铅炭电池：一种新的储能解决方案

铅炭电池 一种新的储能解决方案 吴贤章 Email: wxz@narada.biz 2016’ 全球能源互联网大会 (中国 北京 ) ——以清洁和绿色方式满足全球电力需求 什么是铅炭电池？ 2 Lead-Carbon: A Game Changer for Alternative Energy Storage 铅炭电池 vs. 铅 酸电池 3 铅炭电池 铅酸电池  在负极引入炭材料  真的如此简单？？ 三类广义的铅炭电池 4 P b C ® (Axion Power) UltraBattery® (Furukawa, East Penn) L-C 铅炭电池（ Lead-Carbon） 5  炭材料直接添加在负极铅膏中  可有效抑制负极硫酸盐化  HRPSoC循环寿命延长 6倍  优异的快充性能  工艺简单，成本低 性 能 特 点 铅炭电池（ Lead-Carbon） 6  2013年通过国家能源局鉴定，填补国内空白，达到国际先进水平 南都 REX-C系列铅炭 电池 铅炭电池的作用机理 7 *P. T. Moseley, D. A. J. Rand, K. Peters, “Enhancing the performance of lead–acid batteries with carbon – In pursuit of an understanding,” J. Power Sources, 295, 2015: 268-274.  空间 位阻 效应 防止硫酸铅大颗粒的形成 ， 以保证其能够可逆的 转化成活性铅 。  电容缓冲效应 以法拉第反应吸收额外的大电流 ， 防止电流过大 对铅负极造成损害 ， 原理同超级电池；  提供 更多的可供充放电反应的电极 表面 Pavlov经典的平行作用机理解释了在铅炭电池负 极 ， 电化学反应不仅在铅表面发生 ， 在炭的表面 也会 发生 ； 1 2 3 为什么选择铅炭电池？ 8 循环寿命 规模化程度 安全性 效 率 经济性  储能的五项关键指标 铅炭电池的循环（能量型） 9  Cycling between 80% SoC and 40% SoC (模拟削峰填谷 ) 南都 REX-C铅炭电池实测数据 铅炭电池的循环（能量型） 10  Cycling between 30% SoC and 80% SoC (模拟削峰填谷 ) 南都 REX-C铅炭电池实测数据 铅炭电池的循环（功率型） 11  IEC 61427-2: 6.2 Frequency Regulation (模拟调频 ) Maximum charge voltage 1.80 Vpc 南都 REX-C铅炭电池实测数据 铅炭电池的循环（功率型） 12 East Penn的 Ultrabattery的测试结果  Sandia实验室 和 Ecoult公司的 PSoC测试 (模拟调频 ) 铅炭电池的经济性 13 储电成本 —— 电池在寿命周期内每储一度电的成本 ** 综合 体现 电池 一次 购置 成本、循环寿命 以及 能量 效率 铅炭电池的经济性 14 DOD寿命 运行期间放出的总电量 能效 /% 电池成本 ￥ /Wh 发电成本 ￥ /kWh 铅炭电池 0.65,000 3,000 C 90 1 0.37 (0.28*) 传统 铅酸电池 1800 800 C 80 0.6 0.94 (0.62*) 锂离子电池 15,000 0.320,000 5,000 C 95 3 0.63 全钒 液流电池 113,000 13,000 C 80 10 0.96 *此 处 考虑 铅酸 电池 的可 回收 性，以传统铅酸电池成本 30%可回收计算 铅炭电池 vs 其他化学储能 15 循环寿命 安全性 可规模化 经济性 能效 铅炭 电池 ★★★ ★★★★ ★★★★ ★★★ ★★★ 普通 铅 酸 电池 ★★ ★★★★ ★★★★ ★★★ ★★ 锂离子电池 ★★★ ★★ ★★ ★★ ★★★★ 钒液流电池 ★★★★ ★★★ ★★★★ ★★ ★★★ 钠硫电池 ★★★ ★ ★★★ ★★★ ★★  尽管，目前还没有一种储能技术能够完全满足五项关键指标；  但是， 铅炭电池 安全可靠性高、储能规模大，综合性价比高。 