電化學(xué)與蓄熱儲(chǔ)能技術(shù)在可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用

文_唐憲友 張繼 王強(qiáng) 中國(guó)廣核新能源控股有限公司

1 電化學(xué)與蓄熱儲(chǔ)能發(fā)展情況

電化學(xué)儲(chǔ)能種類較多，以鋰離子電化學(xué)儲(chǔ)能為例，其簡(jiǎn)稱鋰離子電池，結(jié)構(gòu)主要有正電極、負(fù)電極、隔膜、電解質(zhì)、外殼等，鋰離子電池作為電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)種類繁多，目前主流的有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外蓄熱儲(chǔ)熱技術(shù)發(fā)展十分迅速，以顯熱蓄熱技術(shù)為例，該技術(shù)成熟度高，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低，目前已大規(guī)模應(yīng)用于光熱發(fā)電和建筑等領(lǐng)域，但其系統(tǒng)儲(chǔ)能密度較低、占地較大，后續(xù)將著重開(kāi)展顯熱蓄熱整體系統(tǒng)的優(yōu)化策略等技術(shù)攻關(guān)。

在顯熱蓄熱儲(chǔ)熱中，熔融鹽具有較高的熔點(diǎn)、工作溫度范圍寬、成本低、密度大、熱穩(wěn)定性好與多數(shù)金屬兼容性好，被認(rèn)為是目前最為理想的高溫顯熱儲(chǔ)熱材料。從熔融鹽儲(chǔ)熱材料體系上來(lái)說(shuō)，目前主要包括硝酸鹽類、碳酸鹽、氯化鹽等。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為降低系統(tǒng)的凝固點(diǎn)，經(jīng)常使用的是混合熔鹽，大部分都是二元或三元鹽。混合熔鹽不受組分和比例的限制，在研究其結(jié)構(gòu)和物性特征時(shí)，共晶鹽是優(yōu)先被選用的。

2 電化學(xué)與蓄熱儲(chǔ)能應(yīng)用情況

根據(jù)使用場(chǎng)景儲(chǔ)能在可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用可以分為發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)以及用戶側(cè)。電化學(xué)儲(chǔ)能因其應(yīng)用靈活，目前在三個(gè)場(chǎng)景均有應(yīng)用。發(fā)電側(cè)，新疆自治區(qū)首批儲(chǔ)能示范項(xiàng)目對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)起到積極示范作用；電網(wǎng)側(cè)，海西州多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程50MW/100MWh的磷酸鐵鋰電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目，助力青海省實(shí)現(xiàn)高比例清潔能源發(fā)電；用戶側(cè)，上海招商銀行大廈1MW/2.56MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)是上海市首個(gè)商業(yè)化應(yīng)用樓宇用戶側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目。

目前蓄熱儲(chǔ)熱與可再生能源領(lǐng)域結(jié)合，主要應(yīng)用形式為光熱發(fā)電，因其投資規(guī)模與占地面積較大的原因，主要應(yīng)用于發(fā)電側(cè)。我國(guó)首個(gè)大型商業(yè)化光熱示范電站-中廣核德令哈50MW光熱示范項(xiàng)目2018年正式投運(yùn)，由此我國(guó)成為世界上第8個(gè)掌握大規(guī)模光熱技術(shù)的國(guó)家。魯能海西州700MW風(fēng)光熱儲(chǔ)多能互補(bǔ)項(xiàng)目2019年9月通過(guò)并網(wǎng)驗(yàn)收，通過(guò)光熱發(fā)電實(shí)現(xiàn)優(yōu)化新能源電力品質(zhì)的效果。

3 優(yōu)劣勢(shì)比較

3.1 安全性

鋰離子電池因其電解液的溶劑為有機(jī)碳酸酯類化合物，具有極高的活性，易燃燒；而且高氧化性正極材料分解時(shí)會(huì)釋放氧氣，導(dǎo)致耐過(guò)充/放電性能及安全性能較差，國(guó)內(nèi)外均發(fā)生過(guò)多起安全事故，制約了鋰離子電池在大型動(dòng)力和規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。

