电动汽车储能模式、主要挑战以及推广政策建议
分类:电工电气

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随着电动汽车数量不断扩大,电动汽车储能日益受到行业关注。电动汽车也可被视为分布式储能设施,可与分布式能源、可再生能源等结合形成微网系统,也可应用于电力需求响应,根据系统灵活性调节需求进行实时充放电变化。

电池是用来储存电量的,从应用上来讲,都是储能的,因此可以说所有的锂电池都是储能电池,后来为了区分应用,按场景分为消费电池、动力电池和储能电池三种。消费类应用是在手机、笔记本电脑、数码相机等消费类产品,动力类应用在电动汽车上,储能类应用在储能电站上。

不久前,国家电网公司印发《关于促进电化学储能健康有序发展的指导意见》,提出推动政府主管部门将各级省级电力公司投资的电网侧储能计入有效资产,通过输配电价疏导。业内人士指出,意见或将成为中国电化学储能产业真正进入规模化、快速发展的一大助推力。

车电储能概念及现状

动力电池其实也是储能电池的一种,主要应用于电动汽车,由于受到汽车的体积和重量限制以及启动加速等要求,动力电池比普通的储能电池有更高的性能要求,如能量密度要尽量高,电池的充电速度要快,放电电流要大,但普通储能电池的要求没有这么高,根据标准,动力电池的容量低于80%就不能再用在新能源汽车了,但稍加改造,还可以用在储能系统中。

中国电化学储能产业在2018年迎来真正意义上的元年。根据中国能源研究会储能专委会暨中关村储能产业技术联盟全球储能项目库的不完全统计,2018年中国累计投运的电化学储能项目规模为1.0185吉瓦/2.9123吉瓦时,是2017年累计总规模的2.6倍。来自RCESIP的预测表明,2025年中国电化学储能累计装机规模有望达到24吉瓦,市场份额将迈入千亿级别。

随着可再生能源发电比重不断升高,发展储能技术将是弥补电力系统灵活性不足的根本途径,但我国已建储能装机容量不足全国发电装机1.5%,加之国内天然气发电、库容式水电等传统调峰资源贫乏,有限的抽水蓄能资源也无法满足未来能源清洁化转型的巨大需求。虽然近年来电化学储能技术(如锂离子电池、液流电池等)得到一定发展,但其装机规模仅占全部储能装机数量的不足1%,不足以在短期内实质性地填补储能供应缺口。

从应用场景来看,动力锂电池主要用于电动汽车、电动自行车以及其它电动工具领域,而储能锂电池主要用于调峰调频电力辅助服务、可再生能源并网和微电网等领域。

而做出2018年是中国电化学储能产业元年的判断,不仅是基于市场规模,更重要的是产业开始触及一些关涉行业未来的根本性问题,比如储能专用锂电池研发应用。

电动汽车是实现我国交通能源转型和汽车工业赶超的战略新兴产业,我国较早开展了电动汽车关键技术研发和实施了商业化扶持政策,有力推动了我国电动汽车产业的快速发展。2017年全国电动汽车销量达到77.7万辆,累计推广量超过180万辆,占全球电动汽车市场的一半以上。当前德、法、英、挪、荷、印等国家纷纷提出燃油汽车退出目标,我国也制定了2020年新能源汽车销量和保有量分别达到200万辆和500万辆的发展目标,而2018年开始实施的《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》更意味着交通电动化已成为不可逆转的趋势。

由于应用场景不同,电池的性能要求也有所不同。首先,动力锂电池作为移动电源,在安全的前提下对于体积能量密度尽可能有高的要求,以达到更为持久的续航能力。同时,用户还希望电动汽车能够安全快充,因此动力锂电池对于能量密度和功率密度都有较高的要求,只是因为出于安全性考虑,目前普遍采用1C左右充放电能力的能量型电池。

2018年11月,宁德时代副董事长黄世霖公开表示,未来动力电池和储能电池技术路线会分开。对此,另外一家行业代表亿纬锂能储能事业部总经理陈翔则表示完全同意这一观点。上海国轩新能源(合肥)储能科技有限公司总经理彭明鸿进一步提出,市面上基本没有真正的储能电芯,各大动力电池厂家都未投入专门的储能电芯产线。

随着电动汽车数量不断扩大,电动汽车储能日益受到行业关注。电动汽车也可被视为分布式储能设施,可与分布式能源、可再生能源等结合形成微网系统,也可应用于电力需求响应,根据系统灵活性调节需求进行实时充放电变化。电动汽车普及后的调控规模非常可观,结合先进电力电子通讯控制技术、合理的充放电设施布局及引导性的电价政策,电动汽车在提高电力系统运行的可靠性和灵活性方面具有巨大应用潜力。

绝大多数储能装置无需移动,因此储能锂电池对于能量密度并没有直接的要求。至于功率密度,不同的储能场景有不同的要求。

如果彭明鸿的说法是对的,那么我们经常看到的各种机构统计的储能项目用的是什么锂电池呢?显然只能是动力电池。至此,这一业内大家都在私下讨论但很少有人主动公开的重大命题进入了公众视野。无疑,这是行业的一个重大进步。

