赵天寿院士:新型电力系统需要不同时长、高安全的储能技术

发表时间:2023-07-20 15:44

“现有的储能技术各有各的优势,同时各有各的局限性,我们需要进一步探索储能的新理论和方法,以突破储能的瓶颈。”


中国科学院院士、南方科技大学碳中和能源研究院院长赵天寿表示,实现碳中和的目标,需要构建新能源为主导的新型电力系统,而新型电力系统需要不同时长的规模化、高安全的储能技术。



“过去十几年,我们国家的光伏和风机的发展迅速,2021年光电和风电的发电量占到9800亿度,但是弃风弃光量达到了270亿度,造成巨大的经济损失,其中主要的原因是太阳能和风能发电具有分散、间歇、不稳定的特点。”赵天寿说。在赵天寿看来,储能是新型电力系统的必备单元,这是由于储能能够平抑能量的波动,实现能量的平滑稳定输出,最终提高光电和风电实际的利用水平。


“要建立新型电力系统,需要不同时长的储能技术,从分秒级、小时,甚至跨季度、跨年的储能技术,只有各种时长的储能技术成熟了,我们才能建立完整的新型电力系统。”赵天寿说。


我国储能技术已百花齐放


根据国家能源局此前公布的数据,截至2022年底,全国新型储能装机中,锂离子电池储能占比94.5%、压缩空气储能2.0%、液流电池储能1.6%、铅酸(炭)电池储能1.7%、其他技术路线0.2%,飞轮、重力、钠离子等多种储能技术也已进入工程化示范阶段。


根据储能技术的不同时长,赵天寿在此次大会演讲中分别介绍了超级电容器、飞轮储、锂电池储能、抽水储能、压缩空气储能、燃料电池储能等储能技术。


其中,超级电容器是一种短时的储能技术,其最大的特点是功率密度高、响应快、寿命长,但是技术上有自放电的现象,能量密度比电池一般低得多。超级电容器

超级电容器


飞轮储能是另一种成熟的短时储能技术,其特点也是响应快、功率大,环境适应好,没有任何污染,但这种技术存在的问题是能量密度低,初始的成本较高,特别是高速旋转带来的技术问题比较难以克服。


锂离子电池储能得益于动力电池的技术进步,占据了主导。我国受益于电动汽车的发展,锂离子电池在电化学储能领域占据了主导地位。“锂离子电池储能的主要特点是能量密度高,响应快,应用场景也比较多,但最大的问题就是有机液态的电解液造成的安全隐患,把液态电解质变为固态电解质是目前全球研究的一个重要方向。”赵天寿说。


此外,锂离子电池成本还要进一步降低,寿命需要进一步提高,锂电池储能也受到锂资源限制的制约。


抽水蓄能是一种比较成熟的储能技术。其特点是技术相对简单,能够规模化,储能时间长,寿命长,但受到地域的限制,需要水、需要高山建水坝,建设的周期通常比较长,需要环评审批。


与抽水储能类似的储能方式是压缩空气,它具有抽水蓄能的优势,规模可以很大,储能时间长,寿命长,但是和抽水蓄能相比,效率更低,特别是需要存储高压空气的大空间。


压缩空气的另外一个问题是补燃,比如需要天然气等。“我们国家压缩空气技术发展的非常快,已经有百兆瓦级的示范企业,但是进一步推广应用要降低出气的成本以及压缩和膨胀过程的各个环节,来提高效率,最终降低成本。”赵天寿说。


还有一种储能的方式就是燃料储能,氢能就是一种以燃料储能的方式。它的功率密度高,没有任何地域的限制,但最关键的挑战是成本,储氢、运氢都没有彻底克服技术难题,安全上也有一定的风险。


长时储能技术是目前最大的缺口


“目前我国短时的储能技术,基本上已经满足了需求,在中时,我们还有缺口,特别是4小时以上的长时储能是目前最大的缺口。”赵天寿说,“在太阳能可再生能源占比非常低的情况下,我们用火电来应对电网调配的需求,但是未来如果是光电和风电的占比达到70%以上的时候,这种调配必须通过长时储能来实现。”


在长时储能技术中,赵天寿特别提到了液流电池。据赵天寿介绍,液流电池是一种新型的电池,不同于传统的锂电池,液流电池的电能储存在电池外面的电解液罐中,最大的特点就是功率和能量在结构上解耦。由于能量和功率彼此独立,所以电池本身内部并没有电解液,具有本征安全的特点。


其次,由于能量和功率各自的解耦和独立,使电池容易扩展,要提高能量就调整电解液罐的数目,要提高功率就调整电池本身的数目以及电池发电的面积。此外由于液流电池没有相变的过程,液流电池寿命要远长于锂离子电池。


据澎湃新闻记者在此次大会中了解到,目前已有诸多国内液流电池项目落地。例如2021年10月,国内液流电池新贵纬景储能的第一台锌铁液流电池在与江西电建在江西上饶合作的200kW/600kWh “智慧能源示范项目”中并网。去年12月,纬景储能又成功交付了1MW锌铁液流电池到山东日照200MW光伏配储项目现场。


2023年,纬景储能位于盐城和珠海的“超G工厂”,锌铁液流电池产能将达到4.8GWh。


国内另一家老牌电气公司上海电气则早在2011年就开始布局全钒液流电池领域。据上海电气储能科技有限公司总经理杨霖霖在此次大会间隙介绍,公司在安徽合肥1GWh钒电池生产基地已经于2020年10月投产,并将在今年新增1GWh钒电池产能。今年4月,中钒储能联合上海电气投资建设的100兆瓦/600兆瓦时全钒液流储能电站在白城开工建设。


而在赵天寿院士看来,目前液流电池发展的瓶颈在于系统成本要降低,能量密度和功率密度要进一步提高。其中,“如何通过关键材料和关键部件、系统设计的突破,进一步提高液流电池的电流密度,是液流电池产业化最关键的问题。”赵天寿说。



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