以雙罐熔融鹽儲(chǔ)熱為例，系統(tǒng)整體安全性高，充放熱過(guò)程儲(chǔ)熱介質(zhì)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，僅為物理變化，高溫的熔鹽分別儲(chǔ)存在兩個(gè)罐體內(nèi)，在罐體與保溫材料的保護(hù)下與外部充分隔絕，美國(guó)和西班牙目前運(yùn)行的雙罐熔融鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)未發(fā)生嚴(yán)重故障。

3.2 使用壽命

目前鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)壽命僅為7000次，按照每天充放2次計(jì)算，使用壽命僅為10a左右，與可再生能源發(fā)電站的設(shè)計(jì)使用年限25a具有較大差距。

熔融鹽儲(chǔ)熱目前設(shè)計(jì)使用年限為25a，與可再生能源發(fā)電站運(yùn)行年限一致，以歐洲第一個(gè)大規(guī)模商業(yè)化熔鹽儲(chǔ)熱應(yīng)用的光熱電站西班牙Andasol槽式電站為例，從2009年投運(yùn)，已穩(wěn)定運(yùn)行12a，遠(yuǎn)超目前投運(yùn)的鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行年限。

3.3 應(yīng)用領(lǐng)域

鋰離子電池廣泛應(yīng)用于新能源汽車、數(shù)碼產(chǎn)品以及可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域。2021年，由于新能源汽車和可再生能源發(fā)電需求不斷增加，導(dǎo)致鋰離子電池原材料價(jià)格持續(xù)走高，影響了鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

熔融鹽儲(chǔ)熱受其規(guī)模和成本限制目前主要應(yīng)用在光熱發(fā)電領(lǐng)域，目前正向大規(guī)模、低成本方向發(fā)展。

3.4 環(huán)境友好性

鋰離子電池行業(yè)的迅速發(fā)展，并不能掩蓋其利用鋰礦資源所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題。目前鋰礦開(kāi)發(fā)主要使用鹵水法與硬巖法，二者都會(huì)在一定程度上對(duì)自然環(huán)境造成破壞；同時(shí)，產(chǎn)業(yè)鏈下游的鋰離子電池回收處理也存在污染環(huán)境等問(wèn)題。

蓄熱儲(chǔ)能熔融鹽儲(chǔ)熱一般使用二元或三元鹽類作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，鹽類無(wú)毒無(wú)害、不揮發(fā)，廣泛存在于自然界中。生產(chǎn)、使用、回收過(guò)程安全高效，無(wú)污染。

3.5 回收再利用

目前新能源汽車領(lǐng)域廢舊鋰離子電池可以通過(guò)梯次利用延長(zhǎng)電池的使用壽命。普通鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)達(dá)到使用年限后，一般要經(jīng)過(guò)回收、拆解、處理等過(guò)程。其中，濕法回收技術(shù)較為成熟，但由于其需要大量化學(xué)試劑，存在環(huán)境污染與廢棄排放等問(wèn)題。

熔融鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)主要使用的材料為無(wú)機(jī)鹽與鋼材，二者使用過(guò)程無(wú)降解，均可完全回收再利用。以美國(guó)Solar Two電站為例，熔融鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)停運(yùn)后，液態(tài)的高溫鹽經(jīng)過(guò)冷卻、凝固等措施，進(jìn)一步加工為顆粒狀固體鹽，可作為肥料使用或繼續(xù)作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，因此熔融鹽儲(chǔ)熱幾乎可以實(shí)現(xiàn)100%循環(huán)再利用。

