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1、储能的地位机遇与挑战 田昭武 厦门大学能源研究院 厦门能源论坛2009，11，27,我国能源消费量划分（2008年） 根据BP世界能源统计2009,总量20.03亿吨： 折算为油当量 其中 石油 3.76亿吨，18.8% （一半 靠进口） 天然气 0.73亿吨，3.6% 煤 14.1亿吨， 70.4% （约六成发电、供热） 核能 0.155亿吨，0.77% 水电 1.32亿吨，6.6% （其他可再生能源 约0.6%，未计入）,可移动 发动机,生产用电,电网 800,水能,太阳能,风能等,居民用电,生物能源,生产/居民 就近用电,燃油汽车 1.3亿吨油,氢能 醇类等 化学储能,燃料电池,负荷方,
2、电力 单位 百万千瓦,9,绿色能源 呼唤 储能产业,能源体系各方关联图,生物柴油？,期待 储能 解决的三个重要问题,可再生能源（风能太阳能）与电网矛盾尚未解决，期待大规模而投资低的储能。 谷电的利用也期待大规模而投资低的储能。 燃油汽车严重污染市区环境，年耗油1.3亿吨，且年增幅度很大。纯电动汽车则期待灵活匹配（空间时间及功率）而低成本的储能。 所以，储能产业是绿色能源体系关键之一。,储能的两大类功效,能源方储能： 主要是时间匹配，使电网适应风能，太阳能的起伏和随机性。 负荷方储能： 以纯电动汽车为代表 空间匹配和时间匹配以适应随时的，移动的负荷。（如交通车辆） 功率匹配以适应大幅度（双向，脉
3、冲）变动的负荷，甚至从负荷回收能量（如制动能量）。,可再生能源发电大有可为,中国的水能资源，技术可开采量约为5亿千瓦，经济可开采量约为4亿千瓦。当前水电装机约为1亿千瓦。预期到2020年，在水电建设共约投入10000亿人民币，水电装机达2.5亿千瓦。 2010年和2020年，我国风电装机将分别达到3500万千瓦和1.5亿千瓦；太阳能发电装机分别达到100万千瓦和2000万千瓦；核电装机分别达到1050万千瓦和8600万千瓦。到2020年，风电、太阳能发电、核电装机将占电力总装机的16%左右。 根据Dow Jones Venture Source数据，2009年一季度全球风险投资在可再生能源领域
4、的投资金额由上年同期的7.15亿美元骤降至2.77亿美元，降幅达61%，投资项目数量由46个降至24个。但是，这其中投向能源存储技术的资金却达到1.14亿美元，较去年同期增长一倍有余。,能源方储能的必要性与机遇,我国水电、燃气发电等调峰性能优越的电源所占比例低，现有电网接纳风能和太阳能等新能源的能力很弱。 储能技术增强了电网调峰和传配电能力，提高能源利用效率，促进了新能源发展，为国家节约巨额投资。 （为应对城市尖峰负荷，电力系统大量投资用于电网和电源后备容量建设，但利用率却非常低。以上海为例，为解决全市每年只有183.25小时的尖峰负荷，仅对电网侧的投资每年都超过200亿元，而为此形成的输配电
5、能力的年平均利用率不到2%。） 美国政府已将大规模储能技术定位为支撑新能源发展的战略性技术， 今年上半年已拨款20亿美元用于支持包括大规模储能在内的电池技术研发。 美国能源部制定的关于智能电网资助计划中，储能技术项目超过了其他所有项目，达19个，资金支持力度也最大。,储能的要求与分类,要求：寿命长，安全，成本低，资源足，效率高， 功率和能量密度适当，能形成规模。 分类： 机械储能 抽水上高位库，压缩气体，飞轮。 电磁储能 超导技术，双电层超电容。 化学储能 多样性好。 氢，醇，醚类等载能化学品。（配燃料电池或直接燃烧） 电化学储能： 能量型 - 液流电池，蓄电池（铅酸电池，锂离子电池，）。 功
