电化学储能关键技术分析

电化学储能关键技术分析

王浩

山东中实易通集团有限公司 山东济南 250000

摘要：近年来，我国整体经济建设发展迅速，国家对于各行业的发展力度给予了高度支持，已经取得了非常不错的成效，随着全球可再生能源的应用越来越普及、电动汽车产业以及智能电网的迅速发展，储能技术成为促进能源发展的关键要素。当前，可再生能源包括风能、太阳能和潮汐能等，为了应对不可预测和多变特性，有效缓解电网剧烈波动，保证电网的可靠性，需要在新能源中配置适当的储能系统使得新能源变得尽可能可控。当前在储能领域中，电化学储能技术更具优势。
关键词：电化学储能；关键技术

前言：随着新能源发电技术不断发展，由其所构成的微电网，可以很好地分散电力负荷的需求!提高大电网的可靠性，储能技术作为新能源发电中极为重要的一部分（尤其以电化学储能技术最受重视），是电能与其他形式能源转换和利用的关键环节，且随着火电机组将储能技术引入到电网系统AGC调频中来的技术新趋势，促使储能技术逐渐承担起提高发电系统的电能质量、电力调峰、增强系统稳定性等重任，破解电能在生产和消费间的同步性难题，实现其在时间和空间上的可平移性，起着十分重要的作用。
1、储能技术在新能源发电中的作用
  1.1提高电能质量
  新能源发电并网运行，须达到电网对电能质量的要求，可通过控制并网逆变器来改变微电网输送至电网的有功和无功，提高电能质量。在孤岛运行下，新能源发电功率的输出受天气变化的影响很明显，波动较大，储能装置可平抑功率波动，维持母线电压的稳定，解决诸如电压暂降等电能质量问题。
  1.2短时供电
  当前能源危机日益加重，全球多次出现大范围的电力短缺的现象，大范围停电对生产和生活会产生极为恶劣的影响。在并网运行时，当电网发生事故，新能源发电可断开与电网的连接，进入孤岛运行模式，但是这中间往往存在一定的功率缺损，通过控制储能系统的双向功率变换器，可以利用储能装置，很好地填补这些缺损，实现并网模式到孤岛运行的平滑切换。此外，由于新能源发电受天气的影响很大，储能系统可在无风无光或弱风弱光的极端天气来供电，维持负荷的正常运转。
  1.3电力调峰
  负荷量始终是波动变化的，现阶段电能生产和消费的策略是即发即用，这样易导致为满足峰值需求而过多安装发电机组，造成不必要的浪费。储能系统可有效解决此问题，在负荷低落时吸收多余的电能，在负荷高峰时释放电能，达到削峰填谷的效果。
2、电化学储能技术的发展与应用现状
  2.1铅酸蓄电池
  铅酸蓄电池以二氧化铅作为正电极，铅为负电极，中间介质是水和硫酸，在充放电时发生氧化还原反应，于电池内部形成电流，过程是可逆的。铅酸蓄电池是目前运用最多的电池储能装置之一，广泛运用于电动车及新能源发电的储能系统，其制造技术成熟，可大规模生产，但是体积较大，充放电的电流不宜剧烈波动，温度适应性不高，环境污染大，由于目前全球对于可持续发展的追求，铅酸蓄电池将会逐渐被其它高性能的电池所取代。铅酸蓄电池可以提供从kW到MW级别的电功率，效率可达70%以上，价格便宜，但其反应过程中会在极板表面逐渐累积硫酸铅，这会降低其循环寿命，且在充电过程中有产生氢气的可能，潜伏着爆炸的危险，制约了铅酸电池的发展。
  2.2钠硫电池
  钠硫电池系统以钠为阳极，硫为阴极，β-氧化铝陶瓷为电解质，为保证钠和硫处于熔融状态，其需在高温（300～350℃）下工作。钠硫电池具有很多优异的性能，如能量密度很大、循环寿命长、系统效率高，是目前很有潜力的一种电池，在未来可被大规模普及。但其也有一些缺点，如在工作时需要高温环境，存在一定的安全隐患；且为防止熔融活性物质流过密封材料，造成电池短路，对材料的要求也较高；成本较高，大范围运用还有待时日。钠硫电池储能可在电网中承担削峰填谷的作用，可减少发电机组的容量配置，提高经济效益。目前日本NGK公司是钠硫电池领域的标志性机构，处于国际领先地位，已在全球多地实现钠硫电池储能系统的商业性应用。在国内，国家电网公司和中科院上海硅酸盐研究所合作研发的钠硫电池填补了我国该领域技术的空白，目前已得到一定应用。
  2.3锂离子电池
  锂离子电池是近年兴起的高能量储能电池，兼具高充电效率和高能量密度的特点，目前广泛应用于电动交通工具的储能系统中，极具发展潜力。其通常由含锂元素的材料作为正极，碳为负极，依靠锂离子在正负极间的移动来工作，内部于充放电过程中发生氧化还原反应。锂离子电池拥有很多优点，其体积小、重量轻、能量密度大、寿命长，可提供短时大输出功率，但由于在过冲、短路、冲压、穿刺等滥用条件下极易发生爆炸，安全性是其最大的缺点。由于具有良好的性能，锂离子电池在储能领域有着很好的应用前景。
  2.4全钒液流电池
  液流电池是一种新型蓄电池，正负极电解液分开，各自循环，电解质溶液流经电极表面并发生电化学反应，通过电极板传导电流。在多种液流电池中，全钒液流电池以其效率高、容量配置选择灵活、寿命长等优点逐渐成为研究热点。目前全钒液流电池储能已在欧美日多国实现商业化运行，用于电网调峰；而国内的全钒液流电池研究尚处于试验和示范阶段，与发达国家还有一定的差距。与其他储能方式对比，全钒液流电池拥有可超深度放电而不导致电池损伤、使用寿命长等特点，可用于新能源发电的储能系统，发挥电网调峰、UPS的作用，但同时其能量密度较低和工作温度范围较小，制约着其在储能领域的进一步发展。文献通过对影响全钒液流电池系统效率内因、外因的定性定量分析，指出在其规模化应用时，高电流密度充放电下的过电势对系统能量效率的影响极大，且应根据不同情况恰当地选取充放电模式。

