Цель данной статьи - проанализировать и сравнить технические характеристики и сценарии применения основных технических направлений новых накопителей энергии, и на этой основе спрогнозировать будущие тенденции развития новых накопителей энергии.
1. Обзор развития новых накопителей энергии
Историю развития технологий хранения энергии можно проследить с начала XIX века, когда люди начали изучать методы преобразования электрической энергии в химическую, хранение тепловой энергии и другие формы для хранения.
Только в начале XX века технология электрохимического хранения энергии, представленная свинцово-кислотными аккумуляторами, стала популярной и обеспечила надежное средство для хранения и использования энергии.
С развитием науки и техники и применением новых материалов технологии хранения энергии постоянно совершенствуются. Появилась новая электрохимическая технология хранения энергии, представленная литий-ионными батареями.
Его преимущества, такие как высокая плотность энергии, длительный срок службы, охрана окружающей среды и отсутствие загрязнения, получили широкое признание и стали основным направлением в настоящее время. технологии хранения энергии.
Несмотря на то, что масштаб установленных мощностей новых накопителей энергии быстро растет, развитие новых накопителей энергии по-прежнему сталкивается с такими проблемами, как высокая стоимость, отсутствие механизма ценообразования, несовершенство стандартов и правил, а также трудности с реализацией проектов.
2. Основные технические маршруты для новых накопителей энергии
Новые накопители энергии в основном включают три основных технических направления: хранение электроэнергии (электрохимическое, механическое и электромагнитное), хранение водорода и хранение тепла.
По сравнению с насосным гидроаккумулятором новые накопители энергии имеют такие преимущества, как короткий срок строительства, простой и гибкий выбор места и сильная способность к регулировке. Оно лучше соответствует развитию и потреблению новых видов энергии, и его преимущества постепенно становятся все более заметными.
3. Накопление электрической энергии
Накопители электроэнергии можно разделить на три категории: электрохимические накопители энергии, механические накопители энергии и электромагнитные накопители энергии.
Электрохимические накопители энергии в основном включают литий-ионные батареи, проточные батареи, свинцовые батареи и натрий-ионные батареи; механические накопители энергии в основном включают накопитель энергии сжатого воздухаМаховичные накопители энергии и гравитационные накопители энергии; электромагнитные накопители энергии в основном включают в себя суперконденсаторные накопители энергии и сверхпроводящие накопители энергии и т.д.
Электрохимическое хранение энергии является наиболее широко используемой новой технологией хранения энергии и имеет потенциал для широкомасштабного продвижения. Электрохимические накопители энергии - это технология, позволяющая накапливать электрическую энергию за счет электрохимических реакций.
По сравнению с другими технологиями хранения энергии, электрохимические системы хранения энергии имеют более высокую плотность энергии, умеренную скорость реакции, широкий диапазон применения, простоту массового производства, установки, эксплуатации и обслуживания, а также отличный потенциал для широкомасштабного продвижения.
Из общемировой совокупной установленной мощности новых накопителей энергии в 2022 году 97% будет приходиться на электрохимические накопители энергии (из них на литий-ионные батареи приходится 94,4%). По мере становления промышленной цепочки, развития технологий и снижения стоимости перспективы электрохимических накопителей энергии становятся все более широкими.
- Накопители энергии на основе литий-ионных аккумуляторов
- Технические особенности: Литий-ионные батареи обладают такими преимуществами, как быстрая скорость заряда и разряда, высокая общая эффективность, высокая техническая практичность и малое количество ограничивающих факторов. Среди различных технологий электрохимического хранения энергии литиевые батареи обладают выдающимися характеристиками по времени цикла, плотности энергии, скорости реакции и т.д. Все они обладают большими преимуществами. Однако литий-ионные батареи имеют такие недостатки, как безопасность и плохие низкотемпературные характеристики.
- Сценарии применения: Литий-ионные батареи имеют широкий спектр применения и могут использоваться во всех аспектах энергосистемы со стороны источника питания, со стороны сети и со стороны потребителя, включая электростанции с частотной модуляцией AGC, электростанции для хранения энергии ветра/солнца, электростанции с пиковой/частотной модуляцией, аварийные источники питания и т.д.; режимы применения разнообразны и могут выполнять множество функций, таких как снижение пиковой нагрузки и частотная модуляция.
- Технологическая зрелость: В настоящее время технология литий-ионных батарей достигла широкомасштабного применения, а основным технологическим направлением является технология литий-железо-фосфатных батарей. Судя по текущему процессу коммерциализации, технология литий-ионных батарей является очень зрелой. В будущем мы сосредоточимся на исследованиях в области безопасных материалов, интеллектуального производства, а также переработки и повторного использования батарей.
