14先进铅炭技术在储能的应用----谭建国.pdf

1 Hangzhou, China 谭建国谭建国 2 提提 纲纲 微网储能的机遇与挑战微网储能的机遇与挑战 铅炭技术的背景与原理铅炭技术的背景与原理 铅炭技术的发展与应用现状铅炭技术的发展与应用现状 南都铅炭技术与储能应用案例分享南都铅炭技术与储能应用案例分享 3 储能系统是智能电网的核心储能系统是智能电网的核心 4 储能系统是智能电网的核心储能系统是智能电网的核心 储能的意义：储能的意义： 平抑峰谷差，减少发电功率调整，提高传统发电效率；平抑峰谷差，减少发电功率调整，提高传统发电效率； 降低主干网扩容投入，节约大量扩容资金；降低主干网扩容投入，节约大量扩容资金； 稳定新能源接入，调整风光电的不可预测性，提高电网电能质量；稳定新能源接入，调整风光电的不可预测性，提高电网电能质量； 提高电网安全性，在输配环节出现问题时提高备份电源；提高电网安全性，在输配环节出现问题时提高备份电源； 提高黑启动安全性，降低事故发生率。提高黑启动安全性，降低事故发生率。 5 储能技术的关键储能技术的关键 储能技术的关键储能技术的关键 储能电池储能电池 成组技术成组技术 电池管理系统电池管理系统 热管理系统热管理系统 储能电池系统储能电池系统 安全性、能量转换效率、成本、寿命、安全性、能量转换效率、成本、寿命、 比能量、比功率、可维护性、环境友好比能量、比功率、可维护性、环境友好 双向逆变器双向逆变器 能源管理系统能源管理系统 负载管理系统负载管理系统 远程监控系统远程监控系统 能量转换系统能量转换系统 规模储能对电池的要求规模储能对电池的要求 储能容量储能容量( (规模化程度规模化程度) ) 经济性经济性 安全性安全性 循环寿命循环寿命 能量转换效率能量转换效率 电池工作模式随市场需求发展不断变化电池工作模式随市场需求发展不断变化 新兴储能市场要求电池在新兴储能市场要求电池在20%20%- -80%80%的的PSoCPSoC模式模式 下工作，以确保该应用场景下的功率输出及良下工作，以确保该应用场景下的功率输出及良 好的充电接受能力。好的充电接受能力。 高倍率浅循环高倍率浅循环 功率型功率型模式模式 低倍率深放电低倍率深放电 能量型能量型模式模式 各种储能技术的储能规模比较各种储能技术的储能规模比较 铅酸电池与锂电池、钠硫电池的能量规模和功率规模相当。铅酸电池与锂电池、钠硫电池的能量规模和功率规模相当。 经济因素是制约某项技术未能实现更高功率或更大能量的主要原因。经济因素是制约某项技术未能实现更高功率或更大能量的主要原因。 8 铅酸电池仍是未来不可替代的储能产品 只有落后的技术，没有落后的产业，随着新技术的应用，铅酸技术在固定、储能应只有落后的技术，没有落后的产业，随着新技术的应用，铅酸技术在固定、储能应 用行业仍会有较大市场；用行业仍会有较大市场； 只有有污染的企业，没有有污染的行业，只要措施得当，铅酸污染是可防可控的。只有有污染的企业，没有有污染的行业，只要措施得当，铅酸污染是可防可控的。 在目前的电池中，铅在目前的电池中，铅 酸电池仍然是性价比酸电池仍然是性价比 最高的最高的 铅酸电池自铅酸电池自18591859年发明以年发明以 来已有来已有100100多年的成熟应多年的成熟应 用历史，安全可靠用历史，安全可靠 近年来，新兴铅酸技近年来，新兴铅酸技 术不断出现，大大弥术不断出现，大大弥 补了铅酸电池比能量补了铅酸电池比能量 低、寿命短等缺点低、寿命短等缺点 铅酸电池回收率可达铅酸电池回收率可达 95%95%以上以上 性价比高性价比高回收率高回收率高 先进技术发展先进技术发展可靠性好可靠性好 铅酸电池铅酸电池 9 铅酸电池储能系统的发展趋势 10 提提 纲纲 微网储能的机遇与挑战微网储能的机遇与挑战 铅炭技术的背景与原理铅炭技术的背景与原理 铅炭技术的发展与应用现状铅炭技术的发展与应用现状 南都铅炭技术与储能应用案例分享南都铅炭技术与储能应用案例分享 新兴市场要求铅新兴市场要求铅酸酸电池在电池在PSOC模式下工作模式下工作 储能、动力等新兴储能、动力等新兴市场要求铅酸市场要求铅酸电池在电池在20%20%- -80%80% 的部分荷电态的部分荷电态 PSOCPSOC模式下模式下工作工作, , 以以确保该应用场景下的功率输出及良好的确保该应用场景下的功率输出及良好的充电接受能力充电接受能力, , 铅炭电池铅炭电池技术应运而生。