格體系中單獨(dú)設(shè)立“儲(chǔ)氣費(fèi)”科目。例如，2003年國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的西氣東輸管道的全線管道平均運(yùn)價(jià)(包含儲(chǔ)氣費(fèi)用)為0.79元/立方米。
5.中國(guó)天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)存在的問(wèn)題
目前地下儲(chǔ)氣庫(kù)仍然是主要的調(diào)峰方式，將國(guó)內(nèi)地下儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)、運(yùn)營(yíng)與市場(chǎng)面臨的各種挑戰(zhàn)與問(wèn)題梳理清楚，并提出相應(yīng)的政策建議，通過(guò)完善政策機(jī)制引導(dǎo)有效市場(chǎng)的建立，是目前天然氣存儲(chǔ)所亟需的。中國(guó)天然氣儲(chǔ)氣庫(kù)發(fā)展面臨的主要問(wèn)題有：
? 儲(chǔ)氣責(zé)任界定不明確;
? 儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)缺失，運(yùn)營(yíng)安全隱患大;
? 監(jiān)管不到位且無(wú)法可依;
? 價(jià)格不透明，不和于市場(chǎng)進(jìn)行有效競(jìng)爭(zhēng);
? 盈利模式缺乏，各類(lèi)資本投資積極性不高。
三、鈉系電池研究進(jìn)展
隨著電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模推廣和應(yīng)用’鋰離子電池的快速發(fā)展和應(yīng)用必然會(huì)導(dǎo)致鋰資源緊缺和成本上升，從而影響它的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性和大規(guī)模持續(xù)供給?？紤]到鈉和鋰具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，并且鈉資源豐富、成本低廉，近年來(lái)鈉系電池得到日益廣泛的研宄和重視，未來(lái) 在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中將有很大的發(fā)展?jié)摿Α?
1.鈉離子電池
鈉離子電池與鋰離子電池結(jié)構(gòu)和原理相似，正負(fù)極材料均采用鈉離子容易嵌入/脫嵌的
活性材料，電解質(zhì)是溶解有鈉離子的有機(jī)溶劑或采用鹽類(lèi)摻雜的固態(tài)聚合物。鈉離子電池原材料價(jià)格低廉、儲(chǔ)量豐富，已成為近期儲(chǔ)能領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向之一。
通過(guò)借鑒鋰離子電池材料研宄經(jīng)驗(yàn)，鈉離子電池材料研究近年來(lái)進(jìn)展較多、技術(shù)發(fā)展較快。鈉離子電池研發(fā)的關(guān)鍵在于材料的開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)長(zhǎng)壽命電池的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)出具備可逆脫/嵌鈉離子特性的材料，包括正極材料、負(fù)極材料和電解質(zhì)。一些典型的鈉離子電池正負(fù)極材料、電解質(zhì)材料如表1示。
表1鈉離子電池關(guān)鍵材料
鈉離子電池的發(fā)展表現(xiàn)特點(diǎn)和趨勢(shì)：
將鋰離子電池電極材料直接類(lèi)比應(yīng)用到鈉離子電池中是開(kāi)發(fā)鈉離子電池體系的捷徑和首選思路;
由于鈉離子與鋰離子在離子半徑、化學(xué)活性等自身特性方面有所不同，使得鈉離子電池雖可以在一定程度上借鑒鋰離子電池材料的化學(xué)組成,但還需要針對(duì)鈉離子的物理化學(xué)性質(zhì)、電極材料的晶體結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理獨(dú)立地開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)新型鈉離子電池體系;
由于堿性離子(鋰離子、鈉離子、鉀離子等)之間具有相似的化學(xué)性質(zhì)，在鋰離子 電池電極材料的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)可以實(shí)現(xiàn)多種堿性離子共嵌入的正負(fù)極材料也是鈉離子電池電極材料開(kāi)發(fā)的一個(gè)方向，以此可以大幅提高材料的儲(chǔ)能容量和應(yīng)用范圍。
2.水性鈉離子電池
