大規(guī)模儲(chǔ)能探索之路

十八世紀(jì)四五十年代的一天，萊頓大學(xué)的馬森布羅克進(jìn)行了一個(gè)奇特的試驗(yàn)——用一支槍管懸在空中，用起電機(jī)與槍管連著，另用一根銅線從槍管中引出，浸入一個(gè)盛有水的玻璃瓶中。當(dāng)起電機(jī)被搖動(dòng)時(shí)，他自己一手拿水瓶子，另一只手去碰槍管，突然，一股強(qiáng)大的力量擊打到他的手，讓他全身都震動(dòng)了。由此他得出結(jié)論：把帶電體放在玻璃瓶?jī)?nèi)可以把電保存下來。后來，人們把這個(gè)瓶子稱為“萊頓瓶”，也就是今天我們使用的電池的雛形。不久之后，“萊頓瓶”被美國(guó)的本杰明·富蘭克林在大名鼎鼎的“風(fēng)箏試驗(yàn)”中用來收集電能，人類儲(chǔ)存電能的夢(mèng)想由此開啟。

儲(chǔ)能電站的液流電池車間

如今，我們的生活充滿各種各樣的電池：干電池、銀鋅電池、鉛酸電池、鋰電池……然而在大規(guī)模儲(chǔ)能方面，我們依然走在探索的路上。

探索之路

近年來，隨著風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為破解可再生能源間歇性、波動(dòng)性的“未來武器”進(jìn)入人們的視野。如何將更多的新能源納入大電網(wǎng)，同時(shí)還不會(huì)危及電網(wǎng)安全穩(wěn)定？如何將以往調(diào)度人員眼中不可控、不可調(diào)度的“垃圾電源”變成遵守紀(jì)律的“優(yōu)質(zhì)電源”？面對(duì)這些前瞻性、世界性的難題，國(guó)家電網(wǎng)公司將目光鎖定大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)。

“國(guó)家電網(wǎng)公司早在2004年就開始研究化學(xué)儲(chǔ)能，‘十一五’期間部署了儲(chǔ)能領(lǐng)域的早期研發(fā)，上海市電力公司還聯(lián)合相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行鈉硫電池的研發(fā)探索。”中國(guó)電科院電工與新材料研究所總工惠東博士向記者介紹。

前期的研究結(jié)果認(rèn)為，電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域有著潛在而廣泛的應(yīng)用前景，建議以此為切入點(diǎn)進(jìn)行深入研發(fā)。為此，中國(guó)電科院成立了電池特性研究室，開始研究液流電池，并從鋰離子電池入手開始深入研究。早期研究初步理順了各種電池的特性和適用對(duì)象，還參加了國(guó)家相關(guān)項(xiàng)目的研究。2009年，液流電池的研究被納入國(guó)家973項(xiàng)目。

惠東說：“以前我們的研究更多集中在電池裝置技術(shù)方面。在應(yīng)用方向上，一方面以電池儲(chǔ)能為載體，著力提高間歇性可再生能源的利用效率；另一方面用于提升用戶側(cè)的電能質(zhì)量。”2009年，國(guó)家電網(wǎng)公司領(lǐng)導(dǎo)與專家一行去日本參觀了一個(gè)風(fēng)電加儲(chǔ)能的試驗(yàn)項(xiàng)目，深受啟發(fā)，于是結(jié)合張北風(fēng)電檢測(cè)中心建立起一個(gè)儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)室研究基地，中心任務(wù)就是要搭建一個(gè)真實(shí)的平臺(tái)，開展儲(chǔ)能和風(fēng)光相結(jié)合的檢測(cè)研究。

201 1年4月30日召開的風(fēng)光儲(chǔ)項(xiàng)目建設(shè)通氣會(huì)上，儲(chǔ)能研究團(tuán)隊(duì)作為風(fēng)光儲(chǔ)項(xiàng)目重頭的專業(yè)性團(tuán)隊(duì)，初步梳理了方案，提出了新的設(shè)計(jì)和建設(shè)思路，隨后這個(gè)方案進(jìn)一步修正、細(xì)化、完善，最終確定了在鋰離子電池儲(chǔ)能裝置中，以比亞迪的6兆瓦×6小時(shí)和東莞新能源的4兆瓦×4小時(shí)作“能量型應(yīng)用”，用于低倍率大容量充放電；以中航鋰電的3兆瓦×3小時(shí)和萬象的1兆瓦×2小時(shí)作“功率型應(yīng)用”，用于高倍率大功率充放電。在大量應(yīng)用技術(shù)較成熟的鋰電池的同時(shí)，放眼世界化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，采用普能公司的2兆瓦×4小時(shí)全釩液流電池，對(duì)4兆瓦×6小時(shí)的鈉硫電池進(jìn)行國(guó)際招標(biāo)。