6、率型 - 超级电容器。,氧化还原液流电池示意图,氧化还原液流电池示意图,风能，太阳能，储能系统,钒液流电池特点,容量大：2MWh/250kW ，8小时调峰。 充放电能量转换效率达75%以上。 寿命：充放循环寿命超过18000次。 安全性高：钒电池无潜在的爆炸或着火危险，即使将正、负极水溶液混合也无危险，只是温度略有升高。 成本：除离子膜外，钒电池部件多为廉价的碳材料、工程塑料，材料来源丰富，易回收，成本低，。 选址自由度大，无污染，维护简单，运营成本低。,原油3.8 原煤 天然气,汽油 柴油 液化气 等等,可移动 发动机,生产用电,电网 800,核能,水能,太阳能,蓄电池/超电容 电化学储能：
7、 时间移 空间移 功率调整,风能等,储能： 抽水 液流电池 时间移,居民用电,纯电动 汽车,生物能源,分布式电站,生产/居民 就近用电,燃油汽车 1.3亿吨油,氢能 醇类等 化学储能,燃料电池,谷电,能源方,负荷方,电力 单位 百万千瓦,170,9,12,化工产品,单位 亿吨油,4,绿色能源 呼唤 储能产业,能源关联图,生物柴油？,谷电,负荷方储能必要性与机遇 解决（石油危机 + 环境危机 + 谷电利用）,汽车交通将是造成今后中国石油需求增长的主要因素。全国汽车耗油1.3亿吨。预计2020年全国汽车耗油2.3亿吨。 机动车尾气占城市大气污染中的70% 至 80% 。 汽车制动能量没有回收,多耗
8、油20%（2500万吨以上），多污染城市大气40！ 如以纯电动汽车逐步替换5000万辆传统汽车，以电代油（5000万吨/年）。夜间在停车点用现成电网谷电充电，可利用谷电1亿千瓦达5小时/天。,发展电动轿车的必要性与瓶颈,传统燃油轿车已成为高耗油、市内高污染的最主要源头。 全国轿车2008年保有量2438万辆（年增长24.5%，三年翻一番），按每辆平均行程2万公里/年估算，传统汽车总耗油约3000万吨/年。如改为电动汽车，夜间充电还可利用谷电。 纯电动轿车尚未能被市场接受的瓶颈是： 蓄电池太贵太重且功率不够。 购车者对蓄电池的寿命和安全尚有疑虑。 汽车厂家和部分购车者陷入误区，一味追求里程 20
9、0-300 km。（不符合市内行车的实际国情。,储能必须配送能源给多样性负荷,能源空间匹配 传输，运输。 能源时间匹配 峰谷，交替。 能源功率匹配 高能量低功率型 小时，日，月，年 高功率低能量型 分，秒，毫秒 化学储能（电化学储能）匹配最灵活。,汽车动力源的特殊要求 高功率供能和储能,汽车启动加速所需峰值功率超过平均功率十倍，要求储电设备短时间提供高功率。 汽车在制动和下坡时理应回收一部分动能,汽车制动时要求储电设备吸收短时间高功率。 每次启动加速和每次制动经历的时间的数量级约为 10 秒，要求储电设备具有快充快放的特性。,Relative Performance of Various El
10、ectrochemical Energy-Storage Devices,Lead-acid,supercapacitors,Fuel Cells,IC Engine,HEV goal,3.6 s,36 s,0.1 h,1 h,10 h,100 h,Ni-MH,Li-ion,3.6 s,36 s,0.1 h,1 h,10 h,100 h,Acceleration,Range,EV goal,3.6 s,36 s,0.1 h,1 h,10 h,100 h,Goals developed by DOE and USABC,比功率/比能量的矛盾,市内汽车工况对功率需求的变动频繁且幅度很大 蓄电池为脉
11、冲高功率所付出的代价,汽车制动回收能量时脉冲充电功率很高，启动加速时脉冲放电功率很高。 比能量 功率型蓄电池比能量更小（只有能量型蓄电池比能量的70%左右）。 寿命 强功率充电放电使蓄电池寿命更短。 成本 强功率型蓄电池制作成本更高。 安全 强功率型蓄电池安全性更差。 蓄电池为此更加重了成本、循环寿命、安全性的难题，必须另找蹊径。,锂离子电池,能量密度,功率密度,安全性,成本指标,寿命指标,能量型 功率型 双电组合,超级电容器是 电动汽车中的理想高功率角色,行驶中对超级电容器的充电可以依靠蓄电池。 或每次停站期间超快速充电（公交车）。 汽车启动时，主要由超级电容器提供短时间高功率； 汽车制动时