- Накопители энергии на проточных батареях
- Технические особенности: Проточная батареяобладают такими преимуществами, как безопасность, надежность, высокая стоимость в течение жизненного цикла, экологичность и длительный срок службы. Электролит на водной основе, входящий в состав проточной батареи, предотвращает ее возгорание и взрыв, что делает ее очень безопасной; мощность и емкость батареи не зависят друг от друга, что позволяет разделить мощность и емкость стека, а емкость может быть увеличена за счет увеличения емкости бака для хранения жидкости; также она имеет длительный срок службы. Однако проточные батареи имеют такие недостатки, как низкая плотность энергии и высокая стоимость.
- Сценарии применения:С одной стороны, срок службы проточной батареи соответствует сроку службы ветряных и фотоэлектрических электростанций, поэтому она подходит для строительства крупномасштабных новых энергетических станций для распределения и хранения энергии; с другой стороны, благодаря большому масштабу, большой емкости, длительному сроку службы, высокой остаточной стоимости и низким затратам на обслуживание, она может использоваться на крупномасштабных электростанциях с общим хранением энергии или пиковых электростанциях на стороне энергосистемы.
- Технологическая зрелость: Китайская технология хранения энергии на проточных батареях достигла ведущего международного уровня, а крупномасштабная технология хранения энергии на полностью ванадиевых проточных батареях уже достигла промышленного уровня. Тем не менее, необходимо еще больше повысить производительность крупномасштабных систем хранения энергии, снизить стоимость системы и разработать различные режимы работы в зависимости от сценария применения.
- Накопители энергии на основе свинцово-кислотных аккумуляторов
Технические особенности. Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют такие преимущества, как низкая стоимость, хорошая производительность при высокоскоростном разряде и хорошие температурные характеристики. Однако свинцово-кислотные батареи имеют и недостатки, такие как низкая плотность энергии.
- Сценарии применения: Технология хранения энергии на свинцово-кислотных батареях обладает такими выдающимися преимуществами, как низкая стоимость и высокая безопасность. Она может широко использоваться в различных новых системах хранения энергии, таких как солнечная энергия, энергия ветра, гибрид ветра и солнца, интеллектуальные сети, системы микрогрид, энергоснабжение в районах без электросети и суровых энергосистемах. Системы хранения энергии, системы регулирования частоты и отслеживания нагрузки, системы пикового энергосбережения и заполнения долины, системы хранения и зарядки энергии в жилых районах и т.д.
- Технологическая зрелость:Свинцово-кислотные батареи являются наиболее зрелым технологическим направлением в области электрохимического хранения энергии. Судя по текущему процессу коммерциализации, технология свинцово-углеродных батарей в настоящее время является основным технологическим маршрутом и находится на средней и поздней стадиях коммерциализации.
- Накопители энергии на основе натрий-ионных аккумуляторов
- Технические особенности: Как новый тип вторичного химического источника энергии, натрий-ионные батареи не только не имеют ограничений по сырью, но и отличаются безопасностью, высокой и низкой температурой, высокой скоростью заряда и разряда, что имеет очевидные преимущества по ресурсам и стоимости. Однако натрий-ионные батареи имеют такие недостатки, как низкая плотность энергии и короткий срок службы.
- Сценарии применения. Натриево-ионные батареи могут использоваться для регулирования частоты нагрузки, снижения пиковой нагрузки и заполнения долины, интеграции в сеть возобновляемых источников энергии и улучшения качества электроэнергии.При планировании системы автоматического управления генерацией (AGC) системы хранения энергии на основе натриево-ионных аккумуляторов могут сотрудничать с тепловыми электростанциями, чтобы использовать преимущества их быстрой скорости реакции и сильных возможностей мгновенного регулирования мощности для предоставления услуг по регулированию частоты и напряжения.
- Технологическая зрелость: Отечественная работа по исследованию и разработке, производству, установлению стандартов, продвижению на рынок и применению продукции натриево-ионных батарей идет полным ходом, и натриево-ионные батареи вот-вот войдут в стадию коммерческого применения.
- Другие передовые технологии электрохимического хранения энергии
Существует множество путей развития электрохимических технологий хранения энергии, и в настоящее время в стране и за рубежом ведутся исследования и разработки различных передовых новых технологий хранения энергии, направленные на преодоление недостатков существующих электрохимических технологий хранения энергии с точки зрения низкой стоимости, высокой безопасности и больших масштабов.
Если говорить об электрохимической системе хранения энергии, то среди множества передовых механизмов и технических решений в области аккумуляторов наиболее представительными являются твердотельные батареи, водные батареи, многоэлектронные вторичные батареи (магниево-ионные, алюминиево-ионные и т.д.), воздушно-металлические батареи и жидкометаллические батареи в настоящее время находятся на стадии разведки и исследований и разработок.