如何配比

在儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)之初，一個(gè)非常重要的問題擺在面前：多少儲(chǔ)能配多少風(fēng)光？這個(gè)比例并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)問題，一方面，它關(guān)系到未來風(fēng)光儲(chǔ)輸工程的“海陸空”三軍能否相互補(bǔ)充，發(fā)揮最佳“作戰(zhàn)”效果；另一方面，由于大規(guī)模儲(chǔ)能電池的價(jià)格目前還很昂貴，所以無限量的儲(chǔ)能配備并不現(xiàn)實(shí)，亦不經(jīng)濟(jì)合理，成本問題也必須優(yōu)先考慮。但是最佳配比問題即使翻遍世界各個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)都難以找到現(xiàn)成的答案。

惠東介紹，在利用可再生能源的進(jìn)程中，新能源與儲(chǔ)能相結(jié)合的理論和實(shí)踐，國(guó)外亦有嘗試。例如日本曾用34兆瓦鈉硫電池配比51兆瓦風(fēng)電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)平滑波動(dòng)等功能，但是這樣超過1︰2的配比比例太高，對(duì)我國(guó)的風(fēng)光儲(chǔ)輸項(xiàng)目而言并不經(jīng)濟(jì)，違背了經(jīng)濟(jì)合理原則。在2006至2007年間，日本還有一則試驗(yàn)，用4兆瓦儲(chǔ)能電池配比30兆瓦風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行示范，但這個(gè)試驗(yàn)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)只發(fā)揮單一的平滑出力功能，效果并不理想，而且試驗(yàn)后這些設(shè)備就拆除了，并不作為可再生電源長(zhǎng)久使用。之后，國(guó)際上有參考價(jià)值的項(xiàng)目和試驗(yàn)很少，且都是小規(guī)模、更注重用戶側(cè)功能的試驗(yàn)而非實(shí)踐，對(duì)我國(guó)風(fēng)光儲(chǔ)大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行、并且更注重發(fā)電側(cè)調(diào)節(jié)的項(xiàng)目而言，可參考性并不強(qiáng)。

經(jīng)過精密的試驗(yàn)和計(jì)算，最終風(fēng)光儲(chǔ)輸項(xiàng)目的新能源與儲(chǔ)能建設(shè)配比方案為：100兆瓦風(fēng)電、40兆瓦太陽能發(fā)電和20兆瓦儲(chǔ)能電池。惠東介紹，綜合考慮技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)性、安全性、可實(shí)現(xiàn)性、經(jīng)濟(jì)可比性和技術(shù)靈活性等幾方面因素，我們的儲(chǔ)能系統(tǒng)采用14兆瓦磷酸鐵鋰電池、4兆瓦鈉硫電池和2兆瓦液流電池，儲(chǔ)能總?cè)萘窟_(dá)到95兆瓦時(shí)。不過，這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)于科研人員而言只是一個(gè)開端，更精確的配比方案正是這個(gè)項(xiàng)目建成后的一項(xiàng)重要試驗(yàn)課題。技術(shù)部副主任劉漢民說：“工程投產(chǎn)運(yùn)行后，將最終試驗(yàn)出風(fēng)、光、儲(chǔ)三者之間的最佳配比。”

如同一道新的菜肴，只有先確定了科學(xué)配比、美味可口的菜譜，未來才能用新能源的“原材料”做出人人可品嘗的“佳肴”。

集成控制

嚴(yán)格說來，風(fēng)光儲(chǔ)輸不僅僅是一個(gè)新能源項(xiàng)目，對(duì)于我國(guó)儲(chǔ)能系統(tǒng)而言還是一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)，確切地說是世界首個(gè)集科研、技術(shù)開發(fā)、比對(duì)、試驗(yàn)以及生產(chǎn)運(yùn)行為一體的綜合平臺(tái)，承擔(dān)著多重角色：它是先進(jìn)電池儲(chǔ)能技術(shù)的試驗(yàn)應(yīng)用平臺(tái)，也是多種電池以不同容量配比協(xié)同生產(chǎn)運(yùn)行的平臺(tái)，還是不同類型化學(xué)電池應(yīng)用功能效果技術(shù)對(duì)比平臺(tái)，是多類型儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用功能的技術(shù)開發(fā)平臺(tái)，還是大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)集成技術(shù)的研究平臺(tái)。