水性鈉離子電池使用水作為電解液，與使用液態(tài)有機(jī)電解液的電池相比，在成本和安全 性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。由于部分鈉離子電池電極材料的氧化還原電位處于水穩(wěn)定電壓窗口內(nèi), 因此鈉離子電池具備應(yīng)用水性電解液的條件，水性鈉離子電池也成為鈉系電池不同與鋰系電池的重要方面。鈉離子和水溶液體系自身的化學(xué)性質(zhì)是影響水性鈉離子電池電極的材料體系開(kāi)發(fā)應(yīng)用的最主要因素。目前所報(bào)道的全電池體系大致可以分為以下兩類(lèi)：
(1)非對(duì)稱電容型水性鈉離子電池
在“電容負(fù)極/嵌入正極”型水性鈉離子電池中，負(fù)極采用高比表面活性碳材料，反應(yīng)原理為鈉離子在表面的吸附/脫附反應(yīng);正極則采用高電勢(shì)嵌鈉化合物，反應(yīng)過(guò)程為鈉離子的嵌入脫出機(jī)理。因此，這類(lèi)電池又稱為混合型水系鈉離子電容電池。
由于反應(yīng)原理簡(jiǎn)單、原料豐富且價(jià)格低廉，這類(lèi)材料體系非常適合諸如電網(wǎng)調(diào)峰、分布式儲(chǔ)電等應(yīng)用。美國(guó)Aquion Energy公司已將這種電池進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)。
(2)嵌入型水性鈉離子電池
“嵌入負(fù)極/嵌入正極”水性鈉離子電池的反應(yīng)原理與鋰離子電池的“扶搖椅式”反應(yīng)體系相似，即充電過(guò)程表現(xiàn)為鈉離子從正極富鈉晶格中脫嵌出來(lái)進(jìn)入溶液，同時(shí)溶液中鈉離 子嵌入負(fù)極晶格;放電過(guò)程正好與之相反。
目前Alveo Energy公司正基于這種材料體系開(kāi)發(fā)新型低成本水性電池。
3.中低溫鈉硫電池
在《儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研宄白皮是2011》中，我們?cè)鴮?duì)鈉硫電池做過(guò)詳細(xì)介紹，目前儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用的鈉硫電池通常需要較高的運(yùn)行溫度(300~40(TC),由于運(yùn)行溫度很高，對(duì)材料的性能、 生產(chǎn)工藝、電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的安全管理都提出了很高的要求，為此中低溫鈉硫電池成 為研宄的主要方向。
(1)中溫鈉硫電池
最近，美國(guó)西南太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)對(duì)中溫Na-S電池進(jìn)行了研宄，設(shè)計(jì)了平板式的鈉硫電池結(jié)構(gòu)并取得了較好的結(jié)果。該結(jié)構(gòu)采用厚度為600um的β-Al2O3陶瓷片作為 固體電解質(zhì)，Nal的四乙二醇二甲醚溶液作為陰極溶劑，在150℃下具有較好的電化學(xué)性能。
(2)室溫鈉硫電池
目前對(duì)室溫Na-S電池的研宄借鑒了Li-S電池的概念，因此存在著與鋰硫電池類(lèi)似的問(wèn)題。受限于硫正極電化學(xué)活性低、放電中間產(chǎn)物易溶于電解液等缺點(diǎn)，室溫鈉硫電池存在正 極活性物質(zhì)利用率低、循環(huán)性能差等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了其性能發(fā)揮和實(shí)際應(yīng)用。2014年中 科院化學(xué)所郭玉國(guó)研宄團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性地將小硫分子正極應(yīng)用于鈉硫電池中，并配合鈉負(fù)極和碳酸酯電解液組裝出室溫下即可工作的原型電池。實(shí)驗(yàn)顯示，該電池可實(shí)現(xiàn)良好的倍率性能， 循環(huán)壽命超過(guò)200周，是已報(bào)道室溫鈉硫電池體系中最高的。
4.ZEBRA 電池(Na-Beta電池)
ZEBRA電池是1978年由南非Zebra Power Systems公司的Coetzer發(fā)明的一種基于 Beta-Al203陶瓷電解質(zhì)的二次電池，又稱Na-Beta電池。ZEBRA電池包括液態(tài)的鈉負(fù)極、金屬氯化物材料(NiCl2,和少量FeCl2)的正極以及鈉離子導(dǎo)體β-Al2O3陶瓷電解質(zhì)。
在放電過(guò)程中金屬鈉負(fù)極被氧化產(chǎn)生的鈉離子通過(guò)鈉離子導(dǎo)體β-Al2O3固態(tài)鈉電解質(zhì) 以及由氯化鈉和三氯化鋁混合熔液組成的次級(jí)電解液到達(dá)NiCl2正極，充電過(guò)程則相反。