技术应运而生。 12 传统传统铅酸电池铅酸电池PSOC储能储能工况失效模式工况失效模式 不同倍率放电时的负极硫酸铅分布不同倍率放电时的负极硫酸铅分布高倍率放电后再充电的负极板高倍率放电后再充电的负极板 负极硫酸盐化负极硫酸盐化 正极板栅腐蚀正极板栅腐蚀 传统铅酸电池储能应用失效模式传统铅酸电池储能应用失效模式 13 传统传统铅酸电池铅酸电池PSOC储能储能工况失效模式工况失效模式 储能应用场景的失效模式主要在于负极的硫酸盐化负极的硫酸盐化 1997: 2000 2006 2009 2010 2011 普通铅酸电池在HRPSOC模式下负极易硫化而导致使用寿命短， DrDr LamLam LanLan研究发现：在电池中加入炭材料可减少HRPSOC工 况下硫酸盐的积累，提高电池性能和使用寿命。 解决电池HRPSOC模式的寿命问题，传统方式是铅酸电池外并一个超级电容器。澳 大利亚CSIRO研发出将电容器碳材料与铅酸电池负极复合的内并式的超级电池超级电池。 国际先进铅酸电池联合会ALABCALABC发起铅炭电池示范项目，East Penn成为铅炭电池 授权生产商。 Exide、Axion、East Penn的铅炭电池研发作为先进电池技术铅炭电池研发作为先进电池技术得到奥巴马政府奥巴马政府20002000万美万美 元资助元资助。 Sandia 美国国家实验室对先进的铅炭电池测试，模拟测试铅炭电池在混合动力车、功混合动力车、功 率型或能量型储能模式率型或能量型储能模式的寿命性能评估是普通铅酸电池4 4- -8 8倍倍。 EastEast PennPenn 500kWh光电平滑+1MWh光储一体化电网级铅炭储能项目电网级铅炭储能项目通过PNM电网验收； 2012年，East Penn 3MW电网级铅炭储能项目通过PJM电网验收。 铅炭技术发展历程铅炭技术发展历程 Lead-Carbon: A Game Changer for Alternative Energy Storage 铅炭电池特点：铅炭电池特点： 兼具铅酸电池与超级电容器的优势，能够 有效抑制负极硫酸盐化，大幅提升电池的大幅提升电池的 高倍率充放电性能和部分荷电态下的循环高倍率充放电性能和部分荷电态下的循环 寿命寿命。 申请人申请人资助资助 M$ 项目内容项目内容 ExideTechnologies with AxionPowerInterna tional 34.3 应用应用铅铅- -炭电极炭电极技术生技术生 产先进的铅酸电池，满产先进的铅酸电池，满 足微混和中混用电需求足微混和中混用电需求 East Penn Manu- facturing Co. 32.5 生产生产超电池超电池（铅酸电池（铅酸电池 同超级电容器结合）满同超级电容器结合）满 足微混和中混用电需求足微混和中混用电需求 奥巴马奥巴马政府重点资助政府重点资助项目项目 铅炭铅炭电池技术创新优势改写新兴市场竞争规则电池技术创新优势改写新兴市场竞争规则 铅炭铅炭电池的原理电池的原理 铅炭电池铅炭电池：将铅酸电池和超级电容器有效地结合在一起。既保：将铅酸电池和超级电容器有效地结合在一起。既保 持了电池的高能量密度，又具有超级电容器高功率、快速充放、持了电池的高能量密度，又具有超级电容器高功率、快速充放、 长循环寿命的特点长循环寿命的特点 Pb+C PbO2PbO2 Pb C PbO2 Pb 传统铅酸电池传统铅酸电池“内并”式铅炭电池“内并”式铅炭电池铅炭电池铅炭电池 电池特点电池特点: :“有电池的能量，有电容器的功率。”