陈永翀谈电化学储能的发展方向


来源:eo南方能源观察   时间:2019-11-11 12:26:05


十年前,中国的电力行业和电池行业还没使用“储能”这个词汇。今天,储能,尤其是电化学储能,已经成为这两个领域大大小小论坛上的常见议题。在电力领域,抽水蓄能作为最成熟的物理储能技术已经应用上百年。相对而言,电化学储能仍是新事物,电化学储能的定位、产品需求、发展条件是什么?这是电力行业面临的新课题。本刊记者专访中国科学院陈永翀研究员,探讨储能行业的发展方向。

陈永翀,中国科学院电工研究所储能技术研究组组长,他所带领的团队目前致力于新一代储能电池技术的开发。陈永翀也是中国化学与物理电源行业协会储能应用分会副秘书长,2017年至今,他参与过储能应用分会组织的近百家企业调研。

对于储能电池的研发,陈永翀认为,专门的储能电池会成为未来的趋势。除了电池本体技术外,行业应更加重视电池的运维和回收等多方面。2018年以来,储能行业出现很多积极的变化。他认为,储能的春天已经到来,但如果不能有效解决安全性问题和实际的使用寿命问题,电化学储能也可能遭遇“倒春寒”。

锂电储能安全性在及格线上下

eo:2018年以来,储能行业有哪些新变化?

陈永翀:2018年,整个电网侧有较大进展,电网公司作为主导推动了多个项目。另外,很多电池公司,面临动力电池产能过剩的局面,也想给电池找一个新的应用领域。当然,政策层面也有积极信号。2017年国家发改委等五部委发布《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》,2018年一些地方政府也出台了支持储能发展的政策。主要是这三个方面。

eo:电网储能正在成为电力系统的“刚需”吗?

陈永翀:我认为可以这么理解。根本原因在于我国新能源电力的快速发展,根据国家统计局数据,2017年风电和光伏发电量合计占全国发电总量的6%,风电成为仅次于火电、水电的第三大类型电源。另外,随着电化学储能成本的快速下降,储能在原来缺乏竞争力的领域也逐渐拥有竞争力。储能的多重价值在早期的一些示范项目里面逐渐被挖掘出来,随着示范和商业项目的增多,电网系统也会形成使用习惯,储能将成为刚需。

这里我想强调一下,未来两三年也可能会遇到“倒春寒”,原因在于,电化学储能的安全性和使用寿命还有待实际运行项目的验证。万一安全问题没解决好,或者产品质量频繁出现问题,会对储能在电网中的应用产生很大的负面影响。所以我们说储能的春天已经到来,但天气乍暖还寒。

eo:如何看待抽水蓄能与电化学储能在电力系统中的关系?

陈永翀:抽水蓄能需要一次性高额投资,民营企业基本上没有办法去介入,但抽水蓄能寿命长,安全性高,对环境友好。电化学储能的电池回收问题还没有很好的解决办法,这会是未来规模发展的重要制约因素。与此同时,电化学储能的寿命和安全性还有待实践验证,但电化学储能的突出优点是一次投资额小,建设周期短,一两个月就能建好,抽水蓄能电站从规划到建设投运前后差不多需要十年的时间。

总体来看两者存在互补关系。抽水蓄能因为是机械式的,所以调峰调频的反应速度要慢一些。电化学储能体量小,反应速度快,尤其在毫秒到分钟级别的时间段可以发挥灵活反应的优势。另外,电化学储能更多承担分布式储能的角色,在微网和分布式电网中可以发挥重要作用;而抽水蓄能电站是集中式储能,主要在跨区域大电网中发挥削峰填谷的作用。

在未来,随着电化学储能的规模发展和规模互联调度,两者在小时级别的储能存在竞争关系,我们要承认这种小时级别的竞争关系;但在更长时间级别,比如调节十小时以上,除非未来有新型大容量低成本的储能电池开发出来,才有可能与抽水蓄能竞争。

eo:如何评价锂电池储能的安全性?

陈永翀:如果打分的话,目前储能用锂电池的安全性能在及格线60分上下的水平。合格的磷酸铁锂电池高于60分,一些做得不好的磷酸铁锂电池和三元电池可能达不到60分。

现在业内对安全的重视程度还不够,我们也担心一旦出现规模性的事故爆发,行业的发展将会遇到重大挫折甚至倒退。行业已经开始改进产品,重视消防设计,增加安全消防措施,但目前在这方面还没有很好的办法,外在的消防措施很难有实质性的帮助。

大型储能电池的安全性能要想有实质性的进步,必须实现电池内部可控,这也是我们研发新型储能电池很重要的一个研究方向。不能等到电池冒烟起火再解决储能系统的安全问题,未来一定要从内部控制电池变化,彻底解决电池短路造成的热失控问题,这方面需要电池技术的颠覆性创新与突破。

专门的储能电芯会成为趋势

eo:储能对于电池有哪些不同于动力电池的需求?