與鈉硫電池類(lèi)似，降低運(yùn)行溫度、降低系統(tǒng)成本是Na-Beta電池的主要研發(fā)方向，美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在這方面取得了一系列的研宄成果。目前美國(guó)GE公司成功的開(kāi)發(fā)了 Durathon鈉鹽電池技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了ZEBRA電池的實(shí)用化。
5.鈉系電池綜合比較
上述四類(lèi)電池的綜合比較如表2示。
表2系電池發(fā)展?fàn)顩r比較
資料來(lái)源：CNESA
盡管各種鈉系電池;技術(shù)在性能特點(diǎn)和發(fā)展程度上有所差異，但大規(guī)模、高安全性、低成本、高能量和功率密度、長(zhǎng)壽命是今后各種鈉系電池一致的發(fā)展方向。目前鈉系電池的研發(fā)還需要進(jìn)一步對(duì)電池關(guān)鍵材料和關(guān)鍵反應(yīng)界面進(jìn)行研宄和評(píng)價(jià)，以增強(qiáng)電池的電化學(xué)性能和安全可靠性。由于鈉系電池自身特點(diǎn)更加適合儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用，未來(lái)在提升電池性能的同時(shí)還需要在鈉系電池產(chǎn)業(yè)化的道路上繼續(xù)探索，為鈉系電池尋找合適的應(yīng)用場(chǎng)景，使鈉案電池在降低儲(chǔ)能系統(tǒng)成本、提升儲(chǔ)能系統(tǒng)功效方面發(fā)揮更大作用。
四、其他儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展
2014年儲(chǔ)能技術(shù)保持快速發(fā)展，除了上節(jié)重點(diǎn)介紹的鈉系電池體系，鋰離子電池(含鋰硫電和鋰空氣電池)和液流電池仍然是儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域。此外，液態(tài)金屬電池、 液化空氣電池新型儲(chǔ)能技術(shù)不斷涌現(xiàn)并投入示范運(yùn)行，也成為2014年儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)的一大亮點(diǎn)。2014年儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)特點(diǎn)如下：
開(kāi)發(fā)新型電解液體系是液流電池研發(fā)的主要方向;
開(kāi)發(fā)新型電解質(zhì)體系，匹配硅、金屬鋰等負(fù)極材料是提高鋰離子電池的能量密度和循環(huán)壽命的重要途徑;
鋰硫電池是高比能量?jī)?chǔ)能電池技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)方向;
鋰空氣電池的研發(fā)持續(xù)推進(jìn)，距離實(shí)際應(yīng)用尚有一定距離。
五、儲(chǔ)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)平臺(tái)介紹
為了推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟從2014年起開(kāi)始啟動(dòng)儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)平臺(tái)的建設(shè)?！秲?chǔ)能產(chǎn)業(yè)研宄白皮書(shū)2012》中，對(duì)儲(chǔ)能的標(biāo)準(zhǔn)制定情況做了詳細(xì)的介紹，本部分將更新相關(guān)內(nèi)容,為讀者詳細(xì)介紹中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)平臺(tái)的建設(shè)思路, 以期收獲廣大讀者的寶貴建議，更好的推動(dòng)此項(xiàng)工作的開(kāi)展。
1.國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作總結(jié)
目前，國(guó)內(nèi)外己經(jīng)有多家組織/機(jī)構(gòu)在從事儲(chǔ)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化H;作，其中，最具權(quán)威性的組織/機(jī)構(gòu)，國(guó)際上主要有：國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)、電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE);國(guó)內(nèi)主要有中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)(CEC)、中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)(CEEIA)、國(guó)家電網(wǎng)等。這些機(jī)構(gòu)目前在儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)、以及與儲(chǔ)能相關(guān)性較大的應(yīng)用領(lǐng)域(例如分布式發(fā)電)方面取得的成果如圖1所示。
