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电池储能是可再生能源大发展关键,武汉岩土所

2019-09-21 06:01栏目:小鱼儿玄机2站科技
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近年来,中国可再生能源发电装机量增速迅猛,与此同时,用电高峰期时由于气象因素导致的发电不足或是用电低谷期大量可再生清洁能源难以有效利用等供需不匹配的矛盾日益凸显。另一方面,巨大的环境压力让二氧化碳减排刻不容缓。Power-to-Gas 是一项将电能转化为高能量密度的可燃气体的化学储能技术,电离产生的氢气与捕集的CO2可人工合成甲烷,从而用于再发电或战略储能等以达到碳中和目的。

林伯强:电池储能是可再生能源大发展关键

中国科学院武汉岩土力学研究所研究员李琦团队多年来与德国亥姆霍兹波茨坦地球科学研究中心教授Michael Kühn团队一直进行PtG地质储能技术合作研究。针对PtG地质储能技术流程、地质储能模式以及全球示范项目开展了详细的调查研究。就PtG地质储能技术而言,电离与甲烷化仍是制约系统能效的关键基础技术。地质储层中的储能主要分为甲烷与二氧化碳同层存储与分层存储。同层存储中以二氧化碳作为垫层气存储甲烷会显著提升甲烷的采出率,但两种气体混合区域大小的控制与优化是需要进一步研究的方向。分层存储避免了混合问题,但该技术的应用有着较为苛刻的地质条件要求以及大量甲烷气体永久存留储层中无法采出的资源浪费问题。当前,欧洲各国制定的能源战略凸显了PtG技术的广阔前景,尤其德国已经开展了大量PtG技术与场地应用研究,我国在该领域的研究尚处于起步阶段。基于全球进展和中德之间的技术现状,双方团队对该技术的技术经济性、生态影响、在中国应用的机遇与挑战以及未来研发重点等一系列问题做出了详细的分析和展望。一系列结果表明,相较于传统储能技术,PtG地质储能技术的经济性具有较强的竞争力。此外,目前我国碳封存与天然气地下储存的工程示范和现场应用也可为该技术在我国的应用提供较强的理论和实践依据,但进一步的选址、能效、环境风险等一系列技术挑战仍有待进一步研究。

传统方案给电网带来麻烦

中德最新一期的合作研究成果已经在线发表于国际工程技术期刊Renewable & Sustainable Energy Reviews。该研究成果得到中国CDM基金(No. 2013085)和国家留学基金委(No. 201804910875)的共同资助。

天然气分布式能源在我国已经推行了若干年,但近年来,可再生能源发电的份额逐步提高。可再生能源不但被视为解决环境问题,特别是减少碳排放的有效途径,长期则可能是人类能源需求的最重要的解决方案之一。全球2014年可再生能源发电占电力生产总值的22.8%,其中风能与太阳能之和占4%。

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中国面临着严重的环境压力,因而更加重视可再生能源发电的发展,2014年可再生能源发电量为1.2万亿千瓦时,占总发电量的22%,其中并网风力发电占总发电量的2.8%;光伏发电占总发电量的0.45%,并网光伏占0.42%。2014年,在中美双方发布的联合声明中,中国提出计划2030年左右二氧化碳排放达到峰值且将努力早日达峰值,并相应地将2030年非化石能源占一次能源消费比重提高到20%,而此前的规划是到2020年非化石能源占比为15%。考虑到水电核电施工周期较长,增长受禀赋限制,风光电的发展潜力非常大。

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中国有着世界上最大的用电需求,也是最大的可再生能源发电国,因此中国对全球可再生能源发展举足轻重。可再生能源发电发展最大的问题,是可再生能源发电的间歇性与不可预测性。

PtG地质储能技术流程图

一方面,可再生能源的发电集中时间段与用电时间段存在着不一致性。风电发电高峰一般集中在晚上,太阳能发电的高峰集中在白天。而工业用电的用电曲线较为平缓,居民用电则呈现白天、晚上两个高峰。另一方面,随着季节、天气的变化,可再生能源发电与用电曲线都会有相应的变化。中国大部分地区春季风力发电输出最大,光伏发电夏天输出最高,而且发电随天气原因剧烈变化而具有不可预测性。

