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前瞻儲能技術(shù)：6種儲能技術(shù)發(fā)展可期
DQZHAN訊：前瞻儲能技術(shù)：6種儲能技術(shù)發(fā)展可期
儲能是涉及甚廣、影響甚深的基石產(chǎn)業(yè)。儲能使電能生產(chǎn)和消耗的時間變換,并可在離網(wǎng)或移動狀態(tài)使用,這里孕育著重量級應(yīng)用:電力存儲和動力電池。



電力儲能在自身技術(shù)進(jìn)步和新能源發(fā)電推動下,處于需求啟動初期。目前*成熟的是抽水蓄能技術(shù),這是偏向發(fā)電端的技術(shù);化學(xué)電池、超級電容具有效率上的優(yōu)勢,但存在成本偏高的問題;液流技術(shù)系統(tǒng)需要較高維持費(fèi)用,且應(yīng)回避效率偏低的技術(shù)類型。目前看來更有希望的是循環(huán)壽命較高,成本較低的磷酸鐵鋰。國內(nèi)的峰谷調(diào)節(jié)潛在需求年化為73GWH/ 年;快速的負(fù)荷平衡需求占3%的裝機(jī)總量,國內(nèi)需求年化為5.2GWH/年;風(fēng)能和太陽能發(fā)電輸出平滑的儲能需求,全球保守來看為8GWH/年。其中,后 2個市場在目前的價格水平應(yīng)該就可以啟動,而調(diào)峰需求啟動條件是儲能成本下降到峰谷電價差以下,國內(nèi)為0.60元/度(相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)),我們估計 2016年儲能成本下降到接近1元/度水平,屆時,可能會出現(xiàn)扶持政策,而啟動這一市場。全球來看,高電價國家的分布式發(fā)電+儲能應(yīng)用正在興起,德國在儲能政策補(bǔ)貼下,2016年將到達(dá)普及條件,這是一個海量市場。這個市場的未來玩家是儲能單元廠商、如比亞迪和電子控制廠商,如陽光電源。

新能源汽車已經(jīng)達(dá)到臨界經(jīng)濟(jì)性,動力電池技術(shù)將在5-7年內(nèi)走向大成。目前,從動力電池系統(tǒng)成本來看,在充分消耗使用的情況下,NCA和磷酸鐵鋰路線的價格已經(jīng)達(dá)到了經(jīng)濟(jì)性臨界水平。廣泛應(yīng)用,則需要解決續(xù)航里程偏短和成本過高導(dǎo)致回收里程過長的問題,通過對于技術(shù)潛力和規(guī)模曲線的分析,我們預(yù)計5-7年這 2個問題將*終解決,屆時,續(xù)航里程可以達(dá)到500-600公里,靜態(tài)回收里程達(dá)到15萬公里,動力電池技術(shù)大成,預(yù)計這個市場的潛在容量在4萬億元。燃料電池汽車將在2015年取得重要進(jìn)展。2015年豐田可望推出首款燃料電池汽車。燃料電池在長期可能成為電動汽車的一個有力競爭者,短期則是追趕者。新能源汽車的技術(shù)路徑尚難定論,鋰離子電池提供了一條能見度很高,或者是保底的技術(shù)演進(jìn)場景,電驅(qū)動時代將來臨。

