從這周開始我們將開啟綜合能源關鍵技術系列的第一篇——電池技術。綜合能源系統(tǒng)統(tǒng)籌規(guī)劃了區(qū)域能源的生產及使用，并借此降低了能源使用成本，提高了能源效率。而在綜合能源系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)發(fā)揮著連接不同子系統(tǒng)的紐帶作用。儲能系統(tǒng)在可再生能源并網、分布式發(fā)電與微網、調峰調頻、需求側響應等領域都不可或缺。
在儲能系統(tǒng)中，電池儲能是重中之重的一環(huán)。
電池儲能相比其它常見儲能技術，有著許多特點。首先，電池儲能有著非常高的能量密度，這意味著存儲同等能量，電池占用的空間更少，且不像抽水蓄能及壓縮空氣儲能那樣對環(huán)境的要求較高。高達90%的能量存儲效率以及靈活的容量分配都是電池相較于其它儲能技術的優(yōu)點。電池極快的響應時間，使得它在電網輔助服務尤其是一次調頻中表現(xiàn)出色。
常見電池技術及其優(yōu)缺點
不同種類的電池原理性質及其應用都有所不同，本文將介紹兩種最常見的電池技術，鋰離子電池和鉛酸電池。
鋰離子電池
鋰離子電池作為生活中廣泛應用的電池種類，主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作，其常見正極材料有：鋰鈷氧化物（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、鎳酸鋰（LiNiO2）及磷酸鋰鐵（LiFePO4），負極材料一般為石墨，鈦酸鹽被認為是未來更好的替代品。鋰離子電池應用領域十分廣泛，在電網調峰、調頻、電動汽車及光伏儲能方面均有優(yōu)秀表現(xiàn)。
優(yōu)點：
1. 高能量密度
2. 壽命較長
3.輸出功率高
缺點:
1. 安全性能稍差
2.對電池管理系統(tǒng)要求較高
3.成本較高
鉛酸電池
鉛酸電池是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。鉛酸電池放電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；充電狀態(tài)下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。鉛酸電池在電網調峰調壓力、不間斷電源、光伏儲能及孤島電網領域均有應用。
優(yōu)點：
1.今時今日已經批量生產
2.對于靜態(tài)應用來說,能量/功率密度可以接受
3.通過控制過充電反應來實現(xiàn)安全性
4.無需復雜的電池管理
5.大規(guī)模儲能經驗
6.短期攤銷和初始投資相對較低
缺點：
1.充電和放電并不對稱
2.對通風的要求較高
3.循環(huán)壽命有限
4.重金屬鉛
電池技術的應用場景
電池技術在綜合能源領域有著廣泛的應用：
大型風、光電站的儲能系統(tǒng)
電池系統(tǒng)可以對風、光等可再生能源輸出功率進行平抑，緩解晝夜峰谷差，降低系統(tǒng)調峰調頻和備用容量的需求，降低對多能互補系統(tǒng)中燃氣輪機、生物質發(fā)電等發(fā)電單元的性能壓力，提高區(qū)域供電電能質量，有效減少棄風、棄光現(xiàn)象。
在光伏方面，由于光伏發(fā)電的不可控性，光伏僅在白天尤其是午間發(fā)電。利用電池將白天發(fā)的電儲存起來，為電網調度、電網的穩(wěn)定性起到了很有力的調節(jié)支持作用。在風電方面，儲能系統(tǒng)主要解決風機發(fā)電波動大的問題，平滑風機出力曲線、丟風存儲、風電場輔助調頻等。
維護電網穩(wěn)定性
