電力儲能技術的崛起和發展

日期:2016-03-17
        在人類現代文明的發展中,電網是迄今為止建造的最復雜的系統工程之一,從發電,輸電,配電直到用電,電網與國民經濟和我們普通百姓的日常生活無不息息相關。但目前實際狀況是:一方面傳統電網存在智能化程度低、運行效率低等諸多亟待解決的問題,另一方面又面臨全球范圍內氣候變暖、能源短缺的窘況。2003年,美國能源部組織相關專家對電力工業的現狀和未來進行反思和展望,提出了“智能電網”的概念。2010年中國國家電網公司也明確提出了在2020年之前分三個階段實施智能電網建設的具體規劃。
 
       發展智能電網的目標是建設節能、環保、高效、可靠、穩定的現代化電網,其中與之相配套的一個很重要的核心環節就是發展大規模的電力儲能技術。
       首先建立大容量電力儲能裝置對電網的合理使用能起“削峰填谷”作用,即通過儲存電網夜間用電低谷時充足的閑余電能,然后到白天用電高峰時反饋輸出平抑,這樣可大大提高發電設備的利用效率,為國家節約巨額投資。我們知道為應對因城市發展出現的用電快速遞增而造成電網不堪負荷的狀況,電力系統每年都要新增大量投資用于為電網擴充容量的基本建設,但實際利用率卻非常低。以上海2004—2006年間統計數據為例,為解決全市每年約200小時的高峰用電負荷,僅對電網側的投資每年就超過200億元之多,而為此形成的輸配電能力的年平均利用率卻不到2%,造成了很大的浪費。
 
       其次大容量電力儲能裝置的建立和發展還對提高供電可靠性和電能質量起了關鍵作用。我們知道隨著煤、石油等天然能源的日益枯竭和環境污染日趨惡化,極大地促進了世界各國競相開發新能源,其中最具代表性的風能、太陽能等清潔能源發展極為迅速,但風能和太陽能發電受季節、氣象和地域條件的影響,具有明顯的不連續、不穩定性,發出的電力波動較大,可調節性差。這給傳統電網帶來了不少的麻煩。經測算,如果風力發電裝機占電網容量比例達20%以上,則電網的調峰能力和安全運行將面臨巨大挑戰,而電力儲能技術恰恰就是在很大程度上解決了風力發電和太陽能發電的隨機性、間隙性和波動性等問題,可以實現其發電的平滑輸出,并能有效調節因發電引起的電網相關參數波動,使大規模風力發電和太陽能發電能方便可靠地并入常規電網。
 
       眼下世界上儲能技術發展歸納起來主要有物理儲能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等)、電化學儲能(如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池、超級電容器等)和電磁儲能(如超導電磁儲能等)這三大類。我們知道物理儲能是目前世界上相對較成熟也是實際應用較早的一種儲能方式,其能量轉換效率可達70-75%左右,但因受地形和地質方面的條件限制,不具備大規模推廣應用前景。電磁儲能技術則很昂貴,現在還沒有提到商業化的議事日程上來。相比之下,當今儲能技術發展最快的要數電化學儲能,其中鈉硫電池是電力儲能技術發展中崛起的一枝新秀。
 
       鈉硫電池是美國福特(Ford)公司于1966年首先發明公布的,至今才40多年的歷史。作為新型儲能電池,鈉硫電池具備許多誘人之處:一是比能量高,可達100Wh Kg-1以上,是鉛酸電池的3倍;二是可制備成大容量電池,單體電池容量達600安時以上,能滿足儲能需求;三是充放電轉換效率高,可達到80%;四是循環壽命長,預計將超過15年。當然,鈉硫電池也有不足之處,其工作溫度是300-350℃,需一定的加熱保溫,但采用真空絕熱保溫技術,已完全可解決這一問題。目前鈉硫電池產業化應用的條件日趨成熟,日本在2002年率先開始將鈉硫電池納入商品化實施階段,已建成運行包括世界上最大規模(9.6MW)的儲能鈉硫電池裝置在內的大小不等的100多座儲能電站,2009年NGK鈉硫電池海內外訂單量已達600MW。中國是繼日本之后第二個進行研制大容量儲能用鈉硫電池國家,中國科學院上海硅酸鹽研究所集過去幾十年研制鈉硫電池的技術儲備與上海電力公司合作,于2006年底自行研制成功具有自主知識產權的650安時大容量儲能用的鈉硫單體電池,并于2010年上海世博會期間示范運行了100KW/800KWh的鈉硫電池儲能裝置(見圖示)。目前中國儲能用的鈉硫電池發展已正在進入產業化的前期準備階段。
 
       綜上所述,大力發展電力儲能技術,為智能電網配套建設大規模高效儲能裝置,這既可以緩解發電與用電的時差矛盾,又可以解決風能和太陽能等間歇式可再生能源發電直接并網對電網的沖擊,調節電能質量。很明顯電力儲能技術的重要性不容置疑。沒有電力儲能,智能電網的實現是根本不可能的,并且隨著可再生能源發電技術的快速發展,電力儲能技術必將成為電網安全、穩定、高效運行必不可少的技術支撐,具有非常巨大的潛在市場。
 
       當然電力儲能現還存在著需要解決的這樣那樣問題,在技術上還有待于進一步地完善和提高,尤其對儲能電池來說,其性能提高和成本降低將是影響儲能產業發展的最為關鍵因素。我們深信前途是光明的,道路是曲折的,只要我們堅持不懈地去為之努力,電力儲能應用的輝煌明天就一定會早日到來。

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