電力儲能與動力電池有融合可能,更充分地消耗使用儲能單元。家用轎車的續(xù)航里程和總里程要求存在矛盾,電池再利用或2合1融合使用是可能模式。

鋰離子電池性價比仍有大幅提升空間,全球市場未來5年復(fù)合增速50%。電池現(xiàn)場零排放,是典型的分布式儲能技術(shù)。動力電池領(lǐng)域以三元材料更有優(yōu)勢,儲能領(lǐng)域磷酸鐵鋰因長壽而更適合。中國在電池領(lǐng)域具有比較強(qiáng)大的競爭力,在主要材料和電芯環(huán)節(jié)都有***公司,中國廠商通常更多在中低端、消費(fèi)電子類應(yīng)用上有競爭優(yōu)勢。需求動力主要來自電動交通工具和儲能,預(yù)計全球市場未來5年復(fù)合增長率為50%。
燃料電池技術(shù)處于即將成熟的時期。燃料電池本身是發(fā)電技術(shù),現(xiàn)場零排放,有明顯能源轉(zhuǎn)化效率優(yōu)勢,適合大型電站和分布式發(fā)電,但并非儲能技術(shù)。燃料電池依托于化石能源提供氫氣。目前,固定裝置的成本已經(jīng)大幅度下降,并開始應(yīng)用于各類電站,2015年豐田計劃推出首款燃料電池車,將改變市場對于該技術(shù)在汽車上應(yīng)用前景的評價。該技術(shù)仍需降低成本,并發(fā)展基于煤或天然氣的高效率、低成本制氫技術(shù)。

超級電容具有優(yōu)良的功率特性,在調(diào)功類的利基市場應(yīng)用。電容器性能在理論上仍具有巨大潛力。近年來,超級電容和化學(xué)電池技術(shù)融合,獲得了兼具功率密度和能量密度的產(chǎn)品特性,如鋰離子超級電容和鉛碳電池。超級電容性價比提升,主要目標(biāo)市場是工作頻次較高的電力調(diào)功應(yīng)用和機(jī)械能量回收裝置中,如混合動力車、電梯和港機(jī)等,另外,超級電容和電池搭配也用于風(fēng)光儲能中。

電驅(qū)動時代將來臨,廣義能源產(chǎn)業(yè)的格局改變將在10年內(nèi)隨之改變。電動車存在多種技術(shù)路徑,鋰離子電池提供一個能見度較高,保底的演進(jìn)場景。汽油相對于電能、煤炭等能源產(chǎn)品的定價明顯偏高,這是為什么電動車整車效率提升不足1倍,電費(fèi)消耗卻只有汽油車的1/10到1/5。

儲能技術(shù)的高度進(jìn)步將促使各個能源部門之間的要素更通暢的流動。無論電動車還是煤氣化氫燃料電池大成,都將轉(zhuǎn)向更便宜的基礎(chǔ)能源產(chǎn)品。

電動車在減少現(xiàn)場排放的同時,產(chǎn)業(yè)化初期將增加總排放,并集中在生產(chǎn)環(huán)節(jié),碳捕捉及其它環(huán)保措施需要加強(qiáng)。新技術(shù)會加強(qiáng)分布式發(fā)電和儲能的地位,這需要更市場化、更智慧的電網(wǎng)。

投資策略:鋰電投龍頭、燃料電池投主題、超級電容投態(tài)度。鋰離子電池是目前*成熟的技術(shù),中國在該領(lǐng)域具有強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)競爭力,在材料和電池環(huán)節(jié)都不乏***公司,投資已融入全球產(chǎn)業(yè)鏈的龍頭企業(yè),建議關(guān)注比亞迪、萬向錢潮、杉杉股份、陽光電源、均勝電子、新宙邦、中國寶安、欣旺達(dá)、德賽電池。燃料電池2015年將是元年,國內(nèi)技術(shù)能力有待提高,具有主體投資機(jī)會,關(guān)注有研發(fā)布局的公司,如長城電工、南都電源。超級電容性價比快速提升,將導(dǎo)致應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展,電容器技術(shù)有相通性,但應(yīng)考慮的是態(tài)度積極的公司,如江海股份。

技術(shù)多樣性和廣闊市場空間,導(dǎo)致大儲能產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷資本市場的盛宴期。下面小編針對*近炒得比較熱的6種儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行對比。

