关于电化学储能的应用价值思考--惠东

关于电化学储能的应用价值思考,中国电力科学研究院惠东,2017年国家电网公司技术标准创新奖推荐材,电化学储能应用现状及发展,1,储能应用市场价值的思考,2,3,中国经济在不断发展，对电力需求持续增长。与发达国家相比，目前中国人均用电量较低，中国的用电结构不太合理。中国发电装机容量世界第一，但火力发电比例过高。,1.1、中国电力需求持续增长,1、增量市场；2、电源变革；3、用电变革。,4,中国经济发达地区用能需求大但电力能源资源差，而欠发达地区用能需求低但电力能源资源好，总体呈现用能需求与资源倒挂格局。,1.2、中国电力能源资源与用电需求逆向分布,电力能源大容量远距离输送的需求将长期存在。未来中国西电东送的规模可能达到4.55.5亿千瓦，年输送电量22.5万亿千瓦时，占约未来全国年总消费电量的1/6。,5,中国风电并网容量10年增长100倍，光伏5年增长100倍，新能源已成为第3大主力电源。由于风能、光伏发电的波动性和间歇性，造成新能源安全稳定运行和有效消纳问题非常突出。,风电并网容量(MW),光伏并网容量(MW),中国新能源发展目标,10年增长100倍,5年增长100倍,1.3、中国大规模集中式可再生能源接入困难,城市电网的峰谷差率逐渐增大，达到30%以上，而在大城市达到40%50%;夏季空调制冷负荷就已接近华中、川渝电力负荷的1/3，华东达28.7%，京津唐达28.9%。许多城市全年用电高峰由原来夏季一个高峰，向夏季和冬季两个高峰发展。日用电负荷曲线也发生明显变化，从原来早晚两个峰的“驼峰”形状转变为两峰之间负荷趋向平坦，日高峰负荷持续时间延长。,设备重载、满载压力大；城市商业区受到电商模式冲击，其负荷特征变化明显城市内电动汽车充电桩布局受配电资源制约城市内变电站35kV、10kV用电间隔资源紧张；线路负载分布不均、个别线路利用率低；城市内电力设施建设费用不断提高。,北京市典型日负荷分布,分布式电源引起的配电网电压偏差、逆向潮流,分布式发电对配电网的影响,分布式可再生发电的接入，为配电网的控制保护和运行管理带来挑战。分布式光伏存在：1、发电资源与消纳的存在时间或空间的不对称性；2、业主主体的不统一性；3、补贴政策的执行滞后性。,储能在电力系统的应用模式,。,2010年12月美国能源部发布电力系统对大规模储能技术应用需求报告，根据当今电力系统的技术需求特征，将储能应用模式分为5大类17项，受到多个国家的认可。,大规模可再生能源接入平滑功率输出，降低功率波动越限概率以及爬坡率提高可再生发电日前计划跟踪能力参与调峰用户智能化、互动化分布式电源接入削峰填谷应对灾变，保证供电可靠性满足特殊负荷的电能质量需求传统电网升级方式的变革灵活配置能源供应，提高现有输配网络利用率，延缓输配电设备投资输电应用参与调频、调峰等辅助服务,11,国内外应用现状,各储能类型中，电化学储能项目数占比最大，为重点攻关方向电化学储能中，锂离子电池的项目数占比、装机容量占比最大，其增长幅度也最快，已成为发展最快的电化学储能技术,12,各储能类型项目数占比,各电化学储能类型装机容量占比,锂离子电池储能,国内外应用现状,在各领域中的应用现状：在可再生能源领域应用的项目数占比、装机容量占比均最大，增长态势也最明显在分布式与微网领域应用的项目数占比增长速率较快在可再生能源发电、分布式与微网领域中的应用已备受关注,13,各应用领域中项目数占比,各应用领域中装机容量占比,可再生能源发电,分布式发电,可再生能源发电,国内外应用现状,锂离子电池储能是目前转换效率最高的储能方式；钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和钛酸锂电池，均能保证其能量效率在95%以上铅酸90%；液流电池75%；钠硫电池85%锂离子电池已经形成规模的产业链动力电池需求带动锂离子产业液流电池和钠硫电池目前还是少数几家垄断技术局面锂离子电池性能具有巨大提高的空间循环寿命、动态响应能力、倍率特性、成组规模均不断提高新型锂离子电池研究技术储备较强锂离子电池成本具有巨大下降空间锂资源丰富；锂离子电池材料和成品制造过程不高耗能，也不借助于贵重金属属于环保类产品,如果通过储能在用户侧进行峰谷差价套利（arbitrary），那么锂离子电池系统目前已经接近该应用模式的技术经济拐点。,15,2007年-2015年国内磷酸铁锂多条自动化生产线陆续投产，并不断改进，代表国内水平的比亚迪、CATL等不断提升生产线建设能力。第一代大容量磷酸铁锂电池，主要从消费类钴酸锂进行放大样，各项技术指标难以适应储能技术要求；（2007-2009）第二代大容量磷酸铁锂电池，探索大容量动力电池的独特工艺，循环寿命等指标得到提升；（2010-2012）第三代，随着正极、负极、隔膜、电解液原材料供应的品质提升和规范，电池特性发生巨大提升。（2013-2015）2016年是第四代电池的起点，储能用磷酸铁锂电池将于动力电池技术路线开始分道扬镳。动力电池追求高能量密度，三元电池是重点，而储能电池追求长寿命、低成本、大容量和高安全，改进型磷酸铁锂和钛酸锂受到关注。