大容量储能技术和产业发展的新动态

钱伯章，朱建芳

（上海擎督信息科技公司金秋能源石化工作室，上海 200127）

风能、太阳能和海洋能等可再生能源发电具有明显的间歇性，发出的电力不稳定，波动较大、可调节性差。可再生能源发电大规模并网运行，电网运行的稳定性和安全性将受到严重影响，成为可再生能源发电大规模发展的瓶颈。另一方面，电网供电的巨大峰谷差，是我国当前许多大城市电力供应的难题。配套大容量储能装置可以解决间歇式可再生能源发电直接并网对电网的冲击，也可以用于削峰填谷平衡电网供电的峰谷差。智能电网的建设和电动汽车的推广也离不开大容量储能技术的支持，因此大容量储能技术已经成为世界各国新能源技术发展的重点发展很快，储能设备的制造将成为一个新兴产业，市场的潜力很大。本文将介绍国内外大容量储能技术和产业发展的一些最新动态，特别是大容量化学电池的研制和应用是目前国内外蓄能领域的热点，本文将重点报道国内外大容量锂电池、全钒液流储能电池和钠硫电池技术的最新成果，以及产业发展的前景。

1 大容量锂电池

锂电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应和绿色环保等优点，小型用于移动设备供电的锂电池技术相对成熟，已经得到广泛的应用。由于用于制造锂电池的正极、负极及隔膜新型材料的不断问世，近年来用于储能系统的大容量锂电池发展很快。

1.1 大型化

国际电池公司（International Battery）于2010年11月15日宣布，接受美国宾夕法尼亚能源开发局（PEDA）80万美元的资助，开发、设计、制造和试验应用于可再生能源发电项目和支持智能电网的1 MW大型储能系统（BESS），将于2011年第二季度进行测试。该产品可以储存电能800 k Wh，是迄今为止全球最大的电池系统。该储存系统采用国际电池公司的大容量锂电池和电池管理系统以及控制／通讯系统构成，容纳在12.2 m（40英尺）移动式容器中。

1.2 模块化

美国国际电池（International Battery）公司于2010年11月宣布推出－一款4.1 k Wh锂离子能源储存模块24V ESS，该模块由8个160 Ah的锂离子磷酸盐电池串联组成，并带有电池变換和热管理控制，以及通讯和数据记录功能，可很好地适用于太阳能和其他可再生能源的储存。

1.3 新材料、新工艺的应用

陶氏化学公司于2010年11月宣布，将为能量储存产品研制大容量储能长寿命的锂离子电池新材料，提升锂离子电池产品的动态性能。

美国Contour能量系统（Contour Energy Systems）公司于2010年11月2日宣布，与Cal Tech和CNRS公司合作，开发出新的氟基电池化学、纳米材料化学和制造工艺制造锂离子电池。该工艺将氟引入多层碳纳米材料中，形成一种与传统的氟化碳材料完全不同的分子结构，可以大大增加锂电池的储能密度、并在锂电池运行中防止过热，延长锂电池的使用寿命。与传统的锂电池相比具有较大的电力和能量密度，成为可以长期持久使用的便携式电力解决方案。

美国Maryland大学2010年11月宣布，开发了一种可用作蓄电池电极材料的纳米结构材料，纳米结构材料具有复杂的结构，包括零维（核心－壳纳米颗粒）、一维（共轴纳米线）、二维（石墨单原子层基复合物）、三维（大孔碳基复合物）以及更复杂的分层结构网络，通过集成多个纳米组件，可制造各种高能量密度、高电导率和机械稳定性极好的蓄电池电极。

德国EVONIK工业股份公司于2011年5月初表示，将联合戴姆勒汽车公司和一些研发机构共同开发廉价大容量锂电池。该蓄电池参考了一种为电动汽车设计的陶瓷与高分子锂离子电池结合的技术，产品的体积小、循环稳定性好。根据规划该公司将利用这种锂电池在德国西部萨尔州的一个发电站建一个功率为1 MW储电装置，电池储电量约700 k Wh，储电装置的体积则只有纯电动或混合动力汽车电池的40至50倍。

