储能技术-储能材料-新能源材料-锂电池储能

储能技术与应用 一 能源概况 1 1化石能源现状 1 2新能源 1 3储能的基本概念 1 1化石能源现状 1 可再生清洁能源如风能 太阳能等所占比例不到3 2 石油 煤和天然气占初级能源消耗的85 左右3 其余主要是火电和水电据可靠资料报道 到2020年 我国能源的消费比例除了利用石油 煤和天然气以及水电外 风能的消费比例要占到10 核能的消费要占到3 我国各种能源探明储量 以储采比表示 与世界比较摘自 光伏技术和产业发展战略国际研讨会 机遇与挑战 论文集2004年4月8日 北京P8 能源及环境的可持续发展面临挑战 石油如何满足 石油如何满足 我国石油储量不足世界的2 2007年我国原油对外依存度达到46 05 每年新增1000万辆汽车 石油需求新增2000万吨左右 如何保证 CO2大量排放带来的最直接危害 温室效应 从左图大气CO2浓度随年代的变化及其在全球的分布图可以看出 很明显 近20年来 CO2的浓度上升迅速非常迅速 2010年将接近550ppm 而且 主要分布在美国和中国所在的北半球高纬度60 80度处 表3全球各国CO2排放量比较排行 在北京 上海等大城市 空气污染的60 来自汽车排放二氧化碳的全球排放量中 中国居第二 1 2新能源 1 太阳能 太阳能的转换和利用方式 光 热转换接收或聚集太阳能使之转换为热能 然后用于生产和生活的一些方面 是光一热转换即太阳能光热利用的基本方式 光 电转换利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池 可将太阳的光能直接转换成为电能 称为光一电转换 即太阳能光电利用 光 化学转换光一化学转换目前尚处于研究开发阶段 这种转换技术包括半导体电极产生电面电解水产生包 利用氢氧化钙或金属氢化物热分解储能等内容 2 风能 风能是指太阳辐射造成地球各部分受热不均匀 引起各地温差和气压不同 导致空气运动而产生的能量 利用风力机可将风能转换成电能 机械能和热能等 风能利用的主要形式有风力发电 风力提水 风力致热以及风帆助航等 风能的缺点 在一些地区 风力发电的经济性不足 许多地区的风力有间歇性 更糟糕的情况是如台湾等地在电力需求较高的夏季及白日 是风力较少的时间 必须等待储能技术发展 3 生物质能 生物质能是蕴藏在生物质中的能量 是绿色植物通过叶绿宏将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量 有机物中除矿物燃料以外的所有来源于动植物的能源物质均属于生物质能 通常包括木材及森林废弃物 农业废弃物 水生植物 油料植物 城市和工业有机废弃物等 4 地热 地热资源 是指在当前技术经济和地质环境条件下 地壳内能够科学 合理地开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量及其伴生的有用组分 按赋存形式可分 水热型 又分为干蒸汽型 湿蒸汽型和热水型 地压型 干热岩型和岩浆型四大类 按温度高低可分为 高温型 150 中温型 90 149 低温型 89 地热能的利用方式主要有地热发电和地热直接利用两大类 1 3能的定义 能是度量物质运动的一种物理量 能量是物质运动的量化转换 简称 能 能量的存在形式 机械能 风能 潮汐能 内能 地热等 电能化学能原子能电磁能 宏观物体的机械运动 机械能 动能 位能和压力能 分子运动 热能 原子运动 化学能 带电粒子的定向运动 电能 光子运动 光能 电磁能Electro magneticenergy 彼此相互联系的交变电场和磁场所具有的能量 是电场能和磁场能的总和 由于电磁场对电荷有洛伦兹力作用 所以电磁能可以通过场对运动电荷作功而与其他形式能量 如热能 机械能等 相互转化 电磁能也能从空间一处传播到另一处 能量的单位 能量的单位 焦J 尔格 千瓦时kWh 卡cal 电子伏 特 eV等国际单位是焦耳J1J 0 2388cal原子物理和粒子物理中还常使用电子伏 1eV 1 602 10 19J 2 1储能技术的用途 二 储能技术 储能技术的功率等级及技术成熟度 2 2储能方式 2 2 1机械储能 飞轮储能 飞轮储能 是指驱动电机带动飞轮旋转将电能以机械能的形式储存起来 在整个电能的存储和释放过程中都利用了电力电子转换技术 飞轮储能密度的大小是由飞轮转子转速大小决定的 1999年欧洲UrencPower公司利用高强度碳纤维和玻璃纤维复合材料制作飞轮 转速为42000rad min 2001年1月系统投入运行 充当UPS 储能量达到18MJ 飞轮储能的主要优点有 1 储能密度高 比超导磁储能 超级电容器储能和一般的蓄电池都要高 以目前的最好的碳素纤维复合材料来说 这种材料的飞轮转子可以承受的最大线速度达到1000m s以上 储能密度可达到230Wh kg 2 充放电时间短 且无过充放电问题 飞轮储能充电只需要几分钟 