这些对于电网来说,都是麻烦。传统的解决方案主要集中在两个途径:一是利用较为灵活的发电设施与之配合,形成稳定的总输出,应用较为广泛的是天然气发电与可再生能源发电相结合。二是将可再生能源发电的能量进行储存,储能传统方法是转换为热能等形式,如储热、热水系统与可再生能源发电系统的结合。而不涉及能量转换的电力储能方法,以往的应用中,主要表现为抽水蓄能电站。

以上两个方案都不能从根本上解决可再生发电到达一定规模比例后,难以维持电网稳定性的问题。第一个方法存在两个主要限制:一是应用不够广泛,较多应用于分布式系统;二是涉及到燃料价格因素,成本不可控。第二个方法的主要局限在于,抽水蓄能电站工作时,其能量来源从根本上来说,同样是化石能源。因此,抽水蓄能虽然有利于减少电网的波动性,但对节能减排并没有本质上的好处。另外,抽水蓄能电站的应用受到选址、成本与利益分配等多方面限制因素影响。

电池储能或为解决方案

如果从更为长远的角度来看这个问题,电池储能可能是可再生能源发电不稳定性的最有效经济方案。电池储能的好处在于,可大可小,容易与各种规模的可再生能源发电相结合;充电放电快速,直接电与电转化,转换效率高。其限制的最大因素在于经济性,以及与成本相关联的充放电效率、安全性、寿命。传统观点都认为电池储能的成本高而难以商业运营。

这个状况正在迅速改变,近期电池技术的突破,使得电动汽车等大规模电池应用已经较为普遍,而直接与电力系统结合的电池储能的尝试也已经开始。2015年5月,特斯拉发布名为Powerwall的家用电池系统和商用电池系统 Powerpack。其单体峰值电量为3千瓦,可储存10千瓦时电量,充放电能效92%,提供10年质保,单体售价为3500美元,可以通过简单拼接进一步扩大至1000倍。特斯拉希望借此改变人类的用电模式,掀起能源革命,推动可再生能源的普及。现在看来,特斯拉不是在吹牛。

对于可再生能源与储能结合的系统,储能策略对系统经济性的重要性可能高于储能设备本身成本的重要性。因此,政府在大力推进储能设备发展的同时,也应当倡导电池储能与可再生能源发电的结合,积极建立试点,扶持可再生能源与储能结合系统的试验性项目,在实践中找到最适应中国现状,最适应项目安装地点的储能策略,为日后大规模可再生能源发电的利用打下良好基础。

与工业用电结合的分布式光伏项目可能是电池储能最易介入,而且是最容易盈利的主体。可再生能源与储能相结合的系统,要想其达到最优的经济效益,关键在于对可再生能源发电的有效预测。因此,政府在大力发展风能、光伏的同时,也应该建立平台,及时更新分享相关发电与气候数据,提供有效的发电预测信息。

对于电网而言,发展电池储能技术或可从根本上解决可再生能源发电的不稳定性问题,大规模扩大可再生能源发电的份额,有效提高上并网率和系统稳定性。对于政府而言,制定更有针对性和有差别性的差别电价政策,不但有助于推动电池储能技术的盈利能力,还可以在更大程度上优化电力资源配置,提高电力系统的总体发电效率。

电池储能系统的突破已经到了一个关键点,现在研究储能的经济性,比之前更有时效性与指导意义。而从宏观与微观上分步进行可再生能源与储能系统的研究和政策设定,具有可行性与实证参考意义。

对于可再生能源发展与储能技术的经济性,中国具有一定的优势。第一,电价是可再生发电与储能盈利的核心,电力价格由政府决定,可以由政府制订有利于可再生能源发展与储能技术的电力峰谷和差别电价。第二,中国作为可再生能源生产大国,其市场潜力巨大,可以为可再生能源发展与储能技术的投资提供规模效应。

所以,电池储能技术与可再生能源发电推广具有同等重要的地位。随着技术进步,电池储能成本与技术已经逐渐进入经济性区域。中国作为可再生能源生产大国,政府应加强对电池储能技术的研究和运用的扶持力度,从而抢占新能源革命的先机。为避免落后一步,中国政府应抓住储能技术处于突破前夕的机会,利用产业规模与市场优势,推进各种技术的电池储能研究与产业结合,争取在其他国家的前面,早日实现电池储能大规模应用。

(作者系厦门大学能源经济与能源政策协同创新中心主任)

《中国科学报》 (2015-9-15 第6版 能源)

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