电力储能技术介绍和比较

电力储能行业之钒电池Page2电力储能方式和发展现状1电力储能技术的应用2钒电池的技术特点及应用3目录Page3大规模储能蓄电的作用用于调节可再生能源发电系统供电的连续性和稳定性用于电网的“削峰填谷”用于用电大户的“谷电”蓄电用于重要部门和重要设施的应急电源及备用电源用于“非并网”风电直接利用中的调节电源1Page4设备类型用户类型功率等级能量等级便携式设备-1~100WWh运输工具汽车25~100KW100KWh火车、轻轨列车100~500KW500KWh潜艇1~20MW10MWh静止设备家庭1KW5KWh小型工业和商业设施10~100KW25KWh配电网MWMWh输电网10MW10MWh发电站10~100MW10~100MWh不同应用场合对能量和功率密度的要求是不同的电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态存储，按照其具体方式可分为物理、电磁、电化学和相变储能四大类型物理储能抽水蓄能压缩空气储能飞轮储能电磁储能电化学储能相变储能超导储能超级电容储能高能密度电容储能铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能冰蓄冷储能P.S.：以下主要介绍大规模电力储能技术1储能技术的分类Page5配备上、下游两个水库，负荷低谷时段抽水储能设备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库保存，负荷高峰时抽水储能设备工作于发电机的状态，利用储存在上游水库中的水发电上水库有无天然径流汇入纯抽水蓄能电站混合抽水蓄能电站调水式抽水蓄能电站原理应用抽水储能是在电力系统中应用最为广泛的一种储能技术，其主要应用领域包括调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、黑启动和提供系统的备用容量，还可以提高系统中火电站和核电站的运行效率按一定容量建设，储存能量的释放时间可以从几小时到几天，综合效率在70%~85%之间发展方向机组向高水头、高转速、大容量方向发展，今后的重点将立足于对振动、空蚀、变形、止水和磁特性的研究，着眼于运行的可靠性和稳定性，在水头变幅不大和供电质量要求较高的情况下使用连续调速机组，实现自动频率控制。1抽水蓄能电站Page6压缩空气储能电站（compressedairenergystorage,CAES）是一种调峰用燃气轮机发电厂，主要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并将其储藏在典型压力7.5MPa的高压密封设施内，在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。原理在燃气轮机发电过程中，燃料的2/3用于空气压缩，其燃料消耗可以减少1/3，所消耗的燃气要比常规燃气轮机少40%，同时可以降低投资费用、减少排放。CAES建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站，但其能量密度低，并受岩层等地形条件的限制。地下储气站有多种模式，其中最理想的是水封恒压储气站，能保持输出恒压气体，保障燃气轮机稳定运行。CAES储气库漏气开裂可能性极小，安全系数高，寿命长，可以冷启动、黑启动，响应速度快，主要用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电系统备用。100MW级燃气轮机技术成熟，利用渠氏超导热管技术可使系统换能效率达到90%。大容量化和复合发电化将进一步降低成本。随着分布式能量系统的发展以及减小储气库容积和提高储气压力至10~14MPa的需要，8~12MW微型压缩空气蓄能系统（micro-CAES）已成为人们关注的热点。应用发展方向1压缩空气蓄能电站Page7飞轮储能装置主要包括3个核心部分：飞轮、电机和电力电子装置。他将外界输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，当外界需要电能的时候，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载，要求空闲运转时候损耗非常小。