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    各类储能电站:抽水/锂电/重力/液氢蓄能方案技术分析

    Author:zhoulujun Date:

    根据不同的储电技术,储能可分为机械储能、电化学储能、电磁储能。机械储能中最成熟、应用最普遍的是抽水蓄能,主要用于电力系统的调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用等。抽水电站装机规模最大。锂电蓄能应用广

    储能电站发展的因由

    上世纪90年代末以来,美国电力行业在减少温室气体排放方面开始面临越来越大的压力。在各种税收激励和更加低成本的刺激下,可再生能源发电已经将注意力转移到储能上,以确保不稳定的风能和太阳能提供更加可靠的服务

    储能技术的功能

    目前我国光伏与风电井喷是发展,但是,基本都沦为费点而不得上网而弃风、弃光。因为他们电力不稳定。造成电网波动太大而成电网负担

    在云南的很多小水电站也存在弃水情况,因为高峰期电力无法消化,枯水期不发点。第二个电力因为电网也无法运出,而当地也无法消化。——之前比特币消耗不少,但是因为政策原因,很多币厂老板一夜之前血本无归。撇开不谈,还是回归主题。

    储能技术

    根据不同的储电技术,储能可分为机械储能、电化学储能、电磁储能。其中,机械储能主要包括抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能,其技术特点都是以水、空气等作为储能介质,这些储能介质不发生化学改变;

    电化学储能也就是电池储能,其技术特点均是利用化学元素作为储能介质,充、放电过程实际上就是储能介质的化学反应或者变价的过程;

    电磁储能是指把能量保存在电场、磁场或交变等电磁场内储能技术,主要技术发展方向为超导电磁蓄能等。



    储能技术的分类


    机械类储能的应用形式只要有抽水蓄能、压缩空气储能(CAES)和飞轮储能。其中目前应用规模最大的就是抽水蓄能。

    目前,机械储能中最成熟、应用最普遍的是抽水蓄能,主要用于电力系统的调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用等。根据CNESA数据统计,截至2018年12月底,中国已投运储能项目的累计装机规模为31.2GW,其中抽水蓄能的累计装机规模最大,约为30.0GW,占比高达96%。

    不同储能形式对应的性能特点及经济成本

    目前世界占比最高的是抽水蓄能,其总装机容量规模达到了127GW,占总储能容量的99%,其次是压缩空气储能,总装机容量为440MW,排名第三的是钠硫电池,总容量规模为316MW。

    抽水蓄

    自19世纪90年代以来,抽水蓄能一直是大型储能的主要选择,到2017年底,美国已经安装了大约22 GW的抽水蓄能。我国现在已经是在建抽水蓄能规模最大的国家。

    蓄能行业占比分布

    抽水蓄技术原理

    电网低谷时利用过剩电力将作为液态能量媒体的水从低标高的水库抽到高标高的水库,电网峰荷时高标高水库中的水回流到下水库推动水轮机发电机发电

    抽水蓄优势

    • 属于大规模、集中式能量储存,技术相当成熟,可用于电网的能量管理和调峰

    • 效率一般约为 65%~75%(俗称进4出3) ,最高可达80%~85%;

    • 负荷响应速度快(10%负荷变化需10秒钟),从全停到满载发电约5分钟,从全停到满载抽水约1分钟;

    • 具有日调节能力,适合于配合核电站、大规模风力发电、超大规模太阳能光伏发电。

    抽水蓄弊端

    • 主要是地理局限性太大——选址困难,及其依赖地势。

      • 占地规模大,城市中心地段不可能兴建大型抽水蓄电站,远离电力消费中心,输电成本高。

      • 需要上下池两个水库抽水放水,这个不是很好找。

    • 投资周期较大,损耗较高,包括抽蓄损耗+线路损耗;

    压缩空气储能(CAES)

    压缩空气蓄能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电量,由电动机带动空气压缩机,将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴,当系统发电量不足时,将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧,导入燃气轮机作功发电。国外研究较多,技术成熟,我国开始稍晚,好像卢强院士对这方面研究比较多,什么冷电联产之类的。

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    压缩空气储也有调峰功能,适合用于大规模风场,因为风能产生的机械功可以直接驱动压缩机旋转,减少了中间转换成电的环节,从而提高效率。

    压缩空气储能不足之处

    一大缺陷在于效率较低。原因在于空气受到压缩时温度会升高,空气释放膨胀的过程中温度会降低。在压缩空气过程中一部分能量以热能的形式散失,在膨胀之前就必须要重新加热。通常以天然气作为加热空气的热源,这就导致蓄能效率降低。还有可以想到的不足就是需要大型储气装置、一定的地质条件和依赖燃烧化石燃料。

    空气压缩也照样占地方,虽然没有抽水电站占地多,但是也没有抽水电站的经济实惠与可靠性,飞轮虽然不占地方,但是蓄能少,运行时间短。

    相比抽水蓄能等机械储能,电化学储能受地形等因素影响较小,可灵活运用于发电侧、输配电侧和用电侧。相比电磁储能,电化学储能的技术更为成熟、成本更低,商业化应用范围更广。同时,随着近年来成本的快速下降、商业化应用逐渐成熟,电化学储能的优势愈发明显,开始逐渐成为储能新增装机的主流,且未来仍有较大的成本下降空间,发展前景广阔。

