电力储能技术发展现状与发展趋势

电力储能技术发展现状与发展趋势 中国电力科学研究院 惠 东 2017.04 储能应用需求背景 储能在电力系统的作用 一 二 三 四 不同储能技术特点分析 储能技术应用状况 汇报内容 第 2页 12:38 五 储能技术发展趋势 3 中 国 经济 在 不断发展 ， 对电力需求持续增长 。 与发达国家相比 ， 目前中国人均用电 量较低 ， 中国的用电结构不太合理 。 中国发电装机容量世界第一 ， 但燃煤火力发电比例过高 ， 环保压力巨大 。 1.1、 中国电力需求持续增长 预计在未来 20年内，中 国电力需求 仍将持续增 长。 Industrial Agr Comm Resident Other USA 24.9 0.2 34.3 37.1 3.6 Japan 34.3 0.1 33.4 30.0 2.3 Germany 44.2 1.7 26.1 25.0 3.1 France 30.8 0.8 30.8 34.4 3.3 Korea 51.7 2.2 32.2 13.4 0.5 China 73.5 1.9 11.8 11.8 0.0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2013 2014 2020 China Korea Japan UK USA 4 中国经济发达地区用能需求大但 电力 能源资源差 ， 而欠发达地区用能需求低但 电力 能源资源好 ， 总体呈现用能需求与资源倒挂格局 。 1.2、 中国电力能源资源与用电需求逆向分布 电力 能源 大容量远距离输送的需求 将 长 期存在。未来中国西电东送的规模可能达到 4.5~5.5亿千瓦，年输送电量 2~2.5万亿千瓦 时，占约 未来 全国年总消费电量的 1/6。 5 中国风电并网容量 10年增长 100倍 ， 光伏 5年增长 100倍 ， 新能源已成为 第 3大主力电源 。 由于 风能 、 光伏发电 的波动性和间歇性 ， 造成 新能源安全稳定运行和有效消纳问题非 常突出 。 风电并网容量 (MW) 光伏并网容量 (MW) 中国新能源发展目标 10年增长 100倍 5年增长 100倍 1.3、 中国 大规模集中式可再生能源接入困难  城市电网的峰谷差率逐渐增大，达到 30%以上，而在大城市达到 40%~ 50%;  夏季空调制冷负荷就已接近华中、川渝电力负荷的 1/3，华东达 28.7%，京津 唐达 28.9%。  许多城市 全年用电高峰由原来夏季一个高峰，向夏季和冬季两个高峰发展。 日用电负荷曲线也发生明显变化，从原来早晚两个峰的 “ 驼峰 ” 形状转变为 两峰之间负荷趋向平坦，日高峰负荷持续时间延长 。 1.4城市负荷快速增长与线路容量瓶颈问题  设备重载、满载压力大；  城市商业区受到电商模式冲击，其负荷特征变化明显  城市内电动汽车充电桩布局受配电资源制约  城市内变电站 35kV、 10kV用电间隔资源紧张；  线路负载分布不均、个别线路利用率低；  城市内电力设施建设费用不断提高。 北京市典型日负荷分布 城市峰值负荷快速增长与线路容量瓶颈问题 分布式电源引起的配电网电压偏差、逆向潮流 0 1 2 3 4 5 6 8 9 10 7 11 12 13 14 1715 16 19 20 21 18 2422 23 25 26 27 28 29 3230 31分布式发电对配电网的影响 分布式可再生发电的接入，为配电 网的控制保护和运行管理带来挑战。 分布式光伏存在： 1、发电资源与消 纳的存在时间或空间的不对称性； 2、 业主主体的不统一性； 3、补贴政策的 执行滞后性。 1.5中国 分布式新能源利用效率不高 用户侧需求响应问题 序号 需求响应分类 解释 1. 