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电能储能综述


电能存储技术综述
国网电力科学研究院 清洁能源发电研究所 中国·南京 2011-8

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电能存储技术概述 电能存储的应用需求和作用 电能存储系统 电能存储技术综合比较 国内外工程应用案例 总结与展望

1.电能存储技术概述
(一)什么是电能存储技术 电网

/>其他形式的 能量载体

负荷

机械储能 电磁储能 化学储能 相变储能

(二)电能存储技术的发展

?19世纪后期(纽约),铅蓄电池为夜间路灯提供电能 ?1929年,抽水蓄能作为调峰电站使用
电网安全性
(自然灾害、大面积停电)

电能存 储技术

用户电能质量
(电压、谐波、短时断电等)

可再生能源大规模并网发电
(间歇性、波动性)

可靠 高品质 清洁

(三)我国电能存储技术发展规划

智 能 电 网 建 设
坚强 信息化、自动化、互动化

新能源 产业

新材料 产业

生物 产业

储能 技术

节能环保 产业

新能源汽 车产业

信息技术 产业

战 略 新 兴 产 业 发 展

《战略性新兴产业发展“十二五”规划》

2.电能存储的应用需求和作用

需求一: 电网发展面 临的挑战

需求二: 可再生能源 大规模发展

截止2009年,PV装机达305MW,新能源振 兴计划到2020年装机量将达20GW。

截止2009年,中国风电总装机容量达2627 万千瓦,国家风电发展规划到2020年装机 90GW。

需求三:分布式 发电与智能电网 的建设
储能技术是构建智能电网的重要环节 推 动 新 能 源 大 规 模 并 网 提 高 现 有 设 备 利 用 率 改 善 电 能 质 量 改 善 用 户 侧 管 理

安全可靠 经济高效 清洁环保 透明开放 友好互动

储能在电网中的作用
1、削峰填谷 2、备用电源 3、平滑可再生能源输出 4、电网调频

电 网 调 频

削 峰 填 谷

3. 电能存储系统
—储能技术的分类
物理储 能:
抽水蓄能 压缩空气储能 飞轮储能

电磁储能:
超导储能 超级电容储能 高密度电容储能

相变储 能:
冰蓄冷储能

电化学储能:
铅酸、镍氢、镍 镉、锂离子、液流

3.电能存储系统
——抽水蓄能
抽水蓄能工作原理、关键技术及特点 抽水蓄能工作原理、关键技术及特点
关键参数设计:
? ? ? ?

装机容量 上、下库正常蓄水位 死水位 机组形式和台数

技术特点:
9 9 9

容量大→GW级 技术成熟可靠 效率70-85% 受地形限制 建设周期长,耗资大

抽水蓄能工作原理示意图

抽水蓄能机组的设计制造 和运行效率是关键

抽水蓄能应用现状 抽水蓄能应用现状
?国外:世界上抽水蓄能电站发展 最快、装机容量最多的是日本;其 次是美国、意大利、德国、法国、 西班牙等,日本和美国抽水蓄能电 站总装机容量均已超过2000万千瓦 。 日本在建水电项目抽蓄占80%; 美国在建水电项目抽蓄占60%。

? 我国:截至2009年底,投产23 座抽水蓄能电站,装机容量1454.5 万千瓦;在建12座,装机容量1114 万千瓦。拟建24座,装机容量3668 万千瓦。

2005年世界主要国家抽蓄装机容量及比重情况

抽水蓄能:用于调峰填谷,调峰、调相,紧急备用 提高可再生能源利用率和电网供电质量

3.电能存储系统
—压缩空气蓄能
压缩空气蓄能原理、组成及关键技术 压缩空气蓄能原理、组成及关键技术
CAES发电系统组成部 分: ?地下洞穴 ?同流换热器 ?压缩机组(压缩机、 中期冷却器、后期冷却 器) ?燃气轮机和发电机 CAES关键问题: ?地下洞穴的建设 ?超高压透平 ?系统优化 ?投资费用高等 ?提高效率

压缩空气蓄能工作原理示意图

压缩空气储能技术特点及应用 压缩空气储能技术特点及应用
国外CAES示范电站

技术特点:
9

电站名称

国家

规模大,运行成 本低 启动时间3-5min 可实现模块化 合适的储气洞 需要燃气

总装机容量 (MW) 290 110 2.7GW 输出功率 (35MW) 输出功率 (442MW)