4 投入產(chǎn)出比分析

4.1 電化學(xué)儲(chǔ)能

以青海省海西州某項(xiàng)目為例，由于目前鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)壽命僅為7000次，按照每天充放2次計(jì)算，大約可以使用10a。光伏電站裝機(jī)功率100MW，相應(yīng)配置磷酸鐵鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)10MW/20MWh;初始成本2元/Wh。按照全年滿發(fā)，全生命周期衰減30%考慮。運(yùn)維成本按儲(chǔ)能系統(tǒng)0.02元/Wh·a，系統(tǒng)初始投資=每瓦時(shí)單價(jià)×系統(tǒng)容量=2元/Wh×20MWh，系統(tǒng)總成本=系統(tǒng)初始投資+運(yùn)維成本，經(jīng)計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)總成本費(fèi)用為0.5億元。總發(fā)電量=系統(tǒng)容量×每天循環(huán)次數(shù)×運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)×效率=20MWh×2次×365d×10a×70%，經(jīng)計(jì)算總發(fā)電量為1.022億kWh。投入產(chǎn)出比=總成本費(fèi)用/總發(fā)電量,經(jīng)計(jì)算投入產(chǎn)出比成本為0.489元/kWh。

4.2 蓄熱儲(chǔ)熱

以青海省海西州某光熱項(xiàng)目為例，不考慮集熱場(chǎng)投資，所有熱量通過(guò)儲(chǔ)熱系統(tǒng)后到發(fā)電單元發(fā)電，電站蓄熱系統(tǒng)總蓄熱容量為1300MWht，9h等效滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)間，額定功率為50MW。儲(chǔ)熱介質(zhì)為二元熔融鹽60%NaNO3與40%KNO3共晶混合物。不考慮項(xiàng)目貸款成本，根據(jù)設(shè)計(jì)使用年限值25a計(jì)劃，維修費(fèi)及大修提存費(fèi)用按照總投資的0.5%～3%比例核算。項(xiàng)目總成本=項(xiàng)目投資+項(xiàng)目運(yùn)維成，經(jīng)計(jì)算項(xiàng)目總成本為181897萬(wàn)元。總發(fā)電量=額定功率×發(fā)電時(shí)長(zhǎng)=50MW×9h×365d×25a，經(jīng)計(jì)算總發(fā)電量為410625萬(wàn)kWh。投入產(chǎn)出比為0.443元/kWh。

經(jīng)過(guò)對(duì)比兩種儲(chǔ)能形式在可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用后的投入產(chǎn)出比，不考慮初始能源成本，目前均很難實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)，現(xiàn)階段可再生能源發(fā)電配儲(chǔ)能難以回收投資成本，經(jīng)濟(jì)性有待進(jìn)一步提高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以鋰離子電池與熔融鹽儲(chǔ)熱為例對(duì)比了電化學(xué)與蓄熱儲(chǔ)能優(yōu)劣勢(shì)，并兩種儲(chǔ)能形式與可再生能源發(fā)電相結(jié)合，通過(guò)投入產(chǎn)出比計(jì)算,得出：①兩種儲(chǔ)能形式各有優(yōu)勢(shì)，目前鋰離子電池在成本和靈活性方面具備一定優(yōu)勢(shì)，熔融鹽儲(chǔ)熱在安全性、環(huán)境友好性、大體量等方面優(yōu)勢(shì)明顯。②理想的邊界條件下，兩種儲(chǔ)能形式與可再生能源發(fā)電相結(jié)合投入產(chǎn)出比相當(dāng)，均無(wú)法實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)，經(jīng)濟(jì)性傷不滿足投資要求。③未來(lái)無(wú)論是電化學(xué)，還是蓄熱儲(chǔ)能想要在可再生能源領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用，都要加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，提高產(chǎn)品質(zhì)量與系統(tǒng)安全，不斷降低成本最終實(shí)現(xiàn)“可再生能源+儲(chǔ)能”平價(jià)目標(biāo)；同時(shí)在國(guó)家層面也要給予一定的政策傾斜和補(bǔ)償機(jī)制。