陈永翀:第一,储能电池的发展目标是“低成本,长寿命,高安全,易回收”,对于能量密度没有直接的要求,而动力电池在满足安全性的前提下对能量密度有比较直接的要求。第二,无论是循环次数还是实际的使用年限,储能电池的寿命要求都要比动力电池长。比如家用的电动汽车,如果两到三天充一次电,使用六到八年,只需要循环一千次左右,但储能的循环次数寿命要求远不止于此,一般要求具有十年以上的日历使用寿命。

第三,成本要求也不一样,储能需要更便宜的电池。储能电池的成本包括一次采购成本,二次运维成本和三次回收成本。目前运营商普遍不考虑运维成本和回收成本,但以后一定会考虑。现在大家讨论成本只谈一次采购成本,也就是每瓦时多少钱,这个是不对的。

第四是安全性。动力电池和储能电池对于安全性都有很高要求,但具体到安全性的设计上会有很不一样的地方。

动力电池应用在车上,用于载客,涉及到人身安全,因此要求当安全事故发生后能够给予乘客充分的逃离时间。储能电站主要涉及到电力系统的安全性,在系统安全性设计方面还有待技术突破,需要从大型储能电池内部对电池和系统的安全性进行有效控制。

另外一个重要的区别在于:动力电池应用场景相对单一,而储能电池的应用场景更为丰富和复杂。储能应用场景的复杂性决定了储能电池技术的多元化发展方向。例如,电力调峰、离网型光伏储能或用户侧的峰谷价差储能,一般需要储能电池连续充电或连续放电两个小时以上,因此适合容量型电池的应用;对于电力调频或平滑可再生能源波动的储能场景,则需要储能电池在秒级至分钟级的时间段快速充放电,所以比较适合功率型电池的应用;而在一些同时需要承担调频和调峰的应用场景,能量型电池会更适合些,当然,这种场景下也可以将功率型与容量型电池配合一起使用。

所以,理论上说应用场景不同,就需要不同的储能产品。针对特定场景选择合适的储能电池技术进行应用将是未来很长时间内储能市场的主旋律,未来新型储能电池技术的研发方向也应遵循这一规律,针对特定场景放大其优点以获得未来商业化应用的可能。专门的储能电池肯定会成为趋势。现在,一些电池企业觉得储能电池和动力电池基本面是相同的、差不多,所以会直接把动力电池用在储能上。预计最近三年之内,还是以这种情况为主。但是三年以后应该会有针对不同应用场景的不同储能电池推出,现在已经有企业在布局。当然,产业化需要一个过程。

eo:为什么您强调要脱离小型电池的设计思路?

陈永翀:根本原因是储能需要大容量或大功率工作的大型电池,如果还是按照小电池的设计思路会出现一系列问题。例如,小型锂电池内部采用粘接的薄膜电极结构,这给储能用大型锂电池内部性能一致性的控制带来了根本性的难题。另外,薄膜电极高精度的要求也导致了高昂的制造成本。

从回收上看,小电池在设计之初并不考虑回收问题,内部电极粘结和外部壳体焊接都很牢固,报废回收非常困难。如果大型储能电池一开始不考虑回收问题,未来报废电池将难以拆解回收,运输也是难题,这将给环境安全和产业发展带来灾难。因此在储能产业发展初期,必须从产业末端存在的问题倒推产业前端的设计,未雨绸缪,高度重视全产业链的健康可持续发展。

大型储能电池需要一些根本性的、颠覆性的创新突破,用以适应不同储能场景的应用需求。对于大型电池,材料技术只是其中一个重要方面,但不是全部,还需要综合考虑结构技术、制造技术、应用技术、运维技术和回收技术等多个方面的内容,任重道远。

eo:中国在锂电池研发制造上与日韩还存在哪些差距?

陈永翀:由于新能源汽车的发展,中国锂离子电池制造从规模上、研发上以及设备国产化上都有较大的进步。

我们国家在2000年前后开始规模化生产锂离子电池,最初主要是引进日韩设备,相当于从国外的技术和装备发展历程中截取了一个剖面。日韩在此领域有长期的研发积累,因此对于技术及装备整体发展的思路,我们相对来说会有所欠缺。

尽管现在设备的国产化率已经比较高了,但涉及关键的设备或者某些关键的部件,还是需要依赖日韩。所以中国要想改变这个局面,一定要有创新的思路,特别需要一些原创的、颠覆性的电池技术,比如专门针对储能的大型电池,与此结合开发相应工艺和国产装备。

技术的产业化是非常艰难的。我们可以在实验室合成高性能的材料,但是还不够,还需要用材料做成电池,最后要形成自动化的产线。工艺装备方面我觉得我们还比较欠缺,需要大力加强技术研究与产业装备的结合,否则我们很难改变这种局面:企业一直进口设备,三四年后设备落后了,又不得不进口新设备,始终只能跟在后面,赚取相对微薄的生产利润。

不认同“从小到大”的梯级利用

eo:如何看待梯级利用电池用于储能?