2010年12月韩国SK能源公司与中国台湾台塑集团签约共同开发固定式锂离子能量储存系统，台塑集团负责研发蓄电池的阴极，SK能源公司负责研发大型电池能量储存系统（ESS），与现用的电动汽车电池相比，该产品可储存的能量增加了1000多倍。

1.4 应用领域的多样化

大容量锂电池蓄能系统可以应用在许多领域，随着大容量锂电池蓄能技术的发展应用领域不断扩大，这些领域的供电和用电也因为池蓄能的应用变得更科学更合理。

1）城市能源储存系统 美国费城Thomas Jefferson大学购买了Locust RidgeⅡ项目102 MW风力发电场1／3的电力供应，为此Viridity能源公司于2011年5月宣布将为该大学及其医院开发大规模储能项目，成为美国最早并网运行的城市能源储存系统之一。储能项目建成后可以保证该大学供电质量和稳定性，减少电网断电给医院运行带来的风险，还可通过动态负荷优化管理将储存的电力可供给邻近地区使用，降低使用风力发电的成本。

2）灵活交流输电系统 瑞士ABB公司于2011年5月23日宣布将通过英国电网公司在英国部署第一套动态能量储存设施，应用于英格兰诺福克（Norfolk）的赫姆斯比北部基地的英国电网。该项目采用静态无功补偿器与锂离子电池存储组合，包括八层13个锂离子电池模块，安装在25 m2的建筑中，可以存储200 k Wh的电能。静态无功补偿器可在高压电网中、在电压和电流波动的调平中提供快速应变电力补偿，提高电网的稳定性。该项目将成为FACTS（灵活交流输电系统）系列的组成部分，建成后来自当地乡村的可再生风力发电能源将被送入该电网，蓄电系统可以弥补风电的间歇性缺点。ABB公司和瑞士电网公司EKZ于2011年5月宣布将共同在瑞士Dietikon建立一个与电力输配网络相配套的大型储能试点工程。该项目包括1个1 MW的锂电池储能系统，设计储能能力达350～500 k Wh；试点项目于2011年年终完工。

3）移动式大容量储能系统 2011年6月三菱重工公司（MHI）宣布研制成功一种大容量储能系统（ESS）移动式大容量储能系统（见图1）。

图1 三菱重工公司集装箱式大容量储能系统

该系统的包括一个安装了超过2000个锂离子充电电池单元的12.2 m（40英尺）长的器柜单元，和安装了两个用于直流（DC）／交流电（AC）变换和输入／输出控制的电力调制器的6.1m（20英尺）长的器柜，可通过货柜拖车移动。该系统可以储存408 k Wh的电能，充放电效率为90%，作为紧急电源可为100户家庭提供用电约3～8 h。该系统还可以应用于与大电网连接有困难的地区存储来自可再生能源的电力。

4）与建筑一体化光伏装置 光伏装置与建筑一体化是今后光伏发电应用发展的一个重要方向。2011年6月，德国高能锂离子电池生产专业商Leclanché公司与为建筑封装提供铝、太阳能、钢材和塑料的供应商Schüco公司宣布，将合作为太阳能发电提供锂离子太阳能储能系统。该系统采用模块式结构，储能系统由通用的锂离子能量储存模块和电力控制单元组成，储能模块可根据需要叠加，直接与太阳能板相连接。电池单元的运行采用控制器控制，或通过光纤以太网与其他节能系统相链接。该锂离子电池公司采用4个电极配对：金属氧化物／石墨；金属氧化物／钛酸盐；LiFePO4／石墨；LiFePO4／钛酸盐。电池采用了专利的分离器。目前Leclanché公司的大容量锂离子电池组件的年生产能力为10万个，为了满足日益增长的需求，该公司已准备到2012年把生产能力提高到100万个电池。