儲能技術(shù)在包括電力系統(tǒng)在內(nèi)的多個領(lǐng)域中具有廣泛的用途，近年來世界范圍內(nèi)的電力工業(yè)重組給各種各樣的儲能技術(shù)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，采用這些技術(shù)可以更好地實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的能量管理，尤其是在可再生能源和分布式發(fā)電領(lǐng)域，這種作用尤為明顯，在傳統(tǒng)的發(fā)電和輸配電網(wǎng)絡(luò)中，這些新技術(shù)同樣可以得到應(yīng)用。以下簡要介紹各種儲能技術(shù)的基本原理及其發(fā)展現(xiàn)狀。

1 抽水儲能

抽水蓄能電站在應(yīng)用時必須配備上、下游兩個水庫。在負(fù)荷低谷時段，抽水儲能設(shè)備工作在電動機(jī)狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存。在負(fù)荷高峰時，抽水儲能設(shè)備工作于發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，利用儲存在上游水庫中的水發(fā)電。一些高壩水電站具有儲水容量，可以將其用作抽水蓄能電站進(jìn)行電力調(diào)度。利用礦井或者其他洞穴實(shí)現(xiàn)地下抽水儲能在技術(shù)上也是可行的，海洋有時也可以當(dāng)作下游水庫用，1999年日本建成了**座利用海水的抽水蓄能電站。
抽水儲能*早于19世紀(jì)90年代在意大利和瑞士得到應(yīng)用，1933年出現(xiàn)了可逆機(jī)組(包括泵水輪機(jī)和電動與發(fā)電機(jī))，現(xiàn)在出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速可調(diào)機(jī)組以提高能量的效率。抽水蓄能電站可以按照任意容量建造，儲存能量的釋放時間可以從幾小時到幾天，其效率在70%至85%之間。

抽水儲能是在電力系統(tǒng)中得到*為廣泛應(yīng)用的一種儲能技術(shù)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括能量管理、頻率控制以及提供系統(tǒng)的備用容量。目前，全世界共有超過90GW的抽水儲能機(jī)組投入運(yùn)行，約占全球總裝機(jī)容量的3%。限制抽水蓄能電站更廣泛應(yīng)用的一個重要制約因素是建設(shè)工期長，工程投資較大。

2 先進(jìn)蓄電池儲能

據(jù)估計，全球每年對蓄電池的市場需求大約為150億美元，在工業(yè)用蓄電池方面，如：用于UPS、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、備用電池等，其市場總量可達(dá)50億美元。在美國、歐洲以及亞洲，正在組建生產(chǎn)電力系統(tǒng)儲能用的高性能蓄電池企業(yè)。在過去的12至18個月里，已有生產(chǎn)能力達(dá)每年300MW的蓄電池生產(chǎn)線投入運(yùn)行。

鉛酸電池是*古老、也是*成熟的蓄電池技術(shù)。它是一種低成本的通用儲能技術(shù)，可用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和UPS等。然而，由于這種蓄電池壽命較短，因此限制了其在能量管理領(lǐng)域中的應(yīng)用。ZnBr電池在20世紀(jì)70年代早期由Exxon開發(fā)成功，經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，已經(jīng)建成了很多容量為數(shù)千瓦時的ZnBr電池儲能系統(tǒng)并經(jīng)過試驗(yàn)，其凈效率為75%。20世紀(jì)80年代初期澳大利亞新南威爾士大學(xué)率先研制，j出VRB(Vanadium Redox Flow Battery)電池，目前，在日本已安裝了一套500kW/5MW•h的VRB儲能系統(tǒng)，其凈效率高達(dá)85%。

近年來，各種新型的蓄電池被相繼開發(fā)成功，并在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用。英國的Regenesys Technologies正在采用PSB(Polysulfide Broe Flow Battery)電池建設(shè)一座15MW/120MW•h的儲能電站，其凈效率約為75%。NaS電池具有較高的儲能效率(約89%)，同時還具有輸出脈沖功率的能力，輸出的脈沖功率可在30s內(nèi)達(dá)到連續(xù)額定功率值的六倍，這一特性使NaS電池可以同時用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和負(fù)荷的削峰填谷調(diào)節(jié)兩種目的，從而提高整體設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。在日本，目前采用NaS電池技術(shù)的儲能示范工程有30多處，總儲能容量超過20MW，可用于8h的日負(fù)荷峰谷調(diào)節(jié)。