而不像化学电池需要几个小时的充电时间 3 寿命长 飞轮储能系统的寿命主要取决于其电力电子的寿命 一般可达到20年左右 飞轮储能技术广泛应用的主要瓶颈 a 技术成本相对于蓄电池来说比较高 b 轴承材料还有待进一步的突破 c 自放电现象很严重 抽水储能 抽水蓄能电站必须配备上 下两个水库 对建站地点要求苛刻 但是运行简单 可靠且使用期较长 目前为止 美国和西欧经济发达国家抽水储能机组容量占世界抽水蓄能电站总装机容量55 以上 世界上第一个商业化CAES电站为1978年在德国建造 装机容量为290MW 换能效率77 2009年被美国列入未来十大技术 压缩空气储能 弹性储能 液压储能 2 2 2化学储能 化学储能的原理所谓化学储能就是利用化学反应储存电能 或者说将电能与化学能相互转化以实现存储电能的目的 化学储能的装置就是可充放电电池 或二次电池 电池的发展历史一次电池1 1799年 意大利 伏打电堆问世 2 1836年 英国 丹尼尔电池 硫酸电解质 无极化 放电平稳 3 1865年 法国 勒克朗锌锰电池 1887年 英国人赫勒森采用糊状电解液 得到干电池 二次电池1 1859年 法国人普朗泰发明铅酸电池 2 1899年 镍镉电池3 1976年 菲力普研究院发明镍氢电池 4 1970年代 M S Whittingham采用金属锂作为负极材料 制成首个锂电池 5 1982年 R R Agarwal和J R Selman锂离子电池 6 1991年 日本索尼公司将锂离子电池商业化 化学储能 铅酸电池 襄樊驼峰电池生产设备 铅酸电池特点优点 1寿命长2价格低3可以大电流放电缺点 1铅的污染2能量密度低 也就是说过于笨重 化学储能 镍系电池 镍镉电池 Ni Cd 是最早应用于手机 笔记本电脑等设备的电池种类 Cd 2NiO OH 2H2O 2Ni OH 2 Cd OH 2 镍镉电池优缺点 优点 1良好的大电流放电特性2耐过充放电能力强3维护简单缺点 1镉是有毒的 环境污染2在充放电过程中如果处理不当 会出现严重的 记忆效应 使得服务寿命大大缩短 镍氢电池 镍氢电池是有氢离子和金属镍合成 镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多 性能比锂电池要差 优点 1 充放电速度快 重量轻 寿命长 无环境污染2 镍氢电池能量密度比镍镉电池大二倍缺点 1轻微记忆效应2镍氢电池串连电池组的管理问题比较多 一旦发生过充电以后 就会形成单体电池隔板熔化的问题 导致整组电池迅速失效 所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池 人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的 独特机理的锂离子电池形象地称为 摇椅式电池 俗称 锂电 锂离子电池 锂离子电池优缺点 优点 具有能量密度高 充放电速度快 重量轻 寿命长 无环境污染等优点循环寿命长 一般均可达到500次以上 甚至1000次以缺点 锂离子电池主要的问题是在过充电和过放电状态电池会发生爆炸 手机电池都是使用的单体电池 再经过良好的保护电路来配合使用 基本上杜绝了电池爆炸的问题 化学储能 液流电池 电解质溶液 储能介质 存储在电池外部的电解液储罐中 电池内部正负极之间由离子交换膜分隔成彼此相互独立的两室 正极侧与负极侧 电池工作时正负极电解液由各自的送液泵强制通过各自反应室循环流动 参与电化学反应 液流储能电池是一类适合于固定式大规模储能 蓄电 的装置 相比于目前常用的铅酸蓄电池 镍镉电池等二次蓄电池 具有功率和储能容量可独立设计 储能介质存储在电池外部 效率高 寿命长 可深度放电 环境友好等优点 是规模储能技术的首选技术之一 全钒液流电池 钒氧化还原液流电池是以钒离子溶液为正 负极活性物质的二次电池 1984年由澳大利亚新南威尔士大学MSyallas Kazacos提出 1986年获得专利 1994年 钒液流电池用在高尔夫车上 4kWh钒液流电池在潜艇上作为备用电源 10千瓦级全钒液流储能电池系 钒液流电池充放电原理 正极电解液 V5 和V4 负极电解液 V3 和V2 电池充电后 正极物质为V5 离子溶液 负极为V2 离子溶液 电池放电后 正 负极分别为V4 和V3 离子溶液 电池内部通过H 导电 在酸性介质中 V5 V4 和V3 V2 两电对的电位差约1 25V 全钒液流电池的特点 1 功率大 通过增加电池的数量和电极面积 即可增加钒电池的功率 目前美国商业化示范运行的钒电池的功率已达6MW 2 容量大 通过任意增加体积 即可增加钒电池的电量 可达GWh以上 通过提高电解液的浓度 目前1 5 2M 将来可达5 6M 即可增加钒电池的电量 3 效率高 正 负极活性物质分别存储在正 负极电解液储槽中 避免了自放电消耗 钒电池的充放电能量转换效率高达75 以上 远高于铅酸蓄电池的45 