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锂电池成为储能“团宠”还有多远?

  • 2019-11-07
  • 来源:直流建筑联盟
截至2018年底,中国已投运电化学储能项目的累计规模为1072.7MW,其中锂电池储能项目约占60%。

无论哪种形式的储能在电网(发、输、配、用)应用中所发挥的作用基本一致,既是作为提高电网可靠性和韧性的有效手段。储能在电网中应用最早开始于20世纪初,已有100多年的历史,最传统、应用规模最大的储能就是抽水蓄能,目前正朝着电化学分布式储能模式发展。

图1 储能装置在智能电网中的作用

由于电动汽车等相关行业的带动,锂电池产业规模快速膨胀、价格快速下降,把锂电池作为分布式储能系统的应用逐渐增多。截至2018年底,中国已投运电化学储能项目的累计规模为1072.7MW,其中锂电池储能项目约占60%。

在以建设柔性智能电网为目标的发展背景下,从提高电网韧性、可调节性、灵活性、智能性、独立性、降低耦合性等角度出发,无论哪种应用,储能均是有效手段之一。从目前可选择储能元件来说,锂电池是一个比较合适的选择,尤其是对于用户侧储能,锂电池作为储能元件的高能量密度、长寿命等优势逐渐显现出来。然而目前用户侧锂电池储能应用增长缓慢,无论是储能系统本身的经济性、安全性还是适用性等方面都有待突破。

一、锂电池可以省钱吗

目前用户侧锂电池储能除了削峰填谷赚取峰谷差价外没有太多其他收益,经济回报途径单一。削峰填谷经济性更多地依赖于地区峰谷电价,图3所示为国内峰谷价差分布区域。从调研来看,北京峰谷价差最大,超过1块钱,因此储能在峰谷套利方面的应用最有优势。接下来依次是天津、上海、江苏及广东。总体来说,一线城市及沿海省份更积极推行峰谷电价,因此用户侧储能会有更好的经济性。

图3 储能削峰填谷经济区域划分

图4 储能削峰填谷收益对比

图4所示为储能项目削峰填谷收益率(横坐标为kWh投资成本,纵坐标为全生命周期收益率,不同颜色曲线代表峰谷价差变化)。锂电池模型考虑了充放电效率、深度、容量衰退,按照4500次循环次数,外加1500-2000次梯次利用循环次数,并在计算中考虑了20%的残值。从图4中可以看出,即使采用这种理想算法,收益率也不是很可观(只有当峰谷差价达到0.7元时,才出现收益率)。另外目前储能行业锂电池品质良莠不齐,业主和集成商很难对电池性能做一个直观判断。市场上锂电池的循环次数在3000次~6000次区间(即使厂家承诺循环次数再高,如果只是用于削峰填谷情形,可能电池的循环寿命没到,日历寿命也已经到了,这同样会降低电池使用效率),并且实际运行情况是否真实还存在较大疑问。这些均增加了投资者对锂电池储能项目经济性的疑问,增加了锂电池储能在用户侧应用的难度。

二、锂电池会更安全吗

锂电池就是能量体,特点是高能量密度,因此本身就具有安全风险,能量密度越高,安全风险越大。目前国内锂电池储能行业基本排除三元电池,认为磷酸铁锂电池比较合适也是一个道理(三元电池能量密度高于磷酸铁锂电池,三元电池的安全风险同时也大于磷酸铁锂电池)。

图 5 电池高能量密度所带来的爆炸安全隐患

提高锂电池品质,降低电池失控风险是必要的。目前对锂电池储能的安全更多地集中在锂电池本身,但是储能系统不只有锂电池,还有其他系统设备、保护设备等,其安全性问题同样值得注意。目前更多的业主和集成商将主要精力关注于电池本身,反而忽略了外围设备和系统集成设计。例如,山西某储能事故的调查结果表明事故原因为固定螺栓顶部对外壳持续放电,而不是电池本身原因。韩国将23起储能系统事故原因总结为四方面:电击保护系统不良、运营操作环境管理不善、安装疏忽、集成控制保护系统管理不善(参见北极星储能网——电池不背锅!针对储能电站事故原因,韩国提出四大改善措施)。这些均表明,除了选择品质优良的锂电池,其储能系统的安全还是存在一定概率的隐患,需要靠更完善更成体系的系统集成设计保证。

三、锂电池是否适用

首先从属性角度来看,目前储能系统在电网中应用更多地定义为一个生产单位。对于用户侧储能而言,其特征与用户侧运行行为紧密,呈现出点多、面广、量大、分散等特点,是一个可参与调节的用户侧设备。如果仅仅定义为一个生产单位,那么其应用约束会很多。

目前针对锂离子电池储能系统建设、运行、维护等规范已经相继建立,但是由于锂离子电池储能系统作为一个新事物出现,相关指导原则和依据还有待进一步完善。例如:国标《GB51048-2014 电化学储能电站设计规范》主要是将储能作为独立生产型单位定义,目前用户侧储能项目设计很难满足规范要求。国标《GB/T36558-2018 电力系统电化学储能系统通用技术条件》要求锂离子电池储能系统能量转换效率不应低于92%,而实际上厂家却很难达到,国内科陆电子CL5231F储能系统效率为88%,特斯拉Powerpack储能系统效率为88%~89%。

锂电池在用户侧储能系统的应用,除了锂电池储能本身参考规范外,更多地涉及到与用户侧既有建筑和设备的配合,相关设计规范与建筑既有规范是否匹配、相关保护是否可以借助建筑物既有保护措施等,这些部分无论是设计还是实际应用均缺乏参考依据。以上工作涉及到多学科知识融合,需要加强跨专业领域的交流与协作。

综上,锂电池储能作为一种新兴应用模式,其效率与能量优势已得到了广泛的认可。但锂电池在用户侧储能工程应用方面的研究仍然不够,相关标准规范支持亟待补充,并且还需要对其属性定义、经济效益、系统设计以及建设运行指导等做进一步研究。


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