電化學與蓄熱儲能技術在可再生能源領域的應用

文_唐憲友 張繼 王強 中國廣核新能源控股有限公司

1 電化學與蓄熱儲能發展情況

電化學儲能種類較多，以鋰離子電化學儲能為例，其簡稱鋰離子電池，結構主要有正電極、負電極、隔膜、電解質、外殼等，鋰離子電池作為電化學儲能技術種類繁多，目前主流的有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。

當前，國內外蓄熱儲熱技術發展十分迅速，以顯熱蓄熱技術為例，該技術成熟度高，系統相對簡單、成本較低，目前已大規模應用于光熱發電和建筑等領域，但其系統儲能密度較低、占地較大，后續將著重開展顯熱蓄熱整體系統的優化策略等技術攻關。

在顯熱蓄熱儲熱中，熔融鹽具有較高的熔點、工作溫度范圍寬、成本低、密度大、熱穩定性好與多數金屬兼容性好，被認為是目前最為理想的高溫顯熱儲熱材料。從熔融鹽儲熱材料體系上來說，目前主要包括硝酸鹽類、碳酸鹽、氯化鹽等。在實際應用時，為降低系統的凝固點，經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，在研究其結構和物性特征時，共晶鹽是優先被選用的。

2 電化學與蓄熱儲能應用情況

根據使用場景儲能在可再生能源領域的應用可以分為發電側、輸電側以及用戶側。電化學儲能因其應用靈活，目前在三個場景均有應用。發電側，新疆自治區首批儲能示范項目對電網調峰調頻等輔助服務市場建設起到積極示范作用；電網側，海西州多能互補集成優化示范工程50MW/100MWh的磷酸鐵鋰電化學儲能項目，助力青海省實現高比例清潔能源發電；用戶側，上海招商銀行大廈1MW/2.56MWh儲能系統是上海市首個商業化應用樓宇用戶側儲能項目。

目前蓄熱儲熱與可再生能源領域結合，主要應用形式為光熱發電，因其投資規模與占地面積較大的原因，主要應用于發電側。我國首個大型商業化光熱示范電站-中廣核德令哈50MW光熱示范項目2018年正式投運，由此我國成為世界上第8個掌握大規模光熱技術的國家。魯能海西州700MW風光熱儲多能互補項目2019年9月通過并網驗收，通過光熱發電實現優化新能源電力品質的效果。

3 優劣勢比較

3.1 安全性

鋰離子電池因其電解液的溶劑為有機碳酸酯類化合物，具有極高的活性，易燃燒；而且高氧化性正極材料分解時會釋放氧氣，導致耐過充/放電性能及安全性能較差，國內外均發生過多起安全事故，制約了鋰離子電池在大型動力和規模儲能領域的應用。

以雙罐熔融鹽儲熱為例，系統整體安全性高，充放熱過程儲熱介質不發生化學反應，僅為物理變化，高溫的熔鹽分別儲存在兩個罐體內，在罐體與保溫材料的保護下與外部充分隔絕，美國和西班牙目前運行的雙罐熔融鹽儲熱系統未發生嚴重故障。

3.2 使用壽命

目前鋰離子儲能系統循環壽命僅為7000次，按照每天充放2次計算，使用壽命僅為10a左右，與可再生能源發電站的設計使用年限25a具有較大差距。

熔融鹽儲熱目前設計使用年限為25a，與可再生能源發電站運行年限一致，以歐洲第一個大規模商業化熔鹽儲熱應用的光熱電站西班牙Andasol槽式電站為例，從2009年投運，已穩定運行12a，遠超目前投運的鋰離子儲能系統運行年限。

3.3 應用領域

鋰離子電池廣泛應用于新能源汽車、數碼產品以及可再生能源發電等領域。2021年，由于新能源汽車和可再生能源發電需求不斷增加，導致鋰離子電池原材料價格持續走高，影響了鋰離子電池的產業發展。

