储能,冉冉升起的电力新兴发展方向


来源:绳博文   时间:2019-11-09 12:26:07


01 什么是电力储能

电力储能,通常指的是用各种手段将一定规模的电能存储起来

其实小伙伴们用的手机锂电池就是电化学储能的一种,而电化学储能则是储能的一种。整体看,储能可以分为机械储能、电磁储能、电化学储能、氢储能、热储能几种类型。

常用的储能技术中,机械储能包括抽水蓄能、压缩空气和飞轮储能;电磁储能包括超导、超级电容和高能密度电容储能;电化学储能包括锂离子、钠硫、液流、铅酸电池储能等;氢储能是利用多余电力制氢;热储能包括热水罐、熔岩储能、相变储能等。

现阶段适用于电力系统的主要是存储和释放电能的储能方式,我们称之为电力储能,形式上主要为机械储能和电化学储能。以下为几种常用电力储能方式:

抽水蓄能是最传统的电力储能方式,寿命40~60年,单机250~300MW,放电时间5+1小时,抽水蓄能电站多为1000MW级电站。储能密度0.5-1.5Wh/L。建设周期5~7年。容量大,反应速度慢。

压缩空气储能性能类似抽水蓄能,寿命30~50年,单机容量10MW/80MWh,放电时间8小时,易组成100MW级储能电站。能量密度3-6Wh/L。建设周期1年半左右。容量大,反应速度慢。

飞轮储能,寿命25年,单个飞轮输出功率500kW/1MW,50kWh,放电时间6-15分钟,能量密度20-80Wh/L。容量小,反应速度快。

锂电池储能是电化学储能的一种,原理和小伙伴手中的手机锂电池并没有什么差异,只是做的容量非常大,安装在集装箱中。寿命10年,充放电次数5000次,放电时间0.5-2小时,能量密度200-500 Wh/L。容量可大可小,适用范围非常广,反应速度非常快。

液流电池储能是电化学储能的一种,整体构造像一个化工厂,寿命20年,充放电次数20000次。放电时间4小时,适合100MW及以上大型电站。能量密度16-33Wh/L,建设周期1年。容量大,反应速度较快。

铅酸电池也是一种电化学储能手段,是历史最悠久的电池,价格也最低。传统铅酸电池寿命太短,但负极加入活性炭改良后,满充满放寿命3000次,寿命10年,就可以作为一种电力储能手段了。能量密度80Wh/L,典型放电时间2~8小时。容量不大,反应速度也不算快。

02 为什么需要电力储能

电力储能保持发电和用电的平衡

小伙伴们都知道,电力最大的特点就是不能大规模存储,要时刻保持发电和用电的平衡。如果发电功率大于用电功率,整个电力系统的频率要升高;如果发电功率小于用电功率,整个电力系统的频率要降低。频率的升高和降低都是不允许的,因此发电机调速器会随着频率的变化在3秒之内小幅度调整发电机的功率输出,保持全网频率稳定,这叫做一次调频。当负荷变化较大的时候,单台发电机调速器调整幅度不够,电力调度中心会发出指令,大幅调整某些发电厂的发电功率,发电厂会在50秒之内调整到位,这叫做二次调频。电力系统白天负荷大,夜晚小伙伴们都休息了,电力负荷自然会降下来,为了保持发电和用电的平衡,调度中心会根据负荷预测情况制定全网发电机的日发电曲线,白天大家都提高功率,夜晚大家都降低功率,这种小时级的调整叫做调峰。电力系统就是靠着一次调频、二次调频、调峰三大手段,实现了发电和用电的平衡,从而守住全网频率在50Hz不发生大的变化。电力系统自诞生之日起如此工作了一百多年,大家相安无事,直到一条鲶鱼跳进了电力系统这个池塘,这条鲶鱼就是以风电和光伏为代表的新能源。

新能源绿色环保,但对于电力系统的稳定来说是头疼的存在。新能源不可调节,太阳好发电就多,来一片云彩发电量就下来了。风电也一样,风小了发不了电,风大了必须闭锁防止风机被吹坏了,丝毫不顾及广大用户的用电需求。举个极端的例子,2018年山东大地某个盛夏的傍晚,天气闷热潮湿,小伙伴们酷暑难耐,纷纷开启保命神器空调,全网电力需求急剧攀升,然而此时太阳落山,没有一点风,山东省2800万千瓦装机的新能源仅仅发出10万千瓦的电力。新能源极寒无光、极热无风的特点让调度中心的小伙伴们倍感头疼。以往新能源占比少的时候,电力系统中随时可以接受调节的火电机组像可爱的人民解放军一样默默地调整出力,保证大家的空调等各种负荷不停电,但是随着国家新能源不断发展,不靠谱的新能源装机容量越来越大,火电机组已经不能够弥补新能源的空缺了。目前山东电网已经开始要求火电采取非正常的调峰手段,并限制新能源的接入,这种状况不解决,新能源的发展之路就不能打开。怎么办?