12、由超级电容器吸收短时间高功率。 高功率工作时间短，超级电容器比能量要求不高。,“双电组合”动力汽车,（蓄电池超电容+电动机)-夜间利用廉价电能将蓄电池充电。 汽车启动、回收制动动能靠超级电容器。 运行成本低于燃油。使用维护都较容易。 零排放，低噪声。 蓄电池每次充电后行驶里程 80 km，市内行驶的汽车适用。 出城长途自驾游，延长里程的几种方案： 增程混合式 （过渡方案）- 蓄电池租赁网络式,采用 双电组合（蓄电池 + 超电容） 的优点,汽车制动时的脉冲能量得到更好回收到超电容，汽车加速或启动所需的脉冲能量由超电容提供，延长了锂离子电池寿命，相当于降低其成本。 蓄电池避开高功率充放电，可按能量
13、型设计，其比能量、寿命和安全性均高于按功率型设计的，且荷电状态（SOC）范围可以适当扩大（相当于又扩大比能量）。按同等里程需求，则锂离子电池总重量和总成本可以降低很多。 由于由于超电容不怕脉冲充电，较充分回收了制动能量，按同等行驶里程需求，节省电能（尤其是在市内）。而且锂离子电池的总能量可以降低，锂离子电池总重量和总成本随之进一步降低。 按上述第2，3 两条增大比能和回收了制动能量估计，总重量和总成本降低30-40%。为超电容留出重量和成本的充裕空间。,建议的选择方案 双电组合的市内的轿车要点,按市内代步需求，配置12 kWh 容量的锂离子电池，功率型（比能71Wh/kg）总重170 kg。每
14、日可行驶80 - 100km 若配置超电容并改用1C能量型锂离子电池（比能不低于100Wh/kg），由于比能提高且回收制动能量更好，锂离子电池总重可减少30-40%， 即51-68 kg。 减重空间可配置超电容50kg，按1 kW/kg计算，负担启动功率50 kW。超电容比能量若为 5Wh/ kg， 总能量可达 250 Wh， 足以维持 50 kW达 18 秒的充电或放电。 12 kWh的蓄电池可在夜间在停车点利用电网谷电进行充电。 超电容的成本应不高于同重量的锂离子电池（锂离子电池寿命延长的好处未计算在内）。 延长里程 - 由专门租赁蓄电池公司设租用蓄电池站，快速机械更换蓄电池，统一管理。
15、（快速充电对蓄电池寿命不利）,此方案优点,对国家社会最有利，得到政府购车补助，包括由政府补贴的专门公司提供优惠的蓄电池租赁（快速充电对蓄电池寿命不利）。 由专门租赁蓄电池公司提供蓄电池，主要公路沿途设租用蓄电池站，快速机械更换蓄电池，统一管理。租赁电池网需政府支持补贴，使租金加电费低于油费。（以色列的小城市特拉维夫竟然有数千辆纯电动汽车投入使用，充电模式采用换电池的方式。） 蓄电池总能量较低，且是能量型，避开高功率，所以寿命、成本和安全性都较好。 也可采用较安全、廉价、成熟但较重的镍氢电池作为过渡。只是电池总重因此增加约70kg。,超电容与市内公交客车,每日150 km 需要150 kWh 容
16、量的锂离子电池，功率型（比能71Wh/kg）电池总重2100 kg。若配置超电容并改用1C能量型（比能可提高至100Wh/kg） 由于比能提高且回收制动能量更好，锂离子电池总重可减少30-40%， 即减重630-840 kg。 减重空间可配置超电容300kg （整车电池与超电容总重减少400kg），按1 kW/kg计算，负担启动功率300 kW。超电容比能量若为 5Wh/ kg， 总能量可达 1.5 kWh， 足以维持 210 kW达 26 秒的充电或放电。 超电容的成本应不高于同重量的锂离子电池的2.5倍（锂离子电池寿命延长的好处未计算在内）。,超级电容器的两大类型,物理（活性炭表面电极双电层电容） 用特制的巨比表面的活性炭或纳米材料。其储能容量来自静电（物理）作用，能量密度太小，成本高