一位來參觀的領(lǐng)導(dǎo)曾指出，風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程就是要給其他項(xiàng)目做榜樣，重要的是“學(xué)得會(huì)，還要學(xué)得起”。這個(gè)定位就意味著作為其中重要環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，不能僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，而要能示范、能通用、能推廣。“以前，我們的研究更專注于儲(chǔ)能對(duì)新能源并網(wǎng)的作用，盡管也有很多突破，但更多是實(shí)驗(yàn)室行為，并不涉及經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)能力。如今這么大規(guī)模的儲(chǔ)能電站建設(shè)以及接踵而來的生產(chǎn)運(yùn)行，迫使科研人員必須考慮電池的生產(chǎn)能力以及未來一段時(shí)間電池技術(shù)的發(fā)展前景。”惠東說。2009年以后，受國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車快速發(fā)展的影響，鋰電池發(fā)展很快，因此儲(chǔ)能電站確定了“化學(xué)儲(chǔ)能以鋰電池為主、鈉硫電池和液流電池為輔”的原則，同時(shí)綜合考慮系統(tǒng)集成技術(shù)，如接線方式和方案，對(duì)電池應(yīng)用的特征，包括電池裝置控制，以及監(jiān)控技術(shù)和監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)。

集中控制是儲(chǔ)能電站的“大腦”，統(tǒng)領(lǐng)管理著儲(chǔ)能電站的三種類型、27.5萬塊電池，這些電池并不是簡(jiǎn)單地串聯(lián)在一起，而是需要一套先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出充電、放電等各種指令，并讓這些電池如同士兵一樣按照指揮統(tǒng)一行動(dòng)。這個(gè)“大腦”就是儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)，由中國(guó)電科院自主研發(fā)。作為儲(chǔ)能電站運(yùn)轉(zhuǎn)的核心中樞，可以實(shí)現(xiàn)三種儲(chǔ)能系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控，并在世界上首次實(shí)現(xiàn)多類型化學(xué)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)同配合新能源發(fā)電的示范應(yīng)用，使我國(guó)在儲(chǔ)能集成控制領(lǐng)域躍入世界前列。

從世界儲(chǔ)能技術(shù)橫向比較，日本在鈉硫電池、液流電池和改性鉛酸電池儲(chǔ)能技術(shù)方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平，美國(guó)在鋰寓子電池制造及系統(tǒng)集成方面領(lǐng)先，并在電池壽命、性能、原材料以及理論研究等方面方案優(yōu)于我國(guó)，但我國(guó)通過風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程的建設(shè)和運(yùn)行，在儲(chǔ)能集成控制技術(shù)應(yīng)用上已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，同時(shí)將儲(chǔ)能與風(fēng)和光一起組合并進(jìn)行商業(yè)運(yùn)用，我國(guó)也是首開先河，前景廣闊。

近年來，我國(guó)一直在電池的制造方面持續(xù)投入，雖然日、美的鋰電池技術(shù)積累深厚，但是業(yè)界也流行一句話——“世界鋰電看中國(guó)”，就是說我國(guó)在電池制造的性價(jià)比和商業(yè)應(yīng)用方面走在前列。

隨著我國(guó)電動(dòng)汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用，另一種儲(chǔ)能原材料不能忽視，那就是從電動(dòng)汽車上“退役”下來電池，那些能量不足以啟動(dòng)電動(dòng)汽車的廢舊電池，卻完全可以回收到儲(chǔ)能電站里發(fā)揮余熱，這將重新定義電動(dòng)汽車的電池壽命，亦為儲(chǔ)能電站進(jìn)行新的成本核算增添內(nèi)容。兩條看似無關(guān)聯(lián)的行業(yè)，在新的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域重合交疊，為未來的經(jīng)濟(jì)跨界發(fā)展趨勢(shì)做出完美的印證。

對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)和電池發(fā)展的明天，惠東用“大容量、高可靠性、高安全性、長(zhǎng)壽命、低成本”幾個(gè)詞勾勒出未來的方向。