    抽水储能占据绝大部分,主要得益于其成熟的技术以及较低的成本,但电化学储能才是应用范围最为广泛、发展潜力最大的储能技术,

    各类电化学储能技术中,锂离子电池累计规模最大,是最主流的电化学储能技术路线。锂电池在储能的应用上,以磷酸铁锂电池为主流。

    锂电蓄能

    但上述这两种方法都是资本密集型的,且受到地理位置的限制。为了满足人们对可靠、广泛可用、价格低廉的小型储能设备日益增长的需求,电池成为电力生产商的首选。大型锂离子电池系统一直是电化学储能的首选。

    锂电池占电池比重

    锂电蓄能的弊端

    2019年4月亚利桑那州一座2 MW的锂离子电池储能设施发生爆炸,凸显了该技术的防火安全问题,也加速了行业内对于储能安全标准的重视。另外,一些开发者也正在寻找其他替代性的储能系统。

    除电化学电池外,还有大量的储能系统,包括热能、动能和重力势能等。2018年11月,瑞士的Energy Vault公司推出了重力系统,这是储能市场的最新进入者之一。

    液流电池储能

    液流电池的活性物质可溶解分装在两大储存中,溶液流经液流电池,在离子交换膜两侧的电极上分别发生还原与氧化反应。此化学反应为可逆的,因此可达到多次充放电的能力。此系统之储能容量由储存槽中的电解液容积决定,而输出功率取决于电池的反应面积。由于两者可以独立设计,因此系统设计的灵活性大而且受设置场地限制小。液流电池已有全钒、 钒溴、 多硫化钠/溴等多个体系,液流电池电化学极化小,其中全钒液流电池具有能量效率高、 蓄电容量大、 能够100%深度放电、 可实现快速充放电,寿命长等优点,全钒液流电池已经实现商业化运作,能够有效平滑风能发电功率。在日本运营的容量为4 MW的全钒液流电池为当地32 MW的风电场提供储能,并已运行27万次循环,世界上还没有任何其他储能技术能够实现这一要求.

    氢气储能

    三菱日立电力公司(简称MHPS)和合作伙伴Magnum Development公司宣布了他们所谓的世界上最大的可再生能源储能系统——先进清洁能源储能(ACES)项目,该项目将利用可再生氢开发1000 MW的100%清洁能源储能。

    氢气储能设备

    ACES项目将部署四种清洁能源:可再生氢、压缩空气储能(CAES)、大规模液流电池和固体燃料电池。MHPS美洲公司总裁兼首席执行官保罗·布朗宁说:“我们正在部署的技术可从几秒到几个季度,按时间尺度储存电能。”

    该项目将部署在Magnum Development公司所拥有的盐丘所在地——犹他州中部。Magnum公司目前经营着5个用于液体燃料储存的盐穴,同时正在开发ACES项目和可再生氢项目。MHPS公司的高级主管麦克·麦克马纳斯(Mike McManus)说,对于ACES项目,MHPS将“利用可变的、可再生的资源制造氢”。

    氢气储能原理

    麦克马纳斯解释道,氢是长期储存能量的绝佳介质,它不会随着时间的推移而降解,就像电池一样可以让它静置。我们可以利用太阳能和水电解,从而分离氧和氢,然后氢气以纯净的形式储存在有压力的洞穴里,当需要它的时候把它拿出来,在燃气轮机或燃料电池里使用。还可以将氢气与天然气混合,以减少天然气的碳足迹。

    重力储能

    混凝土块搭积木储能

    不同于任何一种传统储能技术,这家瑞士/美国的创业公司,使用的是一种有点“疯狂”的新概念——用混凝土块来搭积木。在他们的设计中,共有6座塔式起重机,也就是塔吊,把数千块每个重达35吨的混凝土块,上上下下地吊来吊去。

    Energy Vault的水泥塔储能概念

    电力多余时,他们会把混凝土块吊到最高120米的高度,将电能转化混凝土块的重力势能;而电力短缺的时候,再把混凝土块从高处放到低处,通过发电机把下落时释放的重力势能转化为电能,从而实现像电池一样的储能功能,帮助不稳定的太阳能光伏和风电更好地并网。Energy Vault宣称,这项技术的输出功率可以在2.9秒内迅速从0增加到100%,从而实现对电网需求的高速响应,而且循环效率可以高达90%,是极具前景的储能技术。

    图

    2019年8月15日,软银旗下规模达千亿美元的“愿景基金”(Vision Fund)宣布,向新型储能技术公司Energy Vault投资1.1亿美元,标志着这家公司独一无二的新型储能技术获得了软银的认可。但是个人觉得,这玩意儿,量产,还是有点远。

    这个储能电站是电多的时候,把35吨重的水泥块提上去,需要时再放下来发电。用于那些没法修抽水蓄能电站的地方。

    35000千克*9.8牛顿/千克*70米净高≈24010000焦耳≈6.67KWH,一块也就能存六七度电的样子

    六七度电的锂电池啥价钱,35吨能耐几千吨压力、热胀冷缩寿命充足的水泥块,啥价钱?

    不过对于咋们基建狂魔来说,不是啥事儿。

    山地重力储能

    山地重力储能(MGES)的运行原理大概是这样:一个类似于滑雪缆车的机动系统可以将装满沙子的容器拉到山顶的起重机上,随后这些沙子因为重力又被送回山下,在这个过程中产生了电力。但其实大家细细品味一下就知道山地重力储能想要代替锂电池储能是不太科学的,最起码在未来的几十年内都不太可能。


    参考内容: 

    史上最全储能系统优缺点梳理

    储能技术有哪几种,各自的特点是什么? - 电气小混混的回答 - 知乎

    储能技术有哪几种,各自的特点是什么? - 沐零方相的回答 - 知乎

    2018年中国储能行业抽水储能占据主导地位 电化学储能应用最广泛





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