2.具體應(yīng)用場(chǎng)景下儲(chǔ)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
目前，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)針對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)在具體應(yīng)用場(chǎng)景下的標(biāo)準(zhǔn)研究尚屬早期，除了技術(shù)上相對(duì)成熟的抽水蓄能、鉛酸電池技術(shù)，與其他化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還處在術(shù)語(yǔ)描述、接入標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等起步階段，具體如下：
? 鉛酸電池在具體應(yīng)用場(chǎng)景下的標(biāo)準(zhǔn)化研宄工作，相對(duì)于其他技術(shù)，最為全面，例如lEEE制定了鉛酸電池在偏遠(yuǎn)環(huán)境、可再生能源并網(wǎng)、靜態(tài)場(chǎng)景下應(yīng)用時(shí)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn);
? 與電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)的儲(chǔ)能電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定較多，但多局限于動(dòng)力電池、電動(dòng)汽車(chē)充電領(lǐng)域，電動(dòng)汽車(chē)作為儲(chǔ)能元件應(yīng)用于電力系統(tǒng)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還很欠缺;
? 儲(chǔ)能應(yīng)用于分布式微網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定近期也進(jìn)行了較多的工作，但仍屬于起步階 段，只在部分標(biāo)準(zhǔn)中零星涉及儲(chǔ)能的一些描述;
? 除具體應(yīng)用場(chǎng)景外，儲(chǔ)能與電力系統(tǒng)相連方面，國(guó)內(nèi)外也都做了相關(guān)研宄，例如lEEE智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中的P2030.2TN (《與電力基礎(chǔ)設(shè)施整合的儲(chǔ)能系統(tǒng)互操作性指南》)、lEEE P2030.3 (《電力系統(tǒng)應(yīng)用的電力儲(chǔ)備設(shè)備和系統(tǒng)的測(cè)試流程標(biāo)準(zhǔn)》)以及國(guó)內(nèi)—些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。但這些標(biāo)準(zhǔn)基本上局限于系統(tǒng)安裝、測(cè)試等方面，具體的儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)要求并沒(méi)制定。
盡管目前已出臺(tái)或正在制定的具體應(yīng)用場(chǎng)景下的儲(chǔ)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還很缺乏,但在國(guó)外一些政府支持項(xiàng)目、企業(yè)招標(biāo)項(xiàng)目中，例如加州自發(fā)電激勵(lì)計(jì)劃、美國(guó)能源部SHINES計(jì)劃、Con Edison需求管理項(xiàng)目、PJM調(diào)頻市場(chǎng)等，針對(duì)具體應(yīng)用，已經(jīng)出現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)性能的具體要求。這些或可為推廣儲(chǔ)能應(yīng)用、制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所借鑒。
(文章來(lái)源：《儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研究白皮書(shū)2015》，系北極星電力網(wǎng)編輯整理，如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)源。)