3、电化学储能技术的研究趋势
  3.1储能系统的容量配置方法
  由于电化学储能技术在解决微电网中新能源发电系统的功率波动方面较为有效，其功率波动的平抑精度和系统经济性指标与储能装置的容量配置直接相关，因此存在深入研究的必要性。文献提出一种基于系统稳定域及状态轨迹收敛速度的储能装置最小容量配置方法，可在系统保证足够抗扰能力的前提下，确定储能系统的最小容量。文献以负荷缺电率和能量溢出比为考核指标，寻找了光伏组件容量和储能电池单元容量间的优化关系。
  3.2研发新型高效、低成本的储能技术
  目前铅酸蓄电池因价格优势仍是占有率最高的电池储能单元，但其有诸多的缺点。储能技术在新能源发电中推广运用的瓶颈之一是成本过高，因此延长使用寿命和降低成本是储能技术的重要方向。在提高新能源发电系统稳定性的过程中，储能技术的电能存释速度是控制的关键。
  3.3电池储能系统的高效能量管理策略
  电池储能系统的高效能量管理，可提高新能源的供电可靠性，因此深入研究储能系统的能量管理策略有着很强的现实意义，会对新能源发电运行的稳定性和经济性起到积极的作用。
结语：作为能源革命的关键支撑技术，电化学储能未来发展的前景极其广阔。目前，我国多种电化学储能技术均已进入产业化阶段，还有很多新的储能技术迭代发展。但是我国储能市场的发展还很不成熟，需要进一步政策引导和激励发展。中美贸易摩擦或将给我国的新能源发展带来一定困难，但也同时给我们创造了自主发展的机遇。为了实现我国能源革命的重大战略，需要全国科学家、企业家的共同努力，不断推进电化学储能技术的创新发展。

参考文献：

[1]姚虎,吴祥飞.新形势下电化学储能技术的电力应用分析[J].2020.

[2]李峰,耿天翔,王哲,等.电化学储能关键技术分析[J].电气时代,2021(9):6.

[3]吴雪翚,曾馨洁,胡馨月.新能源发电中电化学储能技术的发展与应用分析[J]. 2022(21).