4. Механические накопители энергии
- Накопители энергии на основе сжатого воздуха
Технические особенности. Накопители энергии на сжатом воздухе обладают такими преимуществами, как большая установленная мощность, длительное время хранения энергии, короткий срок строительства, длительный срок службы, чистота и экологичность. Как физическая технология хранения энергии с большой емкостью, длительным сроком службы и высокой безопасностью, накопители энергии на сжатом воздухе имеют очевидные преимущества в содействии интеграции крупномасштабных возобновляемых источников энергии в энергосистему и удовлетворении спроса на регулирование пиков мощности. Однако накопители энергии на сжатом воздухе имеют такие недостатки, как низкая эффективность.
- Сценарии применения
- Сторона источника питания: Он может быть интегрирован с новыми энергетическими системами, такими как ветроэнергетика и фотоэлектричество, для создания интегрированной системы хранения энергии ветра или фотоэлектричества для улучшения качества электроэнергии и управляемости новых энергетических генераций.
- Сторона сетки: Он может быть напрямую подключен к передающей или распределительной сети и принимать единую диспетчеризацию диспетчерской службы, обеспечивая безопасную и стабильную работу сети. Он может обеспечить пиковое регулирование, частотную модуляцию, фазовую модуляцию, резервное копирование, черный старт и другие технические услуги, которые могут облегчить перегрузку передачи и распределения и повысить надежность энергоснабжения.
- Сторона нагрузки: Система может сочетаться с солнечным, геотермальным и промышленным теплом и может использоваться в таких сценариях, как индустриальные парки и общественные здания в мегаполисах с различными потребностями в энергии, что значительно повышает гибкость и эффективность использования схемы системы.
- Технологическая зрелость:Китайские накопители энергии на сжатом воздухе находятся на критической стадии развития - от демонстрационных проектов до коммерческого применения. С точки зрения тенденций развития, накопители энергии на сжатом воздухе будут развиваться в направлении крупномасштабности, высокой эффективности, низкой стоимости и диверсификации.
- Накопители энергии на маховиках
- Технические особенности: Маховичные накопители энергии обладают такими преимуществами, как мгновенный отклик, точное слежение и двусторонний выход. Он имеет значительные технические преимущества для участия в регулировании частоты электросети и является экономически целесообразным. Однако маховичные накопители энергии имеют такие недостатки, как недостаточная плотность энергии и высокая скорость саморазряда.
- Сценарии применения: Накопители энергии на маховиках Технология была впервые использована в аэрокосмической отрасли, а теперь постепенно применяется в области энергосистем. Она подходит для сценариев с высокой мощностью, быстрым откликом и высокой частотой, таких как регулирование частоты электросети, бесперебойное питание ИБП и т.д.
- Технологическая зрелость: В настоящее время маховичные накопители энергии остро нуждаются в инновациях и прорывах с точки зрения мощности системы, скорости преобразования, срока службы, безопасности и т.д. Оно находится на стадии обширных экспериментов. Небольшие прототипы были успешно разработаны и использованы в демонстрационных проектах.
Однако в настоящее время маховики имеют ряд ограничений, связанных с безопасностью и высокой стоимостью. Поэтому, судя по текущему процессу коммерциализации, маховичные накопители энергии все еще находятся на стадии инженерной демонстрации.
- Гравитационное накопление энергии
- Технические характеристикиГравитационные накопители энергии обладают значительными преимуществами, такими как экологичность, гибкая планировка, высокая безопасность, длительный срок службы и отсутствие саморазряда. В качестве метода хранения энергии, гравитационное накопление энергии имеет медленное время запуска и с трудом обеспечивает инерционность сети. Однако емкость накопителя энергии велика, время его работы велико, а стоимость единицы энергии низка. Он может точно отслеживать команды диспетчера сети и улучшать возможности вторичного регулирования частоты сети.
- Сценарии применения:В практическом применении гравитационный накопитель энергии в сочетании с другими формами хранения энергии (такими как маховиковый накопитель энергии, суперконденсаторный накопитель энергии) может эффективно решить проблемы нестабильности частоты и напряжения, вызванные интеграцией новых источников энергии в сеть, а также снизить пиковые нагрузки и заполнить пики. Долина, чтобы решить проблему несоответствия между выработкой новых источников энергии и спросом.
- Технологическая зрелость: Гравитационные накопители энергии - это новая технология хранения энергии, в которой в настоящее время доминирует технология башенных накопителей энергии. Судя по текущему процессу коммерциализации, гравитационные накопители энергии находятся на ранней стадии инженерной демонстрации.
+86 - 18925002618