“有电池的能量，有电容器的功率。” *Energy like a battery, *Power like a capacitor 炭的作用机制：炭的作用机制： 活性炭表面上形成新的活活性炭表面上形成新的活 性中心，降低过电位，抑性中心，降低过电位，抑 制硫酸铅颗粒长大制硫酸铅颗粒长大 构建三维导电网络，降低构建三维导电网络，降低 极化极化 形成孔隙，增强离子迁移形成孔隙，增强离子迁移 铅炭电池原理与机理铅炭电池原理与机理 无添加剂无添加剂加炭加炭 加炭后，硫酸铅颗粒明显减小 * ALABC Project C 2.3 * ALABC Project C 2.2 18 提提 纲纲 微网储能的机遇与挑战微网储能的机遇与挑战 铅炭技术的背景与原理铅炭技术的背景与原理 铅炭技术的发展与应用现状铅炭技术的发展与应用现状 南都铅炭技术与储能应用案例分享南都铅炭技术与储能应用案例分享 ALABC: 铅炭电池在混合动力汽车中的使用铅炭电池在混合动力汽车中的使用 Honda Insight混合动力车混合动力车 144V铅炭电池组铅炭电池组 现已行驶现已行驶100,000英里英里 (160,000公里公里) 电池性能良好电池性能良好 最新最新技术技术铅炭技术在铅炭技术在混合动力汽车中的混合动力汽车中的使用使用 铅铅炭在炭在混合动力领域亦具有很大的应用优势混合动力领域亦具有很大的应用优势 铅炭电池与普通铅酸电池、镍氢电池在混合动力模式下铅炭电池与普通铅酸电池、镍氢电池在混合动力模式下 的循环性能对比的循环性能对比 ALABCALABC铅炭电池在混合动力车铅炭电池在混合动力车 中的成功推广应用中的成功推广应用 21 HRPSoC循环性能循环性能 31,000 cycles Regular VRLA batteryFurukawa Ultra- Battery 7,000 cycles 铅炭电池在铅炭电池在HRPSoC工况下运行，工况下运行， 循环性能是普通铅酸电池的循环性能是普通铅酸电池的34倍倍 0 50,000 100,000 150,000 200,000 250,000 300,000 350,000 400,000 7 8 9 10 11 12 cycles Voltage, V no carbon with carbon additives End of Discharge Voltage at Hybrid Bus Cycle Life ALABC Project DP 1.3 3 times longer cycle life *Test in ALABC program 22 先进铅酸电池储能系统先进铅酸电池储能系统 （美国某公司铅炭） 对该系统的寿命预测对该系统的寿命预测 应用应用系统容量系统容量运行模式运行模式估计年使用程度估计年使用程度寿命寿命 传输利用20MW/10MWh 充电 持续备用3-5个充电循环10年* 应急储备10MW/10MWh 放电 持续备用60个放电循环10年* 峰价销售10MW/10MWh 充放电 依据市场 而定 20个放电循环10年* * 系统寿命在20年以上，计划电池更换周期为10年 最新技术最新技术铅铅炭技术在储能系统上的应用炭技术在储能系统上的应用 23 储能循环寿命测试及评估方法储能循环寿命测试及评估方法 高倍率浅循环高倍率浅循环 功率型功率型模式模式 低倍率深放电低倍率深放电 能量型能量型模式模式 储能应用模式及其对电池性能的要求储能应用模式及其对电池性能的要求 不同储能模式下均具有良好的 循环耐久力； 能量转换效率高； 规模储能的安全可靠性好； 投资回报率高。 对电池的要求对电池的要求 美国美国SandiaSandia国家实验室采用的几种波形测国家实验室采用的几种波形测 试，包括调频、负载均衡、随机应用模式。试，包括调频、负载均衡、随机应用模式。 25 模拟风能循环寿命测试结果模拟风能循环寿命测试结果 铅炭电池铅炭电池 （日本古河生产） 模拟风能存储模式的电池循环性能比较模拟风能存储模式的电池循环性能比较 4 times 铅炭电池在储能领域具有很大的应用优势铅炭电池在储能领域具有很大的应用优势 美国美国SandiaSandia实验室模拟功率平滑循环测试实验室模拟功率平滑循环测试 8 times longer *Data is updated by September 28 2012 2006年以后先进铅年以后先进铅酸储能系统酸储能系统（不全）（不全） 蓄电池储能系统蓄电池储能系统地点地点系统容量系统容量应用应用日期日期 南极望远镜South Pole Telescope南极洲0.5 MW, 0.1 MWh 削峰 负荷平衡 2006 Kaheawa I Power like a capacitor 先进铅酸电池的储能应用案例先进铅酸电池的储能应用案例 先进铅酸蓄电池在先进铅酸蓄电池在风能存储风能存储中的应用案例中的应用案例 