直接负荷控制 （ Direct load control） 在负荷高峰时段对设备进行远程控制 。 2. 分时电价 （ Time of Use） 通过不同时段的电价引导用户的用电 行为 。 3. 可中断负荷 （ Interruptible load） 通过远程中断负荷达到削减峰荷的目 标 ，按照合同对用户进行补偿。 4. 利用负荷提供容量 （ Load as a capacity resource） 可归类为辅助服务 ， 在负荷高峰时段 ， 用户按照预先制定的方案削减负荷 。 5. 紧 急 需 求 响 应 （ Emergency demand Response） 电网出现可靠性事故时 ， 用户自愿削 减负荷 。 6. 尖峰电价 （ Critical peak pricing） 动态电价的一种 ，在负荷高峰时段 ， 可能是正常电价的数倍 。 7. 需求竞价及买入 （ Demand bidding & buy back） 用户参与供电市场竞价 。 8. 实时电价 （ Real time pricing） 即动态电价 。 9. 非旋转备用 （ Non spinning reserve） 可归类为辅助服务 ， 用户在数十分钟 内做出响应 。 10. 峰时折扣 （ Peak rebate） 用户在峰时减少负荷可获得一定奖励 。 11. 旋转备用 （ Spinning reserve） 可归类为辅助服务 ， 用户对系统频率 进行响应 。 12. 管制 （ Regulation） 可归类为辅助服务 ， 参与电网自动发 电控制 （ AGC） 。 13. 系统峰荷响应 -输电费用 （ Transmission tariff） 通过条例规定或费率引导用户在输电 费用较高时减少负荷 。 FERC对需求响应的分类 降低用户最大负荷 需求响应： 电力用户在电价信号、激励机制的驱动下， 在尖峰用电时段或者电网不稳定时，改变 自己原来的用电方式的行为 。 1.6、 中国电力 用户侧 需求 响应进展缓慢 储能应用需求背景 波动性、间歇性可 再生能源的大规模 接入引发电网稳定 性，需要借助储能 手段提高接纳能力 传统扩容方式受限于输 电走廊布局等资源限制 与负荷需求不断增长之 间的矛盾，引入储能能 有效缓解矛盾，并延缓 设备更新投资，提高网 络资源和设施利用率 储能引入将提高用 户侧分布式能源接 入能力、应对灾变 能力、保证供电可 靠性、满足电能质 量需求、削峰填谷 储能技术是涉及多学科的不断更新换代的战略性前沿技术 发电 输电 配电 用户 减排压力推动电 力能源结构变革 资源约束迫使电 网从功率传输转 向电量传输 用户侧提出高质 量、个性化和互 动化供电需求 储能应用需求背景 储能在电力系统的作用 一 二 三 四 不同储能技术特点分析 储能技术应用状况 汇报内容 第 11页 12:38 五 储能技术发展趋势 2010年 12月美国能源部发布 《 电力系统对大规 模储能技术应用需求 》 报告，根据当今电力系 统的技术需求特征，将储能应用模式分为 5大类 17项，受到多个国家的认可。 大规模可再生能源接入 平滑功率输出，降低功率波动越限概率以及爬坡率 发电计划跟踪能力，缩减预测功率输出误差 削峰填谷 用户智能化、互动化 分布式电源接入 削峰填谷 应对灾变，保证供电可靠性 满足特殊负荷的电能质量需求 传统电网升级方式的变革 灵活配置能源供应，提高现有输配网络利用率，延 缓输配电设备投资 12:38 2.2、储能在电力系统的应用模式 2017/6/30 13 应用类型 应用名称 储能的作用 示范项目 发电领域 辅助动态运 行 •通过储能技术快速响应速度，在进行辅助动态运 行时提高火电机组的效率，减少碳排放 •避免动态运行对机组寿命的损害，减少设备维护 和更换设备的费用 美国俄亥俄州 Palnesville钒电池示范 项目 取代或者延 缓新建机组 •储能可以降低或延缓对新建发电机组容量的需求 美国长岛拟新建发电机 组， AES提出以储能替代 发电机组。 