铅炭电池目前的技术短板 16 铅炭电池 经 3300次 循环 (30~80%SoC) 的电极电位 曲线 尽管 电池 PSoC循环寿命 显著提高， 但是最终失效仍然 在于 负极 负 极 技术突破方向 17  先进 生产制造技术的发展也是铅炭电池应对大规模储能挑战的重要措施 。  电池 管理与热管理技术也需同步发展，以保障储能系统的可靠运行。 明确炭的作用机理  炭的作用机理需要进一步 明确，只有 完全掌握炭在负极的电化学行为以及对电池 性能的贡献，才能有针对性地设计和开发出更高性能的铅炭电池。 开发高性能炭材料与添加剂  需要开发价格低廉、性能稳定的铅炭电池用炭材料 。实现 低成本炭材料的批量化 生产有助于 进一步降低铅炭电池成本，提高析氢过电位和与铅活性物质的兼容性， 则可有效防止电池失水，延长电池循环寿命 。  负极 其他添加剂，如有机膨胀剂和硫酸钡等与炭材料在充放电过程中的协同作用 也需要进一步明确。 优化电池设计制造与管理 铅炭储能的应用（北美） 18  该项目总耗资美元 5,087,269美元  其中美国能源局（ DOE）资助 2,543,746美元  该项目始于 2011年  电网辅助能量存储  调节频率  管理能源需求 规模： 3MW， 1-4MWh 铅炭储能的应用（北美） 19 采用 Axion Power公司的 PbC®铅炭电池  2011年 12月项目验收  需求响应、调节频率  直接并入 PJM电网  运行 与管理 美国 13个州和哥伦比亚特区的 电力 系统 铅炭储能的应用（北美） 20  2011年 10月通过 PNM 电网验收  平滑光电出力 *该示范项目表明：铅炭电池可有效平滑光电出力 输出到电网的平滑电压 光伏电压波动 采用 East Penn公司的 UltraBattery®铅炭电池 电池 电压波动 铅炭储能的应用 21 采用 East Penn公司的 UltraBattery®， 集成商为 Ecoult  2012年 6月项目验收  3MW调频系统  1MW/1-4h 峰电负荷管理  太阳能供电，柴油机每天关停数小时， 可减少 65%柴油用量 铅炭储能的应用（中国） 22 铅炭 微 网储能项目 超过 20个 ， 覆盖 10个省市自治区 总装机容量超过 100MWh 南都铅炭储能应用案例 23 项目 国网鹿西岛储能示范项目 概况 •该项目是 “ 含分布式电源的微电网关键技术研究 ” 国家 863课题 的两个示范工程之一 •建设风力发电、光伏发电、储能三个系统，实现并网和 孤网两种运行模式的灵活切换 •提升可再生能源利用率、平滑风光功率输出等功能，具 备暂态有功出力紧急响应、暂态电压紧急支撑功能 地点 温州，浙江 规模 2MW/4MWh 时间 2014 投入使用 功能  提高可再生能源利用率  平滑风光功率输出 南都铅炭储能应用案例 24 项目 南网万山海岛新能源微电网示范项目 概况  国内首个拟商业化 新能源微网项目，也目前为止国内 最大的海岛离网微网铅酸储能示范项目  南都电源独家中标，提供储能系统解决方案，储能技 术全部采用公司储能铅炭电池新产品  海岛无电地区孤岛运行，解决风能 /太阳能等多种新能 源接入并网  