面对这样变化无常的光伏发电曲线,相信调度中心的小伙伴们内心一定是崩溃的。

再加上更加变化无常的风电发电曲线,调度中心的小伙伴们欲哭无泪。

按照巴黎协定的碳排放减排计划,各种化石能源电厂比例会不断下降,但中国电力需求在不断增长,风电光伏比例只会越来越高。其实目前发达国家新能源装机比例已经很高了,欧洲调度的小伙伴们已经面临了更大的压力,但他们通过燃气轮机、储能等各种灵活调节手段,实现了高可再生能源比例情况下的电网稳定。下图是山东电网和德国电网的对比,山东电网和德国电网总体规模相差不大,但可再生能源装机比例德国电网是山东电网的2倍还多:

电力储能就是解决新能源接入与电网稳定矛盾的有效路径。新能源装机比例大的电网,新能源是电力电子元件,不能像传统旋转发电机一样提供调频服务,储能装置,特别是电化学储能中的锂离子电池,反映速度在1S以内,完全可以代替传统发电机对电网进行调频;新能源出力随着天气变化而变化,多余的电力可以存储在储能装置之中,待新能源出力降低的时候再提供给电网使用,因此储能也可以作为调峰电源。总的来说,储能手段中速度快的用来调频,速度慢但容量大的用来调峰。

储能在电力系统中的应用不仅仅是调峰和调频,当电力系统中某个电源突然故障的时候,储能可以通过调度指令迅速放电,为电网提供紧急功率支撑,维持电网的稳定。小伙伴们知道,电力系统是一个随时保持平衡的复杂电磁系统,各种元件可以用相量数学模型描述,电力系统可以用微分方程组或复数方程组来表示,其运行带有很多边界条件,储能的加入可不是简单的加减法的问题,它可以放宽电力系统运行的边界条件,起到四两拨千斤的作用,对电力系统的运行大有裨益。因此,未来的电力系统运行,一定是新能源+储能为主力的。储能的发展很可能像2010年开始的新能源革命浪潮一样,迎来一波发展的黄金期。

03 电力储能的未来之路

未来储能在电力系统的应用一定是根据应用场景各得其所,未来新型的储能手段也会层出不穷。

其实电力系统中一直有储能的存在,这就是抽水蓄能电站。如九十年代建成的山东泰安抽水蓄能电站,装机容量4*25万千瓦,下水库位于泰山脚下的大河水库,正常蓄水位165米,上水库位于南麓横岭北侧的樱桃园沟,正常蓄水位410.0m。用电低谷期用剩余电力从下水库往上水库抽水,用电高峰期打开上水库闸门,储能电站当水电站用,向电网补充电力,效率约为75%。但抽水蓄能电站的建设要破坏山体,工期长达7年,目前很多山体都被列入生态红线,建设起来难度很大。这种情况下,新型的其他机械储能手段如压缩空气、飞轮储能和电化学储能逐渐发展起来,尤其是电化学储能异军突起,成为电力储能新的发展方向。

响应速度快的锂电池、飞轮储能,可以用来做电网的调频,容量大但响应速度稍慢的抽水蓄能、压缩空气、液流电池、铅碳电池可以用来做电网的调峰。锂电池也可以用来做电网的调峰,但是寿命短,造价高;压缩空气储能造价低,调峰优秀,但是效率比较低。没有一种储能能够完美的解决电力系统的问题,未来储能在电力系统的应用一定是根据应用场景各得其所,未来新型的储能手段也会层出不穷。

各种电池组成电化学储能电站是目前储能最热的发展方向,电力储能装置通过变压器升到合适的电压接入电网后,就是电力储能电站了。以下是几个电化学储能电站的照片,它本质上是一个巨大的充电电池,但是已经巨大到可能会突破小伙伴们对电池的认知哦。

锂电池储能电站:

液流电池储能电站:

目前储能的发展才刚刚开始,除了较高的储能价格和储能技术本身有待突破之外,电力系统是一个整体,如何把储能融入到现有的电力系统安全、营销、调度体系中,我们有大把的工作要做。储能电站的运行规范、安全规范、政策研究都等着年轻有为的你们去研究,新兴储能手段的不断研发还会为电力系统带来各种革命性的变化。青年们有大把的光阴,储能有大量的工作等着你们去开拓,加油吧,蓬勃向上的电力储能产业,加油吧,有志于投身储能发展的青年!

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