输配电领域 调频 •通过瞬时平衡负荷和发电的差异来调节频率的波 动。通过对电网中储能设备进行充放电以及控制 充放电的频率，来调节频率的波动 •减少对火电机组的磨损 Beacon Power20MW飞 轮调频电站调频服务商 用项目 —AES智利调频 电站 电压支撑 电力系统一般通过对无功的控制来调压，但当因 有功确实导致电压下降时，用储能调节效果明显 调峰 在用电低谷时为抽水蓄能电站蓄水，在用电高峰 时释放电能，实现削峰填谷 抽水蓄能已完全商业化， 其他储能技术还没有专 门用于调峰的示范项目 备用容量 备用容量应用于常规发电资源的无法预期的事故， 在备用容量应用中，储能需要保持在线，并且时 刻准备放电。 德国 Huntdoof压缩空气 储能电站 2.2、储能在电力系统的作用 2017/6/30 14 应用类型 应用名称 储能的作用 示范项目 输配电领域 无功支持 通过传感器测量线路的实际电压，调整输 出的无功功率大小，进而调节整条线路的 电压，使储能设备能够得到动态补偿 商业项目 -美国阿拉斯加电 池储能项目 缓解线路阻塞 储能系统安装在阻塞线路的下游，储能系 统会在无阻塞时段充电，在高负荷时段放 电从而减少系统对输电容量的需求 示范项目 -纽约州电力与天 然气公司高级压缩空气储 能项目 延缓输配电扩 容升级 在符合接近设备容量的输配电系统内，将 储能安装在原本需要升级的输配电设备下 游文职来延缓或者避免扩容。 北美第一个分布式储能项 目 变电站直流电 源 变电站内的储能设备可以用于开关元件， 通讯基站、控制设备的备用电源直接为直 流负荷供电 传统的铅酸电池已在此地 领域应用 用户端 用户分时电价 管理 帮助电力用户实现分时段电价管理的手段， 在电价较低时对储能系统充电，在高电价 时放电 河北廊坊新奥高尔夫花园 智能小区示范工程 ， NSW， 澳大利亚商用智能电网 容量费用管理 用户在自身用电负荷较低的时段对储能设 备充电，在需要高负荷时，利用储能设备 放电，从而降低自己的最高负荷，达到减 低容量费用的目的 普能美国加州洋葱加工厂 项目 电能质量 提高供电质量和可靠性 ACTIVE POWER 中国网 通 UPS 2.1、储能在电力系统的作用 储能应用需求背景 储能在电力系统的作用 一 二 三 四 不同储能技术特点分析 储能技术应用状况 汇报内容 第 15页 12:38 五 储能技术发展趋势  广义的储能技术  基础燃料存储（煤、石油、天然气）  中级燃料储存（氢、煤气、太阳能燃料）  电能储存（物理储能、化学储能、电磁场储能）  后消费能量储存 (相变储能 ) 电力系统提及的储能技术，一般均指电能储存技术。 12:38 储能技术现状 电能存储方式主要可分为：物理储能、电磁场储能和电化学储能 物理储能方式主要有抽水蓄能、压缩空气储能、相变储能和飞轮储能；  电磁场储能方式包括超导储能、超级电容储能和高能密度电容储能；  电化学储能主要有铅酸电池、液流电池、钠硫电池、镍氢电池、镍镉电池、 锂离子电池等储能形式。 储能技术包括：储能系统装置技术和储能系统的应用技术。 12:38 储能技术现状 --电化学储能 — 钠硫电池 钠硫电池工作原理图  循环寿命 ： 4500次，日历寿命 15年  能量效率 ： 83%  能量密度 ： 150-240kWh/m3,150-230W/kg  成本 ： ~3000$/kW 技术经济指标： 优点：  先发优势，积累了较多工程应用经验；  能量密度大、无自放电；  原材料钠、硫易得；不受场地限制。 