国外对车电储能的研究开始较早,美国特拉华大学的Kempton和Tomic,较早对比了美国电力系统和交通部门的发展规模,发现若全美交通部门中有四分之一数量的车辆为电动汽车,则电动汽车充/放电总功率超过美国全国发电装机总容量。研究进一步发现由于电动汽车设计之初就针对道路工况变化实现了瞬时功率调节能力,因此电动汽车也完全满足电力系统辅助服务中的响应时间和爬坡率的要求。此外,电动汽车V2G硬件投资成本相对有限。而限制其推广的最重要的因素便是其运行过程中较高的电池循环寿命折损。Kempton进而分析了纯电动汽车、插电式混合动力汽车以及燃料电池汽车三种电动汽车在基荷发电、尖峰负荷发电、备用容量以及系统调频四类电力市场服务的可行性。研究结论认为不同类型电动汽车(纯电动汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池汽车)适应不同种类的辅助服务,且虽经济性各不相同,但不存在不可克服的技术障碍。

用于电力调峰、离网型光伏储能或用户侧的峰谷价差储能场景,一般需要储能电池连续充电或连续放电两个小时以上,因此适合采用充放电倍率≤0.5C的容量型电池;对于电力调频或平滑可再生能源波动的储能场景,需要储能电池在秒级至分钟级的时间段快速充放电,所以适合≥2C功率型电池的应用;而在一些同时需要承担调频和调峰的应用场景,能量型电池会更适合些,当然,这种场景下也可以将功率型与容量型电池配合一起使用。

那么动力电池与储能电池有哪些分别呢?

技术示范方面,丹麦政府于2009年启动了为期三年的Edison电动汽车智能电网项目,该项目旨在探索电动汽车进行电力需求侧响应的应用潜力。项目由电动汽车技术组、动力电池仿真组、技术经济评价组、分布式能源并网技术集成组、快速充电设施组、通信系统组、系统功能检测组7个工作组协作完成,以评估由可再生能源发电与电动汽车构成的V2G电力系统的技术可行性。该项目是全球迄今规模最大的电动汽车储能实证研究项目之一。

相对于动力锂电池而言,储能锂电池对于使用寿命有更高的要求。新能源汽车的寿命一般在5-8年,而储能项目的寿命一般都希望大于10年。动力锂电池的循环次数寿命在1000-2000次,而储能锂电池的循环次数寿命一般要求能够大于3500次。

第一,从应用场景来看,动力锂电池主要用于电动汽车、电动自行车以及其它电动工具领域,而储能锂电池主要用于调峰调频电力辅助服务、可再生能源并网和微电网等领域。

在产业化方面,我国电动汽车和充电桩企业已经走在前列。比亚迪e6等车型已实现3.3千瓦车外放电功能,率先具备分布式储能电站及移动充电车能力。特来电开发的CMS主动柔性智能充电系统在保留充电桩基础功能的基础上,将控制、保护、显示及计量集成到箱式变电站,同时通过检测区域内电网负荷、待充电车辆数量、电池荷电状态以及用户充电时间需求,智能分配充电功率,以优化的柔性电流输出对电池进行充电,为智能充电及车电储能奠定了技术基础。

在成本方面,动力锂电池面临和传统燃油动力源的竞争,储能锂电池则需要面对传统调峰调频技术的成本竞争。另外,储能电站的规模基本上都是兆瓦级别以上甚至百兆瓦的级别,因此储能锂电池的成本要求比动力锂电池的成本更低,安全性也要求更高。

由于应用场景不同,电池的性能要求也有所不同。动力锂电池作为移动电源,在安全的前提下对于体积能量密度尽可能有高的要求,以达到更为持久的续航能力。同时,用户还希望电动汽车能够安全快充,因此动力锂电池对于能量密度和功率密度都有较高的要求,只是因为出于安全性考虑,目前普遍采用1C左右充放电能力的能量型电池。对于储能应用而言,因为绝大多数储能装置无需移动,所以储能锂电池对于能量密度并没有直接的要求,至于功率密度,不同的储能场景有不同的要求。

车电储能模式及主要挑战

动力锂电池与储能锂电池有一些区别,但从电芯上看,都是一样的,都可以采用磷酸铁锂电池和三元锂电池,主要差别在于BMS电池管理系统,电池的功率响应速度和功率特性、SOC估算精度,充放电特性等,都可以在BMS上去实现。

中科院电工所储能技术研究组组长陈永翀曾指出,对于电力调峰、离网型光伏储能或用户侧的峰谷价差储能场景,一般需要储能电池连续充电或连续放电两个小时以上,因此适合采用充放电倍率≤0.5C的容量型电池;对于电力调频或平滑可再生能源波动的储能场景,需要储能电池在秒级至分钟级的时间段快速充放电,所以适合≥2C功率型电池的应用;而在一些同时需要承担调频和调峰的应用场景,能量型电池会更适合些,当然,这种场景下也可以将功率型与容量型电池配合一起使用。

电动汽车可以通过不同模式实现车电储能,本文将车电储能分为有序充电、V2G、电池更换及退役电池储能四类,不同模式存在规模潜力、成本、基础设施等方面的差异:

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