地点：地点：Maui, Hi 容量：容量：10 MW / 20 MWh 时间：时间：2011 Ramp Control Curtailment Capture Responsive Reserves Voltage Support Frequency response 地点：地点：Oahu, HI 容量：容量：15 MW / 10 MWh 时间：时间：2011 Ramp Control Smoothing Voltage Support 先进铅酸电池的储能应用案例先进铅酸电池的储能应用案例 先进铅酸蓄电池在先进铅酸蓄电池在太阳能存储太阳能存储中的应用案例中的应用案例 地点：地点：KauaI, HI 容量容量1.5MW / 1.0 MWh 时间：时间：2011 Responsive Reserves Ramp Control Ancillary Services 地点：地点：Aurora, CO 容量：容量：1.0 MW / 1.0 MWh 时间：时间： 2011 Ramp Control Ancillary Services Firming/Shaping 31 该项目总耗资美元该项目总耗资美元5,087,2695,087,269美元美元 其中美国能源局（其中美国能源局（DOEDOE）资助）资助2,543,7462,543,746美元美元 该项目始于该项目始于20112011年，建成时间待定年，建成时间待定 先进铅酸先进铅酸电池储能系统在电池储能系统在北美电网中的应用北美电网中的应用（3MW3MW，1 1- -4MWh 4MWh ） 电网辅助能量存储电网辅助能量存储 调节频率调节频率 管理能源需求管理能源需求 来源：Energy Storage Activities in the United States Electricity Grid. Report of EAC, May2011. 先进先进铅酸电池的储能应用案例铅酸电池的储能应用案例 储能铅酸电池储能铅酸电池 先进铅酸蓄电池在先进铅酸蓄电池在北美超导体输电北美超导体输电中的应用中的应用 通过3个AC/DC换流站以及3个换流站之间的超导体输电线路把东、西互联系统 和得克萨斯电力系统联系起来 地点：地点：Clovis, NM 容量：容量：100 MW / 200 MWh 时间：预计时间：预计2013 Ancillary Services Wind Firming Shaping 33 提提 纲纲 微网储能的机遇与挑战微网储能的机遇与挑战 铅炭技术的背景与原理铅炭技术的背景与原理 铅炭技术的发展与应用现状铅炭技术的发展与应用现状 南都铅炭技术与储能应用案例分享南都铅炭技术与储能应用案例分享 34 公司于公司于20102010年开始进行高能超级电池技术研究，与中国人民解放军防年开始进行高能超级电池技术研究，与中国人民解放军防 化研究院（军用化学电源研究与发展中心）、哈尔滨工业大学进行产学化研究院（军用化学电源研究与发展中心）、哈尔滨工业大学进行产学 研合作。研合作。 目前，该项目已完成高超级电容特性活性炭材料、复合铅炭负极配方目前，该项目已完成高超级电容特性活性炭材料、复合铅炭负极配方 等核心技术研究，等核心技术研究，已申请已申请1212项专利，其中项专利，其中8 8项为发明专利项为发明专利。 现已完成现已完成多个系列及型号多个系列及型号产品的开发，并已在港机、风能储能等系统产品的开发，并已在港机、风能储能等系统 中试用，节能效果显著。中试用，节能效果显著。 该项目被列为该项目被列为20112011年浙江省重大科技创新专项项目。年浙江省重大科技创新专项项目。 该项目是中国在超级电池领域的率先突破，该项目是中国在超级电池领域的率先突破，经经国家能源局鉴定，达到国家能源局鉴定，达到 国际先进水平。国际先进水平。 南都铅南都铅炭电池炭电池技术项目介绍技术项目介绍 南都铅炭电池通过国家级能源科技成果鉴定南都铅炭电池通过国家级能源科技成果鉴定 20132013年年5 5月月1717日，南都铅炭电池通过国家级能源日，南都铅炭电池通过国家级能源 科技成果鉴定科技成果鉴定； 鉴定鉴定结论：该成果大幅提高结论：该成果大幅提高了了 铅铅酸电池循环寿命及高倍率充酸电池循环寿命及高倍率充放放 电电等特性，拥有多项自主知识产权等特性，拥有多项自主知识产权， 实现实现了铅酸电池技术的重大突破了铅酸电池技术的重大突破， 填补填补了国内空白，达到国际先进水平。