缺点：  倍率性能差；  成本高；  存在安全隐患。 在高温环境下（ 300～ 350℃ ），液态金属钠为负极，单质硫为正极，充电时金属钠发生 氧化反应，钠离子通过陶瓷管扩散进入正极，与单质硫结合生成钠硫化物，以此将电能转化 为化学能。 工作原理： 12:38 储能本体技术 典型工程应用： 国际：日本 NGK公司、美国通用公司等 国内：中科院上海硅酸盐研究所 主要研究单位： 发展趋势 ：  提高电池安全性  改善倍率性能  降低成本  延长寿命 成本预期目标 ： 2010-2015 2015-2020 2020-2025 2025-2030 日 本 25000元 /kW 15000元 /kW 6000元 /kW 3000元 /kW 2012 2014 2020 2030 美 国 3000$/kW ----- 2000$/kW 1500$/kW 日本青森县 34MW钠硫电池系统 -平滑 51MW风电场出力 12:38 储能本体技术 --电化学储能 — 液流电池 液流电池工作原理图 循环寿命 1万次，日历寿命 10年 能量效率 60% 运行环境温度 0-40℃ 能量密度 15-25Wh/l 成本：￥ 10,000/kW+2,500/kWh 技术经济指标： 优点： 电池寿命长 功率和容量独立设计 安全性好 缺点： 能量效率低； 能量密度； 运行温度窗口窄； 可靠性低。 液流电池的活性物质以液态形式 工作原理： 12:38 储能本体技术 --电化学储能 — 液流电池 工程应用： 国际：澳大利亚新南威尔士大学、日本住友电工等。 国内：中科院大连化学物理研究所、中国电力科学研究院、北京普能世纪科 技有限公司和大连融科公司等 主要研究单位： 日本住友电工 Subaru风电场 4MW/6MWh 发展趋势 ： 技术发展趋势：  选用高选择性、低渗透性的离子膜和高导电率的电极 解决效率低问题  提高液流电池的工作电流密度和电解质的利用率解决 液流电池高成本问题  提高系统集成技术的工艺水平解决系统可靠性的问题  加快关键材料的工程化技术开发解决国产化问题。 成本预期目标： 2012 2015 2020 2030 中国 ≤15000元 /kW ≤8000元 /kW —— 日本 15000元 /kW 6000元 /kW 3000元 /kW 美国 —— 1200～ 1500元/kWh 900～ 1200元 /kWh 600～ 900元/kWh 北京普能公司 国家风电检测中心 500kW/1MWh 北京普能公司 风光储输示范工程 2MW/8MWh 大连融科公司 卧牛石风电场 5MW/10 MWh 日本住友电工 横滨光伏电站 1MW/5 MWh 12:38 储能本体技术 --电化学储能 — 铅酸（碳）电池 图 1 铅炭电池原理图 性能指标 优点  结合了电池和超级电容器的优势：循环 寿命长，比功率高  没有易燃成分，安全性好  成本较低，原材料资源丰富，可再生回 收利用率高  循环寿命： 2500次  比能量： 30–55 Wh/kg  比功率： 500-600 W/kg  能量转换效率： 90%  电池成本： 260美元 /KW 放 电2 2 4 4 2充 电bP O + Pb + 2H SO 2P bS O + 2H O 总反应式  碳作用机理不清  循环寿命仍短  易析氢失水 缺点 12:38 储能本体技术 --电化学储能 — 铅酸（碳）电池 澳大利亚汉普顿风力发电场的储能 国内外研究机构和公司  澳大利亚联邦科学及工业研究组织  日本古河公司  美国 East Peen  日本 Hitachi  浙江南都电源  中国电科院  防化研究院 East Penn电池模块和电池柜  明确铅炭复合电极提高电池循环寿命作用机理；  开发廉价、高性能炭材料，降低电池成本；  