4 寿命长 目前加拿大VRBPowerSystems商业化示范运行时间最长的钒电池模块已正常运行超过8年 充放循环寿命超过16000次 远远高于固定型铅酸蓄电池的1000次 5 响应速度快 钒电池堆里充满电解液可在瞬间启动 在运行过程中充放电状态切换只需要0 02s 响应速度1ms VRBPowerSystems 6 可瞬间充电 通过更换电解液可实现钒电池瞬间充电 7 安全性高 钒电池无潜在的爆炸或着火危险 即使将正 负极电解液混合也无危险 8 成本低 除离子膜外 钒电池部件多为廉价的碳材料 工程塑料 材料来源丰富 易回收 不需要贵金属作电极催化剂 成本低 9 钒电池选址自由度大 可全自动封闭运行 无污染 维护简单 运营成本低 钒电池缺点 1 体积较大 2 能量密度低 这意味着储同样的能量 需要10倍甚至数十倍体积或是重量于锂电池 意味着为一个百兆瓦级的风电场配套的钒电池可能需要挖空一座山来提供原料 3 钒电池造价昂贵 化学储能 钠硫电池 钠硫电池是美国福特 Ford 公司于1967年首先发明公布的钠硫电池 是一种以金属钠为负极 硫为正极 陶瓷管为电解质隔膜的二次电池 在一定的工作度下 钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应 形成能量的释放和储存 基本的电池反应是 2Na xS Na2Sx 优点 缺点 高温350 C熔解硫和钠 几种化学储能电池性能比较 超导储能系统利用超导体制成的线圈储存磁场能量 功率输送时无需能源形式的转换 原理 将一个超导体圆环置于磁场中 降温至圆环材料的临界温度以下 撤去磁场 由于电磁感应 圆环中便有感生电流产生 只要温度保持在临界温度以下 电流便会持续下去 试验表明 这种电流的衰减时间不低于10万年 显然这是一种理想的储能装置 称为超导储能 2 2 3电磁储能 超导储能的优点 1 具有响应速度快 ms级 2 转换效率高 96 3 比容量 1 10Wh kg 比功率 104 105kW kg 大等优点 可以实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿 超级电容器又叫双电层电容器 超级电容是近几年才批量生产的一种新型电力储能器件 也称为电化学电容 它既具有静电电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力 单体的容量目前已经做到万法拉级 超级电容器Supercapacitor 与蓄电池相似而又不同的一类储能器件或储能装置 电容量比传统电容器大20 200倍 充放电能力大 放电电流 200A 充放电速度快循环寿命长维护简单 电池 超级电容器 可提供高的电能量和电功率 满足电动汽车启动 加速 爬坡 制动之大功率需求 超级电容器产品的性能与主要应用领域 美国能源部提出的近期和长远发展目标 超级电容器研究的几个方向 进一步提高超级电容器的能量密度和功率密度 降低成本 特别是降低电极材料的成本 提高电容器的可靠性 延长循环寿命 储能实例 2012年 福建安溪移动式储能电站 功率为125千瓦 容量为250千瓦时 不同地区均有季节性用电负荷存在 最大负荷是平时的12倍 形成罕见的尖峰负荷 导致局部区域 局部时段出现低电压现象 2011年底 张北风光储输示范工程和深圳宝清储能电站项目相继建成投产 张北项目配备100MW风电 40MW光伏和20MW储能电站 2011年 世界最大的32MW锂电池风电储能项目投运AES风电和AES储能公司位于西佛吉尼亚州的风电储能项目正式投入运营 该风电场安装了61台GE产1 6MW风电机组 总装机容量97 6MW 储能电池由A123公司提供 总容量为32MW AES储能公司目前在全球拥有72MW已建及在建的储能项目 计划开发的储能项目总计达500MW 世界上最大规模的20MW电网级飞轮储能项目世界领先的飞轮储能体系供给商Beacon电力完成世界上最大的飞轮储能体系的安装运营 这一项目是飞轮储能利用史上一个里程碑 该体系采世界最先进的碳纤维复合飞轮转子技术 接收并开释1MW的电能仅须要15分钟 此项目获得美国能源部4300万美元的资金支撑 大规模超临界空气储能项目在启迪鄂尔多斯科技园落地空气储能是一项可解决大规模风电 太阳能等间歇式电源安全可靠并网发电的关进技术 是智能化电网的重要组成部分 也是解决制约风电 太阳能发电发展瓶颈的有效手段 中国大唐集团新能源股份有限公司投资70亿元的大型海上风电项目成功落户滨海 山东省潍坊市潍坊国家高新技术产业开发区的1MJ高温超导储能系统将是世界首套投入到实际电网运行的高温超导储能系统 储热即热能储存 是能源科学技术中的重要分支 2 2 4储热技术 应用实例 智能移动供热车智能移动供热设备简称移动供热车 是一种新型的余热利用与集约化供热模式 把工业余热储存到移动供热车上 为需要热能的地方输送热能 它主要由 储热