发电 日期 1978 1991 1998 -

用途

Huntdorf McIntosh Norton

德国 美国 美国

9 9

热备用和平滑负 荷 系统调峰 储能电站 提高输出功率

Sunagawa 日本北海道 联合循环 CAES 瑞士

压缩空气储能:可以用于冷启动、黑启动,主要用于电网 调峰、系统备用、减小中大型发电机组的负荷波动

3.电能存储系统
——飞轮储能
飞轮储能原理及组成 飞轮储能原理及组成

动能
(双向发电机 调频、整流、恒压等)

电能
飞轮储能的工作原理

主要组件: 飞轮本体、轴承、电动/发电机、 电力转换器和真空室

飞轮储能技术特点及关键技术 飞轮储能技术特点及关键技术
技术特点:
9 9 9 9 9

关键技术: ?转子的设计 ?高效、低损耗、高转 速、长寿命的轴承技术 ?高速、低损耗、高可 靠性发电机/电动机 ?飞轮储能控制系统 ?机械备份轴承

功率密度高 响应速度快 效率高 寿命长 建设周期短、无 污染等 能量密度低 真空条件下运行 费用高

飞轮储能电池产品

商业化产品: Active Power公司—100~2000kW Clean Source系 列; Pentadyne公司—65~1000kVA VSS系列; Beacon Power公司—25MW Smart Energy Matrix; SatCon Technology公司—315~2200kVA系列

国外飞轮应用现状 国外飞轮应用现状
研发机构 日本四个综合研究 所 日本原子力研究所 美国Vista公司 美国波音公司 德国 澳大利亚Coral Bay 美国加州(Beacon Power制造) 英国国家电网 (Beacon Power制 造) 基本参数 技术 作用 平滑负荷 UPS 全程调峰 引入风力发电系 统,全程调峰 电力调峰 储能电站 稳定风电输出 提高风力发电并网 的渗透性 提高风力发电并网 的渗透性 时间

8MWh,储能放电各 高温超导磁浮立时轴 承,储效84% 4h,待机16h 输出电压18kV,输出 215MW/8GJ 电流6896A,储效85% 277kWh 277kWh 100 kW/5kWh 5MW/100MWh, 2250~4500rad/min 500kVA 10MW 高温超导磁浮轴承 超导磁浮轴承,储能 125kWh,储效96%

不详 1996 2007

飞轮储能:用于电力调峰;补充风力发电的有功和无功; UPS电源等

国内飞轮研究现状 国内飞轮研究现状
300Wh样机研制, 42000r/min 10000r/min 实验输出功率100W 最大输出功率200W 飞轮加速储能实验、 飞轮储能系统与电力 系统同步运行控制实 验 开展飞轮储能电源的 航天应用研究 开展飞轮储能相关研 究 2009 2007年 1996年开始

中国清华大学

华北电力大学

北京航天航空大学

中科院长春光学精密机械与 物理研究所 两台250KVA 北京市电力公司 移动式飞轮发电车 苏州菲莱特能源科技有限公 50kW,放电时间2mins 司 山西网通动力机房(Active CleanSource UPS电源 免蓄电池磁悬浮飞轮 Power) 储能UPS 系统

处在技术研发和样机研制阶段

3.电能存储系统
—超级电容器储能
超级电容器原理、关键技术及特点 超级电容器原理、关键技术及特点
关键技术:
?

? ?

本体:活性材料、电解质、单 体电压一致性、降低自放电 率; 技术特点: 电压均衡 控制方法
9 9

功率密度高 响应速度快 效率高 寿命长 能量密度低 费用高

超级电容器的工作原理

9 9

主要厂家:美国Maxwell公司,韩国 NESSCAP公司,德国Epcos公司、日本 NEC-TOKIN公司、韩国NUINTEK公司和澳 大利亚CAP-XX

超级电容器应用现状 超级电容器应用现状
研发机构 基本参数 技术 4800支2600F/2.5V 电容器组成,储效 95% 作用 地铁配电

西门子公司

储量21MJ/5.7Wh 最大功率1MW

美国TVA电力公司

200kW

用于大功率直流电 机

启动支撑

浙江大学、华北电力大学等有关课题组将超级电容器储能系统应用到分布式系统的 配电网中,可以调节储能系统向用户及网络输送无功以及有功的大小,提高电能质 量。

超级电容器储能:启动支撑、负荷平滑、电压补偿、提高 电能质量

3.电能存储系统
——超导磁储能
超导磁储能原理及结构 超导磁储能原理及结构

SMES储能原理图与结构图

基本结构:超导线圈、失超保护、冷却系统、变流器和控 制器

关键技术:

超导磁储能特点、关键技术及应用 超导磁储能特点、关键技术及应用

?探索和研究超导电力原理、新装 置; ?研究超导电力装置的内部动态特性 及其与电力系统动态相互作用机理; ?开展超导技术与电力电子技术结合 的研究; ?低温冷却技术及其他相关技术的研 究; ?新的、高性能和高临界温度的超导 材料;

系统特点: 9无损耗,储存的能量不衰减 9高转换效率(95%) 9响应快(几毫秒) 成本高 低温系统复杂,需要定期维护

超导磁储能:提供输电线路电压支撑、不间断电源、系统 备用容量、平滑再生能源波动、改善微网的并网特性

3.电能存储系统
(电化学储能)
电池堆(BP):实现对电能 的存储和释放 电池管理系统(BMS):实时 监控电池电压、电流和温度并 具有一定保护功能 储能变流器(PCS):实现对 电能的双向变换
电池储能单元结构 储能本体 铅酸电池 镍镉电池 锂离子电池 钠硫电池 液流电池 钠-氯化镍电池 可再生氢氧燃料电池

3.电能存储系统
铅酸电池工作原理及特点 铅酸电池工作原理及特点
技术特点:
9 9 9

—铅酸电池

自动均衡功能,易于充放电控制 材料、工艺等技术成熟,安全可靠 投资成本低 循环寿命(~500次) 能量密度低 制造和运行中存在污染 低温性能差

铅酸电池工作原理

负极反应:Pb + 正极反应: 电池总反应:

? HSO4 ? 2e ? PbSO4 + H + ? PbO2 + 3H + + HSO4 + 2e ? PbSO4 + 2H 2 O

? PbO 2 + Pb + 2 H + + 2 HSO4 ? PbSO4 + 2 H 2 O

铅酸电池关键技术及应用 铅酸电池关键技术及应用
关键因素: 放电制度(放电速率、终止电压、温度等); 电极结构; 制造工艺
国外大型铅酸电池储能系统及用途
系统名称 位置 额定功率/容量 (MW/MWh) 8.5/8.5 0.5/0.5 10/40 20/14 3/4.5 1/1.4 1/4 1.2/1.2 作用 热备用、频率控制 峰值调节 热备用、平衡负荷 热备用、频率控制 提高电能质量 提高孤立电网稳定性 平衡负荷 削峰、提高电能质量 安装时间 1986 1987 1988 1994 1995 1997 90年代后期 90年代后期

BEWAG Berlin Crescent North Carolina Chino California PREPA Puerto Rico Vernon California Metlakatla Alaska ESCAR Madrid Herne-Sodingen 德国

3.电能存储系统 ——镍镉电池
镍镉电池反应原理:

镍镉电池工作原理、特点及应用 镍镉电池工作原理、特点及应用

Cd + 2OH ? + 2e ? Cd (OH ) 2 2 Ni (OH ) 2 + 2 H + + 2e ? 2 NiOOH + 2 H 2O
2 Ni (OH ) 2 + 2 H + + Cd 2+ + 2OH ? ? 2 NiOOH + Cd (OH ) 2 + 2 H 2O
技术特点:
9 9 9 9

应用:
? ? ?

效率高 能量密度大 体积小、重量轻、结构紧凑 耐过充过放能力强 严重的记忆效应 镉是有毒物质

便携式电源设备 热备用电源 无功补偿 ABB与SAFT合作开发了 40MW/4.7MWh和27MW/6.75MWh

3.电能存储系统 ——锂离子电池
锂离子电池工作原理及特点 锂离子电池工作原理及特点
按电极材料划分: 钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、 磷酸铁锂、钛酸锂等 铁锂电池特点:
9 9 9 9

单体循环2000次以上 安全性高 可大电流充放电 工作电压高 低温性能差 电池一致性差

锂离子电池工作原理

锂离子电池储能关键技术及应用 锂离子电池储能关键技术及应用
关键应用技术: ?高性能、低成本的电池材料— 主要厂家: 电极材料、隔膜、电解液; ? A123、Valence ?电池一致性; ?电池成组技术; ?监控保护技术; 应用:
? ?