原理飞轮储能功率密度大于5kW/kg，能量密度超过20Wh/kg，效率在90%以上，循环使用寿命长达20a，工作温区-40~50℃，无噪音、无污染、维护简单，主要用于不间断电源(UPS)/应急电源(EPS)、电网调峰和频率控制。应用随着对飞轮转子设计、轴承支撑系统和电能转化系统的深入研究，高强度碳素纤维和玻璃纤维材料、大功率电力电子变流技术、电磁和超导磁悬浮轴承技术极大地促进了储能飞轮的发展。磁浮轴承的应用、飞轮的大型化以及高速旋转化合轴承载荷密度的进一步提高，将使飞轮储能的应用更加广泛。发展方向1飞轮储能Page8超导磁储能系统(SMES)超级电容器储能原理原理应用应用发展发展超导磁储能系统利用超导体制成的线圈储存磁场能量，功率输送时无需能源形式的转换，具有响应速度快(ms级)，转换效率高(≥96%)，比容量(1~10Wh/kg)/比功率(10⁴~10⁵kW/kg)大等优点，可以实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿SMES技术相对简单，没有旋转机械部件和动密封问题。SMES可以充分满足输配电网电压支撑、功率补偿、频率调节、提高系统稳定性和功率输送能力的要求目前1~5MJ/MW低温SMES装置已形成产品，100MJ装置已投入高压输电网运行，5GWh装置已通过可行性分析和技术论证。SMES的发展重点在于高温超导涂层导体研发适于液氮温区运行的MJ级系统，解决高场磁体绕组力学支撑问题等根据电化学双电层理论，充电时处于理想极化状态的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双电层电容。由于电荷层间距极小并采用特殊电极结构，电极表面积成万倍增加，产生极大的电容量超级电容器价格较为昂贵，在电力系统中多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质量高峰值功率场合，如大功率直流电机的启动支撑、动态电压恢复器等，在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平超级电容器已经历了三代发展，形成电容量0.5~1000F、工作电压12~400V、最大放电流400~2000A系列产品，储能系统最大储能量达到30MJ。基于活性碳双层电极与锂离子插入式电极的第四代产品正在开发中1超导磁储能系统与超级电容器储能Page9电池种类单体标称电压/V反应式研发机构铅酸2.0主要电池厂家镍镉1.0~1.3主要电池厂家镍氢1.0~1.3主要电池厂家锂离子3.7主要电池厂家钠硫2.08东京电力公司、NGK、上海电力公司全钒液流1.4VRB、V-FuelPty、住友电工、关西电力、中国电力科学研究院电力储能系统可利用的主要电池1各电池储能系统的基本特性Page10电池种类功率上限比容量/(Wh/kg)比功率/(W/kg)循环寿命/次充放电效率/%自放电/(%/月)铅酸数十MW35~5075~300500~15000~802~5镍镉几十MW75150~30025000~705~20锂离子几十kW150~200200~3151000~100000~950~1钠硫十几MW150~24090~23025000~90-全钒液流数百kW80~13050~140130000~80-部分电池储能系统性能比较铅酸电池在高温下寿命缩短，与镍镉电池类似，具有较低的比能量和比功率，但价格便宜，构造成本低，可靠性好，技术成熟，已广泛用于电力系统，目前储能容量达20MW。但其循环寿命短，且在制造过程中存在一定环境污染。镍镉等电池效率高、循环寿命长，但随着充放电次数的增加容量会减少，荷电保持能力有待提高，且因存在重金属污染已被欧盟组织限用。锂离子电池比能量/比功率高、自放电小、环境友好，但由于工艺和环境温度差异等因素的影响，系统指标往往达不到单体水平，使用寿命较单体缩短数倍甚至十几倍。钠硫和液流电池被视为新兴的、高效的且具广阔发展前景的大容量电力储能电池。