中國儲能網(wǎng)訊：儲能行業(yè)的拐點已經(jīng)來臨，鉛炭儲能電池的成本在2016年下降了30%以上，已經(jīng)具備經(jīng)濟性。我們寫作關于鉛炭電池的系列文章，希望大家能夠更好地認識鉛炭電池，以及鉛炭電池在儲能當中的應用。
這個系列文章分為“上游材料篇”、“中游電池篇”和“下游應用篇”。
“上游材料篇”，側重介紹鉛炭電池最重要的原材料鉛的來源、分布、價格形成機制及交易模式等。
“中游電池篇”側重介紹鉛炭電池技術及鉛炭電池的系統(tǒng)結構，同時與其他幾種重要的儲能方式進行比較，突出了鉛炭電池低成本、高效率的特點。
“下游應用篇”則主要介紹鉛炭電池的實際應用，包括系統(tǒng)構成、應用場景的比較及財務測算等，力求說明鉛炭電池應用領域的一些重要問題。
我們認為，2017年將是儲能行業(yè)項目、收益同時爆發(fā)的元年，鉛炭電池作為技術成熟、適用范圍廣、效率高、循環(huán)次數(shù)高等多方面都具備優(yōu)勢的儲能形式，將成為發(fā)電側調峰調頻及用戶側削峰填谷的重要儲能形式。
下游應用篇
思考的問題
1、鉛炭儲能電池的結構、系統(tǒng)結構是什么樣的？
2、鉛炭電池的成本分析
3、鉛炭電池可以運用于哪些領域？
4、鉛炭電池的優(yōu)勢和現(xiàn)在存在的問題有哪些？
重要結論
鉛炭電池通過對傳統(tǒng)鉛酸電池負極的改性，及與超級電容器相配合，提高了電池的循環(huán)次數(shù)、充放電倍率，從而提升了效率。目前，鉛炭電池的每Wh成本已經(jīng)降低至0.6元左右，且隨著規(guī)模效應影響提升，成本有進一步降低的趨勢。與蓄水儲能相比，鉛炭電池受環(huán)境等客觀因素限制較小，與鋰電池儲能相比，鉛炭電池成本僅為鋰電成本的約1/3，經(jīng)濟性明顯。
1.鉛炭電池儲能技術
在電網(wǎng)規(guī)模儲能應用和混合動力汽車等領域，通常電池需要在高電流密度條件下循環(huán)，即高倍率充放電操作，使得鉛酸電池常常由于負極硫酸鹽化而失效，從而極大地影響鉛酸電池的使用壽命。而鉛炭電池就是在傳統(tǒng)鉛酸電池的基礎上加入碳，極大地提高了鉛酸電池的壽命。
1.1鉛炭電池的構成
鉛炭電池是一種特殊的電容型鉛酸電池，傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池單體是由一個二氧化鉛正極板和一個海綿狀鉛負極板組成，而不對稱超級電容器則是由二氧化鉛正極板和碳負極板組成。由于二者有共同的正極板，因此可以將二者復合在同一電池體系內，即形成所謂的鉛炭電池。圖1展示了從傳統(tǒng)鉛酸電池到鉛炭電池兩者結構上的發(fā)展與變化。
從圖1可以看出，相比于傳統(tǒng)鉛酸電池，鉛炭電池在負極加入了碳材料。碳材料的加入加速了轉化過程中活性物質的轉化，活性炭表面形成了新的活性中心，降低了極板充電過程中的極化，并抑制硫酸鉛顆粒長大，有利于硫酸鉛的還原。所以在鉛酸蓄電池中加入適量的碳能夠有效抑制硫酸鉛晶體在負極表面的積累，減緩硫酸鹽化的趨勢，使得電池循環(huán)的壽命顯著增加。
同時，與在高倍率充放電過程中，超級電容器能夠快速提供和吸收電荷，發(fā)揮緩沖器的作用。因此與超級電容器的配合提高了電池的功率，延長了電池循環(huán)壽命。
1.2儲能系統(tǒng)構成
儲能系統(tǒng)中，除了電池的應用以外，還涉及到了電池管理系統(tǒng)（BMS）以及過程控制系統(tǒng)（PCS）等。BMS主要用于估測動力電池組的荷電狀態(tài)，即電池剩余電量；在電池充放電過程中進行動態(tài)監(jiān)測等，是電池能量管理系統(tǒng)中的一項關鍵技術。圖2展示了儲能電站運營管理系統(tǒng)的示意圖。
當儲能電站配合光伏并網(wǎng)發(fā)電時，光伏組件首先利用太陽能電池板的光伏效應將光能轉換為電能，之后對電池組進行充電，通過逆變器將直流電轉換為交流電對負載進行供電；BMS根據(jù)日照強度與負載的變化，實時調節(jié)蓄電池組的充放電狀態(tài)，使整個系統(tǒng)保持了連續(xù)性和穩(wěn)定性。
電池組在整個儲能系統(tǒng)中起到了能量調節(jié)和平衡負載的重大作用。它在用電低谷時將電能轉化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。而鉛炭電池本身更好的充放電接收能力（100%深度放電后，以2.35V/單位恒壓限流0.15C10(A)充電10小時，充電量在放出電量的98%以上）；極低的自放電；以及70%DOD預期循環(huán)壽命4000次、可回收的特性，使得鉛炭電池相對于儲能系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的鉛酸電池更具有優(yōu)勢。
2.鉛炭電池成本分析