比亚迪、ATL、中航锂电、河南环 宇等

美国电科院1MW锂离子电池储能示 范:电压、频率控制及平滑风电 BYD 1MW/4MWh示范电站:光储联 合发电、削峰填谷

?

3.电能存储系统
——钠硫电池
NaS NaS电池工作原理及特点 电池工作原理及特点

2Na + xS ? Na2 S x
技术特点:
9 9 9

能量密度高 循环寿命长达4500次 响应时间快(ms) 需300oC工作 效率最高为78%

钠硫电池工作原理

NaS NaS储能系统关键技术及应用 储能系统关键技术及应用
关键应用技术:
安装时间

钠硫电池储能系统
额定功率/ 作用 容量 1992.12 日本川崎 50kW/400 kWh 1999 日本大仁 6MW/48M Wh 2004.7 Hitachi 9.6MW/57. 6MWh 2004 美国哥伦 12MW/120 备用电站 MWh 比亚 国内技术储备:国家电网同上海硅酸盐研究所合作,2008 年完成电池模块研制,2009年攻关百千瓦级储能设备, 2010年实现世博会示范应用,到2011年进入大规模产业化 阶段。 位置

?电池材料与制备工艺: 实现一致性和低成本生产 ?电池模块制造和装备技 术:优化内部结构、热管 理系统 ?安全可靠性保障技术 ?SOC在线监控技术

NaS电池储能:平滑风电/光伏发电波动,削峰填谷

3.电能存储系统
—全矾液流电池(VRB)
VRB VRB系统工作原理及关键技术 系统工作原理及关键技术
+ VO2+ + H2O ? e ?VO2 + 2H +

V 3+ + e ? V 2+ + 2+ + VO2+ + H2O + V3+ ?VO + V + 2 H 2
关键问题:
?

材料(电极、隔膜、电解液) 监控系统 安全可靠性

全矾液流电池工作原理

? ?

VRB VRB系统特点及示范工程 系统特点及示范工程
液流电池典型示范应用工程

技术特点:
9

时间 2007 2007 2006 2006 2006 2006 2006 2005 2004 2003 2001 2001 1999 1997 2004 2002

地点 美国佛州 肯尼亚电信 爱尔兰风电场 丹麦 丹麦 意大利 加拿大 德国 美国犹他州 澳洲金岛风场 日本北海道 日本 日本关西电力 日本 美国空军基地 英国

储能系统规模 2×5kW× 4h 5kW× 4h 2MW×6h 15kW×8h 5kW×4h 5kW×4h 10kWh 10kWh 250kW×8h 200kW×8h 170kW/1MWh 1.5kW/3MWh 450kW/1MWh 200kW/800KWh 12MW/120MWh 15MW/120MWh

功用 光伏/储能发电 电信备用电源 风/储发电并网 风/储发电 风力/光伏发电 电信备用电源 偏远地区供电 光/储并网 削峰填谷 风/储/柴联合 风/储并用 电能质量 电站调峰 平稳负载波动 备用电源 电站调峰

研发单位

系统设计灵活性强, 增容方便; 可深度放电 活性物质理论寿命长 辅助设备易被腐蚀 总体能量效率低 占地体积大

9 9

加拿大VRB 能源系统公 司

日本住友电 工SEI

英国Innogy PSB

3.电能存储系统
—可再生氢氧燃料电池
系统组件: 水电解和燃料电池两部分 分为分体式、综合室和一体式。

一体式再生燃料电池 系统的重量比分体式系统减轻, 比能量可达400-600Wh/kg,甚至 有可能达到1000Wh/kg。 集很多难题于一体: 高气压电池、双功能电极、 高压氢系统、高压氧系统、 高压水系统、复杂化控制。

可再生氢氧燃料电池工作原理

美国Helios 2003年试飞, 目标要完成连续96小时飞行试验。
6月7日首次飞行15h后,燃料电池发电 系统还未运行,冷却系统及空气增压 供应系统就出现泄漏,飞行停止。

再生燃料电池
为动力系统
7月26日再次试飞,29 分钟后出现整机结构 性失稳而解体坠毁

3.电能存储系统
—相变储能
关键技术:
?