1各电池储能系统比较Page11抽水蓄能电站压缩空气储能电站日、美、西欧等国家和地区在20世纪60~70年代进入抽水蓄能电站建设的高峰期，到目前为止，美国和西欧经济发达国家抽水储能机组容量占世界抽水蓄能电站总装机容量55%以上，其中：美国约占3%，日本超过10%；中国、韩国和泰国3个国家在建抽水蓄能电站17.53GW，加上日本的在建量达24.65GW。近年国外投入运行的8大抽水蓄能电站：世界上第一个商业化CAES电站为1978年在德国建造的Huntdorf电站，装机容量为290MW，换能效率77%，运行至今，累计启动超过7000次，主要用于热备用和平滑负荷。在美国，McIntosh电站装机容量为100MW，Norton电站装机容量为2.7GW，用于系统调峰；2005年由Ridge和EIPaso能源公司在Texas开始建造Markham电站，容量为540MW。在日本，1998年施工建设北海道三井砂川矿坑储气库，2001年CAES运行，输出功率2MW。在瑞士，ABB公司正在开发大容量联合循环CAES电站，输出功率442MW，运行时间为8h，贮气空洞采用水封方式。此外，俄罗斯、法国、意大利、卢森堡、以色列等国也在长期致力于CAES的开发。电站国家装机容量/MW投入年份落基山美国7601995锡亚比舍伊朗10001996奥清津Ⅱ日本6001996葛野川日本16001999拉姆它昆泰国10002000金谷德国10602003神流川日本28202005小丸川日本120020072抽水蓄能电站与压缩空气储能电站Page12研发机构基本参数技术特点应用西门子公司储量21MJ/5.7Wh,最大功率1MW4800支2600F/2.5V电容器组成，储效95%地铁配电美国TVA电力公司200kW用于大功率直流电机启动支撑飞轮储能系统的部分应用：研发机构基本参数技术特点作用日本四个综合研究所8MWh，储能放电各4h，待机16h高温超导磁浮立时轴承，储效84%平滑负荷日本原子力研究所215MW/8GJ输出电压18kV,输出电流6896A，储效85%UPS美国Vista公司277kWh引入风力发电系统全程调峰美国马里兰大学(1991)24kWh,11610~46345rad/min电磁悬浮轴承，输出恒压110V/240V，储效81%电力调峰美国波音公司100kW/5kWh高温超导磁浮轴承电力调峰德国(1996)5MW/100MWh,2250~4500rad/min超导磁浮轴承，储效96%储能电站欧洲UrencPower公司(2001)转速42000rad/min高强度碳纤维和玻璃纤维复合材料UPS巴西(2004)额定转速3000rad/min超导与永磁悬浮轴承电压补偿SMES的部分应用：超级电容器系统的部分应用：年份应用地基本参数作用1982美国30MJ/10MW抑制系统低频振荡和支撑系统电压1993美国阿拉斯加电网1.8GJ提高电网供电可靠性2000美国威斯康辛某电网6×3MJ/8MVA避免电压凹陷和短路故障2002美国田纳西某电网8×3MJ/8MW维护输电网电压稳定2002日本Chubu公司7.3MJ/5MW提供瞬时电压补偿2003日本Chubu公司1MJ,Bi-2212提供瞬时电压跌落2006日本Hosoo电站10MW补偿瞬时电压跌落2002德国ACCEL150KJ,Bi-2223用于20kVAUPS系统，与电网相连以提高电能质量，同时发挥有源电力滤波器作用2001韩国电力研究所1MJ/300VA有效维护系统稳定运行2006韩国电力研究所3MJ/750kVA提高敏感负荷的供电质量近年来，飞轮、超导磁和超级电容器储能技术在各国都得到研发应用2飞轮、超导磁和超级电容器储能系统的应用Page13铅酸蓄电池系统钠硫电池系统铅酸电池储能系统在发电厂、变电站充当备用电源已使用多年，并在维持电力系统安全、稳定和可靠运行方面发挥了极其重要的作用国外大型铅酸蓄电池系统及其功能：东京电力公司在钠硫电池系统研发方面处于国际领先地位，拥有较为成熟的商业化产品，1999年在大仁变电站设置6MW×8h系统，2004年7月又在Hitachi自动化系统工厂安装了目前世界上最大的钠硫电池系统，容量9.6MW/57.6MWh；钠硫电池系统在电力系统和负荷侧成功应用100余套，总容量超过100MW，其中近2/3用于平滑负荷。2004年，在美国哥伦比亚空军基地安装了12MW/120MWh钠硫电池系统，充当备用电站。铅酸电池系统名称和位置额定功率/容量(MW/MWh)功