隨著可再生能源發(fā)電比例的逐步提高，電網的穩(wěn)定性愈發(fā)成為一個重要問題。尤其在綜合能源系統(tǒng)中，多能互補系統(tǒng)的存在對區(qū)域負荷供電電能質量及可靠性提出了更高的要求。電池系統(tǒng)憑借其快速的響應時間，靈活的有功，無功吞吐能力，在電網輔助服務領域表現(xiàn)出色。尤其是在一次調頻方面。一次調頻對反應時間的苛刻要求，電池系統(tǒng)能夠完成諸如抽水蓄能等系統(tǒng)不能完成的任務。此外，電池系統(tǒng)還可以通過提供電力市場輔助服務進行套利。
戶用儲能電池
1.戶用光伏儲能
對于住宅光伏客戶，儲能系統(tǒng)能大大提升自身的光伏發(fā)電量使用效率。光伏儲能系統(tǒng)的主要經濟性體現(xiàn)在提高住戶自身產電的電力消耗比率，從而減少從公共電網獲取的電量。通過安裝戶用電池，理論上該比率可以增加到100%，但由于經濟性原因很少能夠達到。目前在歐洲，戶用光伏儲能系統(tǒng)的自耗率平均為35％，電池價格占整個光伏儲能系統(tǒng)成本的50%以上。
2.需求側響應
戶用儲能電池還可引用于用戶需求側響應，用戶可在電網負荷較小的情況下，利用電池充電；在電網負荷較大的時候，利用電池進行供電，能夠大大降低電網負荷，同時節(jié)約電力成本。能起到這樣作用的電池主要是戶用光伏儲能電池和家用電動汽車電池。
電動汽車
電動汽車之于電力行業(yè)的意義就是“裝在車輪上移動電池”，而且其飛快的發(fā)展速度對于儲能行業(yè)的意義可能會是住宅儲能無法比擬的。Diaz-Bone 舉過這樣一個例子：“100,000 個家用儲能系統(tǒng)的數(shù)量可能聽起來已經可以令人印象深刻，但如果對比電動汽車的規(guī)模，這個數(shù)字也只能相形見絀了。我們正在研究數(shù)百萬輛電動汽車，每輛汽車的電池容量為 40 到100千瓦時，是一般家用電池儲能系統(tǒng)的五到十倍”。與固定式家用電池一樣，通過充電樁連接到電網的電動汽車不僅可以存儲電力，還可以根據(jù)需要將其送入電網。電池的核心優(yōu)勢是，可以在短時間內吸收和釋放大量電力，這使其成為為電網提供輔助服務的理想工具。它們可以保證電力通暢以穩(wěn)定電網，充當備用電源以提高可靠性，并且能夠在供電充足且便宜的時間再充電。
德國示范案例：M5BAT項目
德國儲能示范：亞琛工業(yè)大學m5bat電池系統(tǒng)
M5BAT位于德國亞琛，是一個功率5MW，能量5MWh的龐大電池存儲系統(tǒng)，建設始于2015年8月，于2016年9月8日開始調試。從那天起，該電池系統(tǒng)已連接到德國亞琛地區(qū)中壓電網，并用于平衡能源供應。在此期間，還將實時進行能源市場容量交易。該項目的參與者共同投資了1,140萬歐元，用于開發(fā)和測試這個世界首創(chuàng)的電池存儲系統(tǒng)。該項目還從德國聯(lián)邦經濟和能源部獲得了670萬歐元的資金。
M5BAT是一個典型的區(qū)域儲能系統(tǒng)，其5MWh的電力容量可以為10000戶家庭在斷電時供電約60分鐘。M5BAT除去實際功用，還承擔著科研任務，期望了解電池存儲的經濟和技術特征。
電池技術多種多樣。為了發(fā)揮協(xié)同效應，可以將不同的電池技術結合起來，以充分利用各自的優(yōu)勢。例如，廉價的高能量電池和昂貴的高功率電池可以同時使用，以在提供相同功率容量的同時實現(xiàn)更好的成本效益。
M5BAT使用五種不同的電池技術，并使用智能電池管理技術來優(yōu)化整體操作。M5BAT具有不同鋰“離子”技術的三個電池串，主要用作短期電力存儲。此外，還安裝了兩種不同技術的鉛蓄電池組，用于短時間和中等放電時間。在世界范圍內的此類性能級別中，M5BAT的混合模塊化系統(tǒng)首屈一指。
參考資料：
[1]RWTH-AACHEN-M5BAT-Projekt
[2]RWTH-ISEA-Energiespeicher Technologie
[3]KlimaExpo.NRW-M5BAT: flexiblerBatteriespeicher im Test
[4]曹建-儲能在綜合能源服務中的技術與實踐