制取廉价、安全可靠的固-固相变 材料 完善封装技术,提高材料的换热效 率和稳定性 力学性能和耐久性

技术特点:
9 9 9

储能密度高 储能/释能过程近似等温 环保

?

?

应用:
? ? ?

蓄冷空调系统 热电相变蓄热 建筑节能

3.电能存储系统
—双向储能变流器
?储能变流器(PCS)作为电网与储能装置之间的接口,是储能系统的重要组成部 分。它能够应用于储能系统并网、储能系统孤岛运行并在两者之间进行状态切换。

单级变流器拓扑结构

厂家:比亚迪、ABB、合肥阳光光
两级变流器拓扑结构

两级变流器拓扑结构

厂家:许继、中国电科院 、上海思源、四方电气、 艾默生。

3.电能存储系统
—双向储能变流器
AC/DC交直变流器的拓扑结构图

技术要求:
?不同模式充电功能 ?不同模式放电功能 ?孤岛检测功能 ?低电压穿越功能 ?有功和无功的控制功能 ?并网和离网的模式切换功能 ?保护功能 ?人机界面和通讯功能

4. 电能存储技术综合比较

技 术 成 熟 性
成熟应用:抽水蓄能、铅酸电池储能 产业化初期:压缩空气储能、镍镉/氢、钠硫电池、锂离子电池、液流电池、 超导磁储能、飞轮储能、超级电容器储能 研究阶段:相变储能、燃料电池

功 率 等 级 和 放 电 时 间
能量管理:>100MW,抽水蓄能、压缩空气储能; 10-100MW,大规模电池、燃料电池、相变储能(小时级) 备用电源:100kW-10MW 铅酸电池、锂离子电池、液流电池和燃料电池 (分钟-小时) 电能质量调节:<1MW 飞轮储能、超级电容器储能、超导磁储能(秒~分钟)

能量/功率密度
能量密度: ?电池储能具有较高的能量密度; ?抽水蓄能、超导磁储能、超级电容器和飞轮储能能量密度低于 30Wh/kg; ?钠硫电池和锂离子电池比铅酸电池的能量密度高3~4倍,液流电 池的能量密度低于传统的电池 功率密度: ?超导磁储能、超级电容器储能和飞轮储能具有很高的功率密度, 均高于电池类

适用于应对电压暂降和瞬时停电、提高用户 的电能质量,抑制电力系统低频振荡和提高 系统稳定性等

自放电
? 抽水蓄能、压缩空气储能和液流电池的自放电非常 小,可在较长时间存放; ? 铅酸电池和锂离子电池在常温下的自放电率分别为 ~0.3%/天和~0.1%/天,存放时间不应超过几十天; ? 硫电池、超导磁储能和超级电容器储能的自放电为 10~40%/天,循环使用周期最长为数小时; ? 飞轮储能的自放电率为100%/天,最佳放电时间应控 制在分钟级范围内。

循环效率
?超导磁储能、飞轮储能、超级电 容器和锂电池储能系统循环效率大 于90%; ?抽水蓄能、压缩空气储能和其他 类电池循环效率为60~90%。 ?可再生燃料电池和蓄热储能,效 率低于60%

各类储能系统的循环效率比较

循环寿命、成本、对环境影响
储能类型 抽水储能 机械储 能 压缩空气 飞轮储能 超导储能 电磁储 能 电容器 超级电容 器 铅酸电池 电化学 储能 液流电池 钠硫电池 锂电池 5-10 10-15 5-15 >10000 ~4500 >1000 600-1500 1000-3000 1200-4000 150-1000 300-500 600-2500 5-80 8-20 15-100 循环寿命 寿命 循环次数 (年) 40-60 20-40 ~15 >20 ~5 >10 5-15 >20000 >100000 >50000 >100000 500~800 $/kW 600-2000 600-700 250-350 200-300 200-400 100-300 300-600 成本 $/kWh 5-100 2-50 100-5000 1000-10000 500-1000 300-2000 200-400 2-20 20-100 ¥/kWh per cycle 0.1-0.4 2-4 3-25 对环境影响 负面,破坏植 被 负面 几乎无影响 负面,强磁场 无影响 几乎无影响 负面,制造和 运行中产生铅 污染 负面,含有毒 物质 较小,强腐蚀 性 几乎无影响

