主要储能系统技术经济性分析
(中科院工程热物理研究所)
一、成熟度
图1所示为电力储能系统的技术成熟度的总结与比较。根据成熟度不同可分为三个层次:
图1 储能技术成熟度
PHS- 抽水蓄能;CAES- 压缩空气;Lead-Acid: 铅酸电池;NiCd: 镍镉电池;NaS: 钠硫电池;ZEBRA: 镍氯电池;Li-ion: 锂电池;Fuel cell: 燃料电池;Metal-air: 金属空气电池;VRB: 液流电池;ZnbBr: 液流电池;PSB: 液流电池;Solar Fuel: 太阳能燃料电池;SMES: 超导储能;Flywheel: 飞轮; Capacitor/Supercapcitor: 电容/超级电容;AL-TES: 水/冰储热/冷系统;CES:低温储能系统;HT-TES:储热系统
(1) 成熟技术:抽水蓄能电站和铅酸电池技术已经成熟,其使用已超过100年。
(2) 基本成熟的技术:压缩空气储能、镍镉电池、钠硫电池、锂离子电池、液流电池、超导磁能、飞轮、电容、储热/冷等技术已经完成研发并开始商业化,但是还没有大规模普遍应用,它们的竞争力和可靠性仍然需要电力企业和市场来进一步检验。
(3) 正在研发的技术:燃料电池、金属-空气电池和太阳能燃料正在研发中,虽然它们在技术上并没有达到商业成熟的程度,但已经通过了多个科研机构的研究论证。另一方面,由于能源成本和环境问题的驱动,这几种技术在不久的将来将具有巨大的商业潜力。
二、功率和放电时间
表1对各种类型电力储能系统的功率和放电时间进行了比较,根据它们的应用情况,大体上分为三种类型:
(1) 能源管理:抽水储能、压缩空气储能适合于规模超过100MW和能够实现每天持续输出的应用,可用于大规模的能源管理,如负载均衡、输出功率斜坡/负载跟踪。大型电池、液流电池、燃料电池、太阳能电池和储热/冷适合于10~100MW的中等规模能源管理。
(2) 电力质量:飞轮、电池、超导磁能、电容反应速度快(约毫秒),因此可用于电能质量管理包括瞬时电压降、降低波动和不间断电源等,通常这类储能设备的功率级别小于1MW。
(3) 电能桥接:电池、液流电池和金属-空气电池不仅要有较快的响应(约小于1秒),还要有较长的放电时间(1小时),因此比较适合桥接电能。通常此类型应用程序的额定功率为100kW~10MW。
表1 各种储能技术性能比较
表2 各种储能技术性能比较(续)
三、储存周期
表1还给出了各种储能技术的能量自耗散率,其中抽水储能、压缩空气储能、燃料电池、金属-空气电池、太阳燃料和液流电池等的自耗散率很小,因此均适合长时间储存。铅酸电池、镍镉电池、锂电池、储热/冷等具有中等自放电率,储存时间以不超过数十天为宜。飞轮、超导磁能、电容每天有相当高的自充电比,只能用在最多几个小时的短循环周期。
四、成本
成本是影响储能产业经济性的最重要因素之一。表1分别列出了以每千瓦时、每千瓦、每千瓦时-循环为单位的各种储能技术的成本。可见,就每千瓦时的成本而言,压缩空气、金属-空气电池、抽水储能、储热技术成本较低。与其它形式储能系统相比,在已经成熟的储能技术中压缩空气储能的建设成本最低,抽水储能次之。尽管电池的成本近年来下降很快,但同抽水储能系统相比仍然较高。超导磁能、飞轮、电容单位输出功率成本不高,但从储能容量的角度看,价格很贵,因此它们更适用于大功率和短时间应用场合。总体而言,在所有的电力储能技术中,抽水储能和压缩空气储能的每千瓦时储能和释能的成本都是最低的。尽管近年来电池和其他储能技术的周期成本已在大幅下降,但仍比抽水储能和压缩空气储能的成本高出不少。
对于表1,进行以下说明:
(1)表1所有成本均按照2009年美元汇率换算成美元;
(2)压缩空气储能每千瓦成本除了电站建造成本,还包括储气室建设成本,后者与储气量大小有关;
(3)电池成本中不包括电池更换费用;
(4)各储能系统每千瓦小时发电成本(以COST表示)计算公式如下:
对于压缩空气储能系统:
其它储能系统:
五、效率
各种电力储能系统的充放电循环效率如图2所示。可见,储能系统的循环效率大致可以分为三种:
(1) 极高效率:超导磁能、飞轮、超大容量电容和锂离子电池的循环效率超过90%;
(2) 较高效率:抽水蓄能、压缩空气储能、电池(锂离子电池除外)、液流电池和传统电容的循环效率为60%~90%;
(3) 低效率:金属-空气电池、太阳燃料、储热/冷的效率低于60%;
效率计算公式一般分两种,基于热力学第一定律的储能系统效率计算式:
上式适用于能量以机械能或电磁能形式储存的储能系统。
对于储热/冷系统,除了上式,往往还需从能量品位的角度评价储能过程。
基于热力学第二定律的储能系统效率计算式:
六、能量密度和功率密度
表2还列出了各种储能技术的能量密度和功率密度,其中能量密度等于存储能量除以装置体积(或质量),功率密度等于额定功率除以存储设备的体积(或质量)。可见,尽管金属-空气电池和太阳能燃料的循环效率很低,但是它们却有极高的能量密度(~1000Wh/kg),而电池、储热/冷和压缩空气储能具有中等水平的能量密度。抽水储能、超导磁能、电容和飞轮的能量密度最低,通常在30Wh/kg以下。然而,超导磁能、电容和飞轮的功率密度是非常高的,它们更适用于大放电电流和快速响应下的电力质量管理。钠硫电池和锂离子电池的能量密度比其它传统电池的高,液流电池的能量密度比传统电池稍低(应该注意的是,不同厂商生产的相同类型的储能系统会在能量密度数据有所不同)。
表2各储能系统能量密度计算式为:
或
,以下是不同储能系统所储存的能量值E。
(1)抽水蓄能储存的机械能计算式为:
其中H为水位高度,g为重力加速度,V为水库容量,为水密度。
(2)压缩空气储存的能量计算式为:
其中P为绝对压力,V为储气容积,m为储存的空气质量,R为理想气体常数,T为绝对温度,V1-V2为压缩过程前后空气体积。
(3)飞轮储存的机械能计算式为:
其中J为转动惯量,为飞轮角速度。
(4)超导储能储存的电能计算式为:
其中L为线圈电感系数,I为线圈电流。
(5)电容储存的电能计算式为:
其中C为电容,V为电压,Q为总的电荷。
(6)储热系统储存的热量计算式为:
非相变储热:
其中m为储热介质质量,T1,T2为吸热前后温度,Cp为比热容。
相变储热:
其中m为相变介质质量,为相变热,Cp为比热容,m为相变点。
七、使用寿命和循环次数
表2还比较了不同电力储能系统的使用寿命和循环次数。可以看出,那些在原理上主要依靠电磁技术的电力储能系统的循环周期非常长,通常大于20000次。例如,包括超导磁能和电容器。机械能或储热系统(包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮、储热/冷)也有很长的循环周期。由于随着运行时间的增加会发生化学性质的变化,因此电池和液流电池的循环寿命较其它系统低。