與其他蓄電池相比，鋰離子電池的主要優(yōu)點(diǎn)是儲能密度高

(300～400kW•h/m3,130kW•h/t)，儲能效率高(接近100%)和使用壽命長(每次放電不超過儲能的80%時可充3000次)。

由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池得到快速發(fā)展。但是，盡管在幾年之內(nèi)鋰電池已經(jīng)占有小型移動設(shè)備電源市場份額的50%，生產(chǎn)大容量鋰離子電池仍然有一些挑戰(zhàn)性的工作要做，主要的障礙在于其居高不下的成本，這主要是由于它需要特殊的包裝和配備必要的內(nèi)部過充電保護(hù)電路。

在所有的蓄電池中，Metal-air電池結(jié)構(gòu)*為緊湊，并且可望成為成本*低的蓄電池，這是一種對于環(huán)境無害的蓄電池。其主要的缺點(diǎn)是這種電池的充電非常困難而且效率很低。
3 飛輪儲能

大多數(shù)現(xiàn)代飛輪儲能系統(tǒng)都是由一個圓柱形旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和通過磁懸浮軸承組成的支撐機(jī)構(gòu)組成。采用磁懸浮軸承的目的是消除摩擦損耗，提高系統(tǒng)的壽命。為了保證足夠高的儲能效率，飛輪系統(tǒng)應(yīng)該運(yùn)行于真空度較高的環(huán)境中，以減少風(fēng)阻損耗。飛輪與電動機(jī)或者發(fā)電機(jī)相連，通過某種形式的電力電子裝置，可進(jìn)行飛輪轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)儲能裝置與電網(wǎng)之間的功率交換。

飛輪儲能的一個突出優(yōu)點(diǎn)就是幾乎不需要運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備壽命長(20年或者數(shù)萬次深度充放能量過程)且對環(huán)境沒有**的影響。飛輪具有優(yōu)良的循環(huán)使用以及負(fù)荷跟蹤性能，它可以用于那些在時間和容量方面介于短時儲能應(yīng)用和長時間儲能應(yīng)用之間的應(yīng)用場合。

在實(shí)現(xiàn)飛輪儲能裝置時，可采用固體鋼結(jié)構(gòu)飛輪，也可采用復(fù)合材料飛輪，具體采用何種飛輪需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，在系統(tǒng)成本、重量、尺寸以及材料性能等指標(biāo)之間進(jìn)行折衷。采用高密度鋼材料，其邊緣線速度可達(dá)200～375m/s，

而采用重量更輕、強(qiáng)度更高的復(fù)合材料，其邊緣線速度可達(dá)600～1000m/s。飛輪實(shí)際可輸出的能量取決于其速度變化范圍，它不可能在很低的轉(zhuǎn)速下輸出額定功率。

目前，已經(jīng)開發(fā)出大功率飛輪儲能系統(tǒng)，并應(yīng)用于航空以及UPS領(lǐng)域。以Beacon Power為**水平的研究機(jī)構(gòu)正在致

力于飛輪儲能的優(yōu)化設(shè)計，以便將其用于長過程儲能服務(wù)(多達(dá)幾個小時)，同時降低其商用成本。目前已有2kW/6kW•h的飛輪儲能系統(tǒng)用于通信設(shè)備供電，采用飛輪組(Flywheel Farm Approach)可以實(shí)現(xiàn)輸出功率為兆瓦級、持續(xù)時間為數(shù)分鐘或者數(shù)小時的儲能裝置。