5.典型工程案例
抽水蓄能电站 抽水蓄能电站

该电站装机容量197.9万kW, 为该地区提供了187.2万kW的峰 荷电力。年发电量25.47亿 kWh,电站效率71.5%。
(1)勒丁顿抽水蓄能电站 (2)日本神流川抽水蓄能电 站: 装机容量达2700MW,是目前世界上装机容量最大的 抽水蓄能电站——用于调峰填谷、事故备用

压缩空气储能工程案例 压缩空气储能工程案例
(1)德国北部的Huntorf 电厂: ? 1978 年建成 ? 290 MW ,0.003km3 ? 充8h,放2h(每天) ? 能效86%,启动可靠率98% ? 主要功能是作为紧急备用电力或 替代尖峰、高成本电厂的能源 (2)美国McIntosh 电厂: ? 1991年建成 ? 110MW,0.00532km3 ? 可供电26h,启动9~13min ? 主要功能是作为替代尖峰、高成 本电厂的能源

德国Huntorf电厂

飞轮储能工程案例 飞轮储能工程案例
?2003年,日本富士电气安装了一台 200kW的飞轮储能系统,平滑1800kW 的De-Wind D4风力发电机的电力输出 的波动,与已有的柴油发电机,构成了 一个孤岛电网; ?2007年,澳大利亚的Coral Bay电场 用500kW的飞轮储能,平滑200kW的 风力发电; ?美国vista tech engineer inc将飞轮引 入风力发电系统,风力机组300kWh, 飞轮储能277kWh。

Beacon Power公司的飞轮储能系统

美国 美国Chino Chino铅酸电池储能工程案例 铅酸电池储能工程案例

?建设时间:1986-1988 ?运行时间:1988-1997 ?容量:10MW/40MWh ?补充电力系统峰期电能 ?交流-交流效率72% ?成本$1820万

美国Chino铅酸储能系统

日本住友电工 日本住友电工 VRB VRB电池储能工程案例 电池储能工程案例

?运行时间:2005年 ?日本住友电工 ?容量:4MW/6MWh ?平滑风力机组输出
Tamamae风场VRB系统及工作曲线

日本 日本NGK NGK NaS NaS电池储能工程案例 电池储能工程案例

日本六所村17组2MW NaS电池及17组2MW变流器

?容量:34MW ?平滑风力机组输出 ?总能效75%

我国抽水蓄能工程案例 我国抽水蓄能工程案例

十三陵蓄能电站: 装机总容量80万kW,单机容量 200MW 1993年3月,因连续十多天的 大雾阴雨天气使供电线路 不断出现电网污闪、线路 闪络跳闸等事故,在此期 间十三陵蓄能电厂均作出 快速反应,六天内共开机 48次,紧急启动成功率 100%,避免了事故扩大造 成的更大损失。

6 总结与展望

大力发展各类储能技术,在试验和示范中进一步验证推广

?对电网的架构、安全性和建设投资的影响 ?成本、系统效率、可靠性、社会和环境效应 ?可再生能源和多种储能系统联合技术的可行性 ?加快飞轮储能系统、超级电容器储能等技术的发展和工程应用 ?可再生燃料电池技术尚不成熟,有待继续研究

结 束 语
电能存储目的是产生经济和社会效益。 随着可再生能源(风能、太阳能、燃料电池等)的日益普 及,以及电网调峰、提高电网可靠性和改善电能质量的迫切 需求,电力存储系统的重要性日益凸显。 电力存储技术为实现电网可持续发展目标、解决电量供需 不平衡矛盾和提高供电可靠性等问题提供了可行的解决方 法。 因此,随着技术的不断突破,储能系统将是解决电力行业 中能量管理问题的最有效的方法,具有巨大的应用市场。

课题申请单位及主要参与单位研究基础

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