发展高能量密度、高功率密度的铅炭复合电极， 进一步提高电 池比能量密度和循环寿命；  抑制负极析氢技术 发展趋势 12:38 储能本体技术 --电化学储能 — 锂离子电池 24 锂离子电池工作原理及性能指标  能量密度： 100-150Wh/kg  循环寿命： 3000～ 5000次  成本： 2000元 /kWh  转换效率： 97% 技术经济指标： 优点：  储能密度高、功率密度高、效率高  应用范围广  关注度高、技术进步快、发展潜力大 缺点：  安全性有待提高  技术经济性指标尚不能满足储能应用需求 以稳定地进行锂离子嵌入 /脱嵌反应的材料作为电池的正负极，通过锂离子在正负极之 间的可逆转移实现能量的储存 /释放。 工作原理： 12:38 储能本体技术 --电化学储能 — 锂离子电池 25 典型工程应用： 国际：美国 A123、 Altairnano公司等 国内：中国电科院、比亚迪、万向、东莞新能源有限公司等 主要研究单位： 发展趋势：长寿命、低成本、高安全的储能用电池 储能并网试验基地 A123移动储能项目 12:38 储能本体技术 --电化学储能 — 钛酸锂电池 26 钛酸锂电池（应用性研究） —破解寿命问题  寿命： 10000次以上  成本：磷酸铁锂电池的 3～ 5倍 技术经济指标： 优点： 寿命长 功率密度高 缺点：  成本高 主要研究单位：  国际：美国 Altairnano公司、日本东芝公司等  国内：中国电科院，珠海银隆、微宏动力有限公司等 发展趋势：  不过分追求提高能量 (功率 )密度的前提下，通过技术进步延长电池寿命，降低电池成本 发展规划： 2010 2016 2019 成本 0.9元 /kWh·次 0.6元 /kWh·次 0.3元 /kWh·次 寿命 10000次 12000次 15000次 12:38 储能本体技术 --电化学储能 — 钠系电池 27 钠系电池（基础性研究） —破解资源问题 优点： 成本低 技术发展快 缺点： 主要研究单位： 发展趋势：  开发高结构稳定性电极材料体系，其中正极材料研究重点仍将集中在层状材料，而负极材料 主要是硬碳和零应变型材料。 发展规划： 2010 2016 2019 寿命 100次 300次 1000次 12:38 储能本体技术 --电化学储能 — 全固态电池 28 全固态电池（基础性研究） —破解安全问题 优点： 安全性好 无 SEI膜，寿命有所增加，成本有所降低 缺点： 研究处于起步阶段，循环寿命短 电池单体容量不易做大 主要研究单位：  国际：日本丰田汽车公司  国内：中科院宁波所，中国电力科学研究院 发展趋势：  开发高稳定性电解质材料的规模化制备技术及高稳定性电极 /电解质界面技术 发展规划： 2010 2016 2019 界面电阻 10mΩ·m2 8mΩ·m2 5mΩ·m2 寿命 500次 1000次 2000次 12:38 储能本体技术 --抽水蓄能 抽水蓄能电站工作原理图  规模：数百兆瓦  转换 效率 ： 65%～ 70%  寿命：数十年  成本 ： 3500-4000元 /kW 技术经济指标： 优点：  技术成熟；  规模大； 运行维护费用低。 缺点：  需要地理资源条件；  建设周期长。 利用上下水库的落差，势能和电能相互转换。 工作原理： 12:38 储能本体技术 --抽水蓄能 典型工程应用： 国际：阿尔斯通、日立、东芝公司等 国内：中国水电工程顾问集团、中国水利水电科学研究院、 南瑞集团。 主要研究单位： 发展趋势 ：  大力发展新能源和清洁能源发电 迫切需要建设抽水蓄能。  进一步提高转换效率  大容量、高水头机组技术国产化  发展海水抽蓄等新型技术 成本预期目标 ： 十三陵水库抽水蓄能电站 成本基本保持稳定 12:38 储能本体技术