,16,不同省份工业用电价格表,我国不同地区省份的峰谷电价不同、峰谷时段，同时同一省份不同容量工业用户的峰谷电价也不同。,17,电化学储能应用现状及发展,1,储能应用市场价值的思考,2,电网发生了那些改变？,Grid,=,LOAD,电网公式,G侧，高比例新能源接入,L侧，电动车等具有双向潮流及时空不确定性负荷接入,高电压、大容量电网规模庞大控制设备更多运行方式复杂,=,？,变化的本质是什么？,直流输电增加了系统的“刚性”，交直流混联增加了复杂性,新能源接入带来的发电侧的间歇性、不确定性,平稳、可控,交流输电,规律、可预测,发电跟踪负荷,两端可调节性变差，中间趋于“刚性”的系统如何保持平衡？,电动车等接入带来的波动性和不确定性，综合能源终端,电化学储能系统的特征,结构：能量转换本体、功率转换、并网设施、辅机与附件形态：并网电源、负荷控制规律属性：电磁暂态（锂离子、铅碳、钠硫）准电磁暂态（液流）外特性参数：额定储能容量额定功率响应时间能量转换效率自放电率循环寿命充放电对称性容量可用系数,典型储能应用示范案例,22,商业用电客户利用储能装置调峰填谷套利模式（1MW/4MWh储能系统为例）,（1）峰谷电价差异的运行价值,23,大工业用户用电客户利用储能装置调峰填谷套利模式（1MW/4MWh储能系统为例）,大工业用基于峰谷电价差异的运行收益（江苏）,24,25,用电客户利用储能装置调峰填谷套利模式（1MW/3MWh储能系统为例）,（1）峰谷电价差异的运行价值,26,注意：1、峰谷差价是计划产物，只能用于目前储能装备定价参考；2、峰谷差价套利不具有无限放大性和长期可持续性。,（2）提高输配电设备利用率应用价值,27,1、输配电设施建设费用在增长；2、用电结构发生变化，大城市（老城区、负荷密集区）增容困难；3、局部出现输配电设备拥塞或轻载过度（日级别、数小时级别）；4、配电方面增量需求在电动汽车以及其他电能替代；注意：电力储能未必是特定时期间的最佳解决手段或永久解决手段。1、智能电网配电设施建设仍在持续投入，以保障配电通道的充裕性；2、分布式发电技术经济性也不断提高，可以缓解局部矛盾；3、储冷或蓄热技术在进步，也参与低品位能源供给方面有优势。,用户侧需求响应问题,FERC对需求响应的分类,需求响应：电力用户在电价信号、激励机制的驱动下，在尖峰用电时段或者电网不稳定时，改变自己原来的用电方式的行为。,（3）需求侧管理应用价值,注意：电力储能未必是特定时期间的最佳解决手段或永久解决手段。,弃风弃光矛盾日益突出,国网经营范围弃风、弃光电量变化趋势（单位：亿千瓦时）,未来新能源占比将逐步提高,注1：数据来源中国可再生能源发展路线图2050、关于中国人口数量、人均用电量和电力供给的探讨注2：标*号数据为推算数据,2015年，新能源满足了全国的5.6%电力需求，根据相关研究，预计到2020、2030和2050年，新能源将分别满足全国6.7%、15.3%、32.1%的电量需求。按我国当前新能源发展趋势，新能源资源富集地区未来新能源电量占比将超过50%和60%。,分布特性,当弃风率较低时（5%），弃风电量主要集中于持续时长在20小时以内的弃风随着弃风率的增加，持续时长在20小时以上的弃风电量占比明显提高；当弃风率达到45%，持续时长超过20小时以上的弃风电量占总弃风电量比例高达87%。,弃风序列的间歇性,储能对风电消纳能力的作用。（火电最小技术出力50%，弃风率45%为基础）,储能穿透率20%，最大储能时间16h，弃风率仅减少7.5%，储能效果有限（当弃风率达到45%时，最大弃风时间达173个小时）。,注：储能穿透率=储能装机/最大负荷,储能对减少弃电的影响,（4）提高可再生能源的消纳,33,大规模风力发电出力与负荷需求在季节上具有一定的逆向分布特点，新能源电量占比为40%时，会带来电能消纳的季节性问题。储能作为日级别以下的调节手段具有不适应性，高配置储能利用率极低，低配置储能没有作用。光伏和风电发电成本逐步下降，利用储能解决弃风、弃光，需要储能价格无限低。,（5）电力辅助服务应用价值,34,1、华北电网早先的辅助服务两个细则，为储能调频应用提供参照，但市场空间有限；2、东北电网最近出台调峰辅助服务细则；3、山西将开展电力现货市场交易试点；4、南方电网也将会有辅助服务市场化试点方法。,2014年6月13日，习主席主持召开中央财经领导小组第六次会议，研究中国能源安全战略，定调“推动能源体制革命，还原能源商品属性”。,1、储能在电力系统的角色归根结底是一个服务载体，为发输配用等各环节或整个链条提供服务。服务的形式：备用式服务？辅助型服务？支撑型服务？主导型服务？。服务价值：必需品？套利型服务？增值型服务？带来增量的服务？2、尽管电力是公用事业（Utility）。还原能源商品属性，不能继续要求发电系统提供无限充裕度的发电电源，电网提供无限充裕的输配电通道。3、商品的价值最终体现为交易的价格。,35,区域电网广域布局储能的聚合效应全面整合了区域电网内对储能的功能需求，包括大规模新能源消纳、分布式消纳、电网暂态响应