由第一部分分析可知，鉛炭電池是由傳統(tǒng)的鉛酸電池與超級電容器結合產(chǎn)生的新型鉛酸電池，另外，在實踐中，由于因此鉛炭電池的成本與價格受到一系列要素價格的影響，包括：活性炭價格與供給量、鉛價格波動、電容器價格以及其他因素例如添加劑石墨烯等。
從圖4中可以看到，2016年下半年，活性炭價格先有一個明顯下跌，之后緩慢回升。此系列的上一篇報告中分析可以知道，近些年來鉛資源的價格大體呈先較為穩(wěn)定的狀態(tài)，但在近半年價格有一定幅度的提升，具體走勢圖見圖5。
從各項原材料影響程度來看，理論上鉛炭電池價格很大程度是由鉛價格來決定的，對于鉛的需求彈性較小，鉛價的波動很可能造成鉛炭電池成本的增加。但另一方面，通常公司對下游客戶存在價格聯(lián)動，有時間差，所以鉛價的波動也有可能給雙方帶來盈利。至于導電性、延展性能都很好的石墨烯，相比于活性炭而言，由于其高昂的價格，使得鉛炭電池目前對于石墨烯的需求彈性較大，在加工過程中，更為普遍的做法是加入一定量的活性炭來對傳統(tǒng)鉛酸電池性能進行改善。
3.應用
由于使用了鉛炭技術，鉛炭電池的性能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，同時又具有與傳統(tǒng)鉛酸電池相近的低廉價格優(yōu)勢及成熟的工業(yè)制造基礎，在各種應用領域有著極強的競爭力優(yōu)勢。
3.1對比
在目前的儲能領域中，運用和關注度較廣的化學儲能方式除了鉛炭電池外，還有鋰離子電池。除此以外，抽水儲能是當今世界上運用最廣、技術最成熟的一種物理儲能方式。接下來對這三種儲能方式進行對比分析。
3.1.1鉛碳電池
由于鉛炭電池是在傳統(tǒng)的鉛酸電池上發(fā)展起來的，它具有很多優(yōu)勢：一是充電快，提高8倍充電速度；二是放電功率提高了3倍；三是循環(huán)壽命提高到6倍，循環(huán)充電次數(shù)達2000次；四是性價比高，比鉛酸電池的售價有所提高，但循環(huán)使用的壽命大大提高了；五是使用安全穩(wěn)定，可廣泛地應用在各種新能源及節(jié)能領域。隨著產(chǎn)量增高，鉛炭電池的成本隨著規(guī)模效應提升而進一步下降，未來的應用前景更加廣闊。
3.1.2鋰離子電池
與鉛炭電池相對應的另一種化學儲能方式就是鋰離子電池。鋰離子電池具有能量密度大，循環(huán)壽命長，自放電率低且環(huán)保等優(yōu)點，主要應用于現(xiàn)今筆記本和手機兩大產(chǎn)業(yè)。由于其自身的優(yōu)勢，鋰離子電池同樣也是未來大規(guī)模儲能系統(tǒng)的一個理想選擇。
在未來的應用中，鋰離子電池在安全性、循環(huán)壽命、成本和工作溫度范圍方面仍然存在問題。與其它充電電池不同，鋰離子電池的容量會緩慢衰退，與使用次數(shù)有關，也與溫度有關。這種衰退的現(xiàn)象可以用容量減小表示，也可以用內阻升高表示。
盡管隨著動力電池應用的推廣，鋰電池技術、成本都有很大提升，但是目前鋰電池成本仍然是鉛炭電池的3倍以上。在儲能領域，除了高端數(shù)據(jù)中心及對儲能電池重量有嚴格限制的使用場景外，目前運用鋰電池進行儲能的商業(yè)項目非常少。
3.1.3抽水儲能
抽水儲能是當今世界上運用率最廣，技術最成熟的一種儲能方式，它屬于物理儲能。抽水儲能是在電力負荷低谷期將水從下池水庫抽到上池水庫時將電能轉化成重力勢能儲存起來的形式，綜合效率在70%到85%之間，應用在電力系統(tǒng)的調峰填谷、調頻、調相、緊急事故備用等。但抽水儲能的建立很大程度上得依靠地理位置的選擇，因此，使其在未來進一步的發(fā)展應用中受到了一定的限制。
3.2儲能管理平臺構想——南都電源
一個12MWh的儲能電站，每天谷電時間充電8小時，充放電深度按照80%計算，平均日充電量為9300kWh，累計充放電維持平穩(wěn)。峰電時期放電8小時，平均日放電量為8400kWh，充放電效率達到90.51%，財務上按照85%計算。峰時電價1.05分，谷時電價0.31元，每天收益5938.03元，每年按照360天計算，年收益為2,137,691元。
實際運行的數(shù)據(jù)全面達到了設計數(shù)據(jù)標準，目前儲能電池放電深度為70%，但電池完全可以滿足80%DOD運行，按此計算，每天谷電時期充電8小時，平均日充電量為10666.7kWh；峰電時期放電8小時，平均日放電量為9600kWh；充放電效率為90%。結合現(xiàn)有峰谷電價差，平均每天收益約為6773.33元，比70%充放電，收益提高了14%；按照每年運行360天計算，年收益約為243.84萬元，收益提高14%。
預期的收益提高，主要是充放電效率的提升。充電次數(shù)目前在6000次內，無明顯衰減，70%的DOD已經(jīng)考慮到衰減的可能性，未來縮小了之后仍然未達到極限。80%為壽命終止，滿足國際標準。