了国内空白，达到国际先进水平。 36 南都铅炭电池开发被列为南都铅炭电池开发被列为ALABC研发项目研发项目 ALABCALABC是国际先进电池组织，代表着国际电池行业的是国际先进电池组织，代表着国际电池行业的最高技术水平最高技术水平； 南都电源是有史以来南都电源是有史以来唯一唯一一家承担一家承担ALABCALABC研发项目的中国企业。研发项目的中国企业。 ALABCALABC副主席副主席BoriBoris Monahov s Monahov 访问南都并盛赞南都高能超级电访问南都并盛赞南都高能超级电 池等技术达到国际先进水平。池等技术达到国际先进水平。 国际铅锌组织主席、ALABC（国际先进铅酸电池组织）主席、副主席将于 8月中旬抵达南都电源，召开ALABC与南都电源合作铅炭电池项目启动大会暨 铅炭电池在新能源混合动力汽车推广应用的大型国际研讨交流论坛。 南都铅炭电池开发被列为南都铅炭电池开发被列为ALABC研发项目研发项目 Development and test of an Advanced VRLA Battery with Carbon Modified Negative Active Mass The Advanced lead-Acid Battery Consortium ALABC主席 Dr. David Wilson 和南都电源总裁陈博先生 签署研发协议 铅炭电池进入全面推广应用 国际铅锌组织主席、ALABC（国际先进铅酸电池组织）主席、副主 席将于8月中旬抵达南都电源，召开ALABCALABC与南都电源合作铅炭电池与南都电源合作铅炭电池 项目启动大会项目启动大会暨铅炭电池在新能源混合动力汽车推广应用的大型国际 研讨交流论坛。 南都电源铅炭电池已被列入 浙江省节能技术、产品推广导向目浙江省节能技术、产品推广导向目 录录，目前正在积极申报国家发改委节能技术导向目录。 39 南都储能铅炭电池的技术特点南都储能铅炭电池的技术特点 型号：型号：6-DFM-75 尺寸：尺寸：L261*W173*H206 重量：重量：25.0kg C20容量：容量：75Ah 兼具兼具铅酸铅酸电池的比能量电池的比能量和和超级超级 电容器电容器的比功率的比功率特性特性 储能储能铅炭电池设计寿命达铅炭电池设计寿命达20年年 (20) 部分部分荷电荷电态态(PSOC)循环循环寿命寿命 比普通铅酸电池比普通铅酸电池提升提升5倍以上倍以上 负极负极无硫酸盐化，无硫酸盐化，延长电池的延长电池的 循环寿命循环寿命 充电接受能力充电接受能力比比普通铅酸电池普通铅酸电池 提升提升40%40%以上以上 40 南都铅南都铅炭电池炭电池特性特性特殊炭材料特殊炭材料 41 南都铅南都铅炭电池炭电池特性特性专利铅炭配方专利铅炭配方 42 南都铅南都铅炭电池炭电池特性特性大电流极化特性大电流极化特性 铅炭电池极化减小，有利于大电流特性的提升铅炭电池具有更低的充 电电压，较高的放电平台，有利于电池大电流充放电。 Cell Voltage during HRPSoC Cycling 1.60 2.00 2.40 2.80 3.20 020406080100120140 time / s voltage / V Control Pb-CLC 600mV 100mV 43 常规常规负极和铅炭负极在负极和铅炭负极在失效后的铅膏失效后的铅膏SEMSEM照片照片 铅炭技术对铅炭技术对PSOC储能储能工况负极改善工况负极改善 44 南都铅炭电池特性南都铅炭电池特性放电深度放电深度vs寿命寿命 80%DoD80%DoD放电深度下循环寿命可达放电深度下循环寿命可达20002000次以上次以上。 储能储能/ /微网项目微网项目储能规模储能规模储能技术储能技术实实 现现 功功 能能 浙江鹿西岛并网型微网示范工程 （863项目） 6.8MWh铅炭电池 提升可再生能源利用率、平 滑风光功率输出 江苏大丰海水淡化系统智能微网江苏大丰海水淡化系统智能微网 项目项目 1.8MWh铅炭电池铅炭电池 新能源接入并网、平滑风机新能源接入