储能系统兼具功率平滑与能量存储功能 地点 珠海，广东 规模 2.5MW/8.4MWh 时间 2014 投入使用 功能  提高可再生能源利用率  平滑风光功率输出 南都铅炭储能应用案例 25 项目 国家风光储输工程新能源微电网示范项目 概况 • 包括 100MW风力发电、 50MW太阳能光伏发电、 20MW化学储能的一体化工程，是目前世界上规模 最大的新能源综合利用平台 • 公司首个新能源微网总包项目的中标，标志公司储能 系统集成技术水平和解决方案的得到市场的认可 • 该项目预示国家电网对铅酸储能技术路线的重视与探 索，也标志着市场对公司国际领先的产品与技术的高 度认可 地点 张北，河北 规模 1MW/6MWh 时间 2015投入使用 功能 • 平滑风光功率输出 • 跟踪计划发电 • 削峰填谷 • 调频 南都铅炭储能应用案例 26 项目 大丰海水淡化系统智能微电网项目 (863计划 ) 概况 • 本项目以风力发电 1×2.5MW为主，储能系统及柴 油发电机为辅，为最高日产 5000吨淡化海水提供能 源，并结合微电网技术构建非并网风电 -海水淡化集 成系统 • 南都电源独家中标，储能技术采用铅炭电池，储能 容量 1.8MWh 地点 大丰，江苏 规模 1.5MW/1.8MWh 时间 2013正式投运 功能 • 新能源接入并网 • 平滑风机功率输出 南都铅炭储能应用案例 27 项目 广成铝业蓄能微网项目 (863计划 ) 概况 • 该项目是 863计划 “主动配电网的间歇式能源消纳及 优化技术研究与应用”，也是目前国内有色金属行业 (广成铝业 )规模最大的“金太阳”示范工程 (5.5MW) • 该项目是国内首个“主动配电网的间歇式能源消纳及 优化技术研究与应用”研究项目 • 依托该项目实现微网系统，大电网失电后能利用太阳 能继续供电；利用储能系统实现全额电量本地消耗或 者错峰选择用电，多余部分补充至大电网 地点 佛山，广东 规模 1.5MW/1.5MWh 时间 2013正式投运 功能 • 新能源并网 • 功率平滑 • 削峰填谷 南都铅炭储能应用案例 28 项目 国家新能源示范城市吐鲁番屋顶光伏电站暨 微电网试点工程 概况 • 该项目为 国内第一个 新能源示范城市的兆瓦级微 电网储能项目，采用公司储能铅炭电池新产品， 项目集成了储能电池、直流电源、电池管理系统 与热管理系统等全套技术 • 该项目的中标标志着公司储能系统集成技术已获 得市场认可 地点 吐鲁番，新疆 规模 1MW/2MWh 时间 2013正式投运 功能 • 能源集中管理 • 功率平滑 • 削峰填谷 南都铅炭储能应用案例 29 项目 临安光储一体化企业级微网储能电站 概况 • 国内首创 的企业级微网储能电站，实现新能源接入和 削峰填谷 • 模块化可移动储能系统 • 铅炭 /锂电 混合储能 技术 • 在储能系统中首次采用蓄电池热管理系统 • 孤岛 /并网运行 地点 临安，浙江 规模 0.5MW/2MWh 时间 2011正式投运 功能 • 功率平滑 • 削峰填谷 南都铅炭储能应用案例 30 项目 甘肃玉门中科恒源光伏储能电站 概况 • 解决西部地区的“弃风弃光”验证现象，当地政策只 允许光伏发电量的 40%上网，限电量高达到发电量的 60%。安装储能电站解决新能源并网难的问题，并可 产生弃掉能源的经济性收益 • 本项目位于甘肃省玉门金塔，该地区（一期）计划建 设一套 20MW光伏发电电站，设计 3MW/12MWh铅 炭储能系统，与光伏发电系统协调配合，实现提升可 再生能源利用率、移峰可获得电价差为 0.9元 /kWh 地点 玉门，甘肃 规模 1MW/2.16MWh 时间 2015正式投运 功能 • 平滑光伏功率输出 • 光伏发电削峰填谷 • 错峰发电