熔融鹽儲熱受其規模和成本限制目前主要應用在光熱發電領域，目前正向大規模、低成本方向發展。

3.4 環境友好性

鋰離子電池行業的迅速發展，并不能掩蓋其利用鋰礦資源所帶來的環境問題。目前鋰礦開發主要使用鹵水法與硬巖法，二者都會在一定程度上對自然環境造成破壞；同時，產業鏈下游的鋰離子電池回收處理也存在污染環境等問題。

蓄熱儲能熔融鹽儲熱一般使用二元或三元鹽類作為儲熱介質，鹽類無毒無害、不揮發，廣泛存在于自然界中。生產、使用、回收過程安全高效，無污染。

3.5 回收再利用

目前新能源汽車領域廢舊鋰離子電池可以通過梯次利用延長電池的使用壽命。普通鋰離子電池儲能系統達到使用年限后，一般要經過回收、拆解、處理等過程。其中，濕法回收技術較為成熟，但由于其需要大量化學試劑，存在環境污染與廢棄排放等問題。

熔融鹽儲熱系統主要使用的材料為無機鹽與鋼材，二者使用過程無降解，均可完全回收再利用。以美國Solar Two電站為例，熔融鹽儲熱系統停運后，液態的高溫鹽經過冷卻、凝固等措施，進一步加工為顆粒狀固體鹽，可作為肥料使用或繼續作為儲熱介質，因此熔融鹽儲熱幾乎可以實現100%循環再利用。

4 投入產出比分析

4.1 電化學儲能

以青海省海西州某項目為例，由于目前鋰離子儲能系統循環壽命僅為7000次，按照每天充放2次計算，大約可以使用10a。光伏電站裝機功率100MW，相應配置磷酸鐵鋰儲能系統10MW/20MWh;初始成本2元/Wh。按照全年滿發，全生命周期衰減30%考慮。運維成本按儲能系統0.02元/Wh·a，系統初始投資=每瓦時單價×系統容量=2元/Wh×20MWh，系統總成本=系統初始投資+運維成本，經計算儲能系統總成本費用為0.5億元。總發電量=系統容量×每天循環次數×運行時長×效率=20MWh×2次×365d×10a×70%，經計算總發電量為1.022億kWh。投入產出比=總成本費用/總發電量,經計算投入產出比成本為0.489元/kWh。

4.2 蓄熱儲熱

以青海省海西州某光熱項目為例，不考慮集熱場投資，所有熱量通過儲熱系統后到發電單元發電，電站蓄熱系統總蓄熱容量為1300MWht，9h等效滿負荷發電時間，額定功率為50MW。儲熱介質為二元熔融鹽60%NaNO3與40%KNO3共晶混合物。不考慮項目貸款成本，根據設計使用年限值25a計劃，維修費及大修提存費用按照總投資的0.5%～3%比例核算。項目總成本=項目投資+項目運維成，經計算項目總成本為181897萬元。總發電量=額定功率×發電時長=50MW×9h×365d×25a，經計算總發電量為410625萬kWh。投入產出比為0.443元/kWh。

經過對比兩種儲能形式在可再生能源領域的應用后的投入產出比，不考慮初始能源成本，目前均很難實現平價上網，現階段可再生能源發電配儲能難以回收投資成本，經濟性有待進一步提高。

5 結語

本文以鋰離子電池與熔融鹽儲熱為例對比了電化學與蓄熱儲能優劣勢，并兩種儲能形式與可再生能源發電相結合，通過投入產出比計算,得出：①兩種儲能形式各有優勢，目前鋰離子電池在成本和靈活性方面具備一定優勢，熔融鹽儲熱在安全性、環境友好性、大體量等方面優勢明顯。②理想的邊界條件下，兩種儲能形式與可再生能源發電相結合投入產出比相當，均無法實現平價上網，經濟性傷不滿足投資要求。③未來無論是電化學，還是蓄熱儲能想要在可再生能源領域大規模推廣應用，都要加強技術創新，提高產品質量與系統安全，不斷降低成本最終實現“可再生能源+儲能”平價目標；同時在國家層面也要給予一定的政策傾斜和補償機制。