4 超導(dǎo)磁儲能

盡管早在1911年人們就發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，但直到20世紀(jì)70年代，才有人**提出將超導(dǎo)磁儲能作為一種儲能技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)。超導(dǎo)磁儲能由于具有快速電磁響應(yīng)特性和很高的儲能效率(充/放電效率超過95%)，很快吸引了電力工業(yè)和軍方的注意。SMES在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用包括：負(fù)荷均衡、動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率調(diào)整、輸電能力提高以及電能質(zhì)量改善等方面。

SMES單元由一個置于低溫環(huán)境的超導(dǎo)線圈組成，低溫是由包含液氮或者液氦容器的深冷設(shè)備提供的。功率變換/調(diào)節(jié)系統(tǒng)將SMES單元與交流電力系統(tǒng)相連接，并且可以根據(jù)電力系統(tǒng)的需要對儲能線圈進(jìn)行充放電。通常使用兩種功率變換系統(tǒng)將儲能線圈與交流電力系統(tǒng)相連：一種是電流源型變流器;另一種是電壓源型變流器。
和其他的儲能技術(shù)相比，目前SMES仍很昂貴，除了超導(dǎo)體本身的費(fèi)用外，維持低溫所需要的費(fèi)用也相當(dāng)可觀。然而，如果將SMES線圈與現(xiàn)有的柔性流輸電裝置(FACTS)相結(jié)合可以降低變流單元的費(fèi)用，這部分費(fèi)用一般在整個SMES成本中占*大份額。已有的研究結(jié)果表明，對輸配電應(yīng)用而言，微型(<0.1MW•h)和中型(0.1～100MW•h)SMES系統(tǒng)可能更為經(jīng)濟(jì)。使用高溫超導(dǎo)體可以降儲能系統(tǒng)對于低溫和制冷條件要求，從而使SMES的成本進(jìn)一步降低。目前，在世界范圍內(nèi)有許多SMES工程正在進(jìn)行或者處于研制階段。

5 超級電容器儲能

電容是電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種設(shè)備。與常規(guī)電容器相比，超級電容器具有更高的介電常數(shù)、更大的表面積或者更高的耐壓能力。例如，陶瓷超級電容器具有相當(dāng)高的耐壓水平(大約1kV)和絕緣強(qiáng)度，這使它們成為未來儲能應(yīng)用的很好候選方案。

目前，超級電容大多用于高峰值功率、低容量的場合。由于能在充滿電的浮充狀態(tài)下正常工作十年以上，因此超級電容器可以在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平。超級電容器安裝簡單，體積小，并可在各種環(huán)境下運(yùn)行(熱、冷和潮濕)，現(xiàn)在已經(jīng)可為低功率水平的應(yīng)用提供商業(yè)服務(wù)。

6 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能不是象電池儲能那樣的簡單儲能系統(tǒng)，它是一種調(diào)峰用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠，對于同樣的電力輸出，它所消耗的燃?xì)庖瘸Ｒ?guī)燃?xì)廨啓C(jī)少40%。這是因?yàn)椋Ｒ?guī)燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)電時大約需要消耗輸入燃料的2/3進(jìn)行空氣的壓縮，而CAES則可利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時的廉價電能預(yù)先壓縮空氣，然后根據(jù)需要釋放儲存的能量加上一些燃?xì)膺M(jìn)行發(fā)電。壓縮空氣常常儲存在合適的地下礦井或者溶巖下的洞穴中。通過溶巖建造這樣的洞穴大約需要1年半到兩年的時間。

**個投入商用運(yùn)行的CAES是1978年建于德國Hundorf的一臺290MW機(jī)組。美國1991年在Alabama的McIntosh建成了**臺商用CAES，機(jī)組功率為110MW，整個建設(shè)耗時30個月，耗資6500萬美元，這臺機(jī)組能夠在14min之內(nèi)并網(wǎng)。第三臺商業(yè)運(yùn)行CAES，也是目前世界上*大容量的CAES，計劃建在Ohio州的Norton，整個電站裝機(jī)容量為2700MW，共有9臺機(jī)組，

壓縮空氣儲存在一個現(xiàn)有的位于地下2200ft深的石灰石礦井里。

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