陈永翀:认同“从大到小”的思路,但不认同“从小到大”的梯级利用。也就是动力电池退役后,可以用在一些对于电池容量和规模要求更低的场景中,但应用在大规模储能电站中存在严重问题。储能电站电池需要专门的储能电池,而不是动力电池,更不可能是退役后的动力电池。当然,客观而言,梯级利用技术有一定的研究空间,因为储能电站的使用寿命要求达到十年以上,因此会有一个新旧电池混用的服役阶段,新旧电池混用技术和梯级利用技术有相似之处。

即使是动力电池“从大到小”的梯级利用,也需要相关机构出台政策法规,及早规范。否则,动力锂电池领域也可能像铅酸电池一样出现回收乱象,形成灰色的回收产业链,大量的退役锂电池重新流入市场,以次充好。如果仅仅是性能不好倒也没有太大危害,但旧电池的安全问题会更严重,会给人身和财产安全带来极大风险,甚至给一些家庭带来毁灭性打击。我们不能够等问题出现后再加以重视解决,因为一旦庞大的灰色产业链形成后,是很难从根源铲除问题的,铅酸电池的非法回收产业就是一个典型的负面案例,目前有70%多的铅酸电池都是不正规回收,已经给我们国家的水质和土壤环境造成了巨大破坏。

eo:储能电站运维是否会成为储能的新课题和新市场?

陈永翀:抽水蓄能的运行对于电化学储能是有启示的。抽水蓄能电站有复杂的运维要求,电化学储能现在不谈运维,但长远来看肯定需要面对。未来一定会出现运维市场。而且最有可能是出现独立的第三方运维,这是一个巨大的市场。

电化学储能电站的运维技术包括系统的电气维修技术和电池的在线再生技术。前者包括环境腐蚀修护、电气绝缘老化检测、电连接检测、温度压力传感维护和电池巡检技术等,后者是针对新型储能锂电池提出的新的技术方向。因为理论上讲,除了电池活性颗粒内部晶格紊乱问题以及集流体的腐蚀脱落问题,储能锂电池的其他界面问题都有可能通过在线再生的方式进行维护延寿。当电池使用一段时间后,可以通过正负极材料表面SEI膜原位修复、电解液的补充和更换等方式对电池性能进行再“激活”,延长储能锂电池的实际日历使用寿命。例如,新型锂浆料储能电池的浆料厚电极形态赋予了其在使用期进行在线再生的可能性。

储能的价值表现和价格表达之间存在矛盾

eo:对储能电站的商业模式和价格机制有何期待?

陈永翀:总体来讲,应该把储能放在电力体制改革的大框架里面,脱离开电力体制改革方向单独来谈储能不合适。储能是新能源电网重要的不可或缺的配角,但并不是主角。因此,储能政策和产业的发展,一定要放在电力体制改革的框架里考虑,或者说,储能的发展取决于能源结构转型的程度和电力体制改革的深度。

储能的价值已经逐渐被发现,但是储能的价格没有被很好地表达,两者之间存在矛盾。这不仅是我们面临的问题,也是美国等发达国家面临的问题。我们曾与美国商务部做过交流,在美国存在两种情况,一种是在垂直管制的电力体系中,储能的价值可以得到非常好的体现,但价格不明确。因为调度让储能做什么储能就做什么,所以储能的价值得到比较充分的发挥。另一种是在完全市场化的电力系统中,储能价值发挥有限,但是价格却能在市场中充分体现。因为对于储能业主来说,他可以根据价格机制判断储能装备何时参与紧急备用、调频还是调峰,但如果亏钱就不会参与。也就是说,在电力管制的场景,更能发挥储能的价值;在非管制的市场环境,储能的价格更能体现。

储能是新能源领域技术产业的第三次爆发。目前,储能价值的价格体现远远不够充分,因此需要结合电力体制改革,“还原能源的商品属性”,在价格政策方面尽可能丰富地体现储能的价值。政策是辅助,市场是主体,要充分吸取光伏产业和新能源汽车产业政策制定方面的经验教训,避免出现过度的政策依赖性和补贴依赖性,促进储能产业的健康可持续发展。

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