5）家庭能源存储 NEC公司于2011年7月13日宣布将引入6 k Wh锂离子家庭能源存储和控制系统，并从2011年7月18日起先提供100套给家庭建筑公司和企业。该系统安装在室外，连接到家里的配电盘，并可与电力公司的电力供应系统和家用电气设备、太阳能发电系统和其他设备进行互动协调，减少对电力公司的供电压力，用户还可节电或者减少电费支出。NEC规划2012年后推广家庭能源存储系统的应用。

2 全钒液流电池和钠硫电池

除了锂电池外，大容量储能系统还可以采用全钒液流储能电池和钠硫电池等作为蓄能元件，虽然这些新型的蓄电池的技术还不很成熟，但是它们具有一些锂电池所不具备的优点，非常有发展前景，我国在这些新型的蓄电池的技术研发中已经取得不少成果。

2.1 全钒液流储能电池

全钒液流储能电池（VRB）是目前世界发展最快的大容量储能技术，与目前市场上的铅酸蓄电池、镍氢电池相比，全钒液流电池具有功率大、支持频繁大电流充放电，寿命长达15年（是铅酸电池的5倍以上），特别是全钒液流储能电池的制造、使用和回收不会污染环境，是一种非常清洁的蓄能元件，而且价格低、可靠性高、操作和维修费用少，被证实是最适合风能发电平滑输出的储能设备。钒液流电池还可以应用于城市电网储能、远程供电、UPS系统等领域，用于医院、军用设施、通讯基站等不能断电的特殊场所的持续供电，全钒液流储能电池与风电、光伏电组合成离网或微电网发电系统，对于孤岛、离网的边远地区来说，是最佳绿色能源组合，在智能电网的建设中发挥重要作用。目前全球最大的钒液流电池制造商Prudent能源公司已在中国北部河北省张北建成一个储能1 MWh的蓄能系统。该项目作为我国的国家风电并网集成研究和测试中心研究课题的组成部分，还包括了30台风力发电机、太阳能光伏发电和2.5 MW储能。

Prudent能源公司研制的液流电池釆用石墨纤维毡制取多孔电极，可以抵御高腐蚀性的电解质，延长蓄电池的使用寿命，而且电极的表面电阻率低，有利于提高电池的效率。全钒液流储能电池的关键环节是高性能离子膜，目前采用的杜邦公司Nafion，性能稳定耐久性好，但是离子选择性差，特别是成本较高，难以产业化。新型非氟离子交换膜采用一种很有发展潜力的液流电池膜材料，性能好，制造成本低的非氟离子交换膜材料，受到国内外有关企业或者机构的重视。

我国的神力公司自2009年7月开始自主研发钒流电池的膜材料，以及电极材料、密封材料和双极板等主要部件。其中最关键的膜采用国产非氟高分子聚合物，经工艺合成后，该膜化学稳定性好、阻钒离子渗透性能佳、机械强度高，性能指标已达到国外同类产品水平，而且制造成本非常低。2011年4月底，上海市神力科技有限公司投入运行国内首台5～10 k W高性能全钒液流储能电池（VRB）样机，其储能效率达到70%的先进水平。神力公司已规划针对不同应用市场逐步推出5～10 k W、20～30 k W、50～100 k W钒流电池的商业化产品，并将研制兆瓦级的钒流电池储能设备。

中科院大连化学物理研究所（大连化物所）积极开展液流储能电池电解质溶液、离子交换膜等核心材料的产业化技术平台的开发，在液流储能电池系统的关键材料、结构设计、密封技术等方面也取得了一批重大成果，研制的全钒液流储能电池产品已达到国际先进水平。截至2011年6月上旬，大连化物所自主研发的采用非氟离子交换膜的2 k W全钒液流储能电池经过1万次充放电循环电池效率未见明显衰减，成为继日本住友电工公司之后世界上第二套突破万次充放电循环耐久性实验考核的全钒液流储能电池系统。该所目前已形成年300 MWh的钒电解质溶液和5万m2碳塑双极板的生产能力，所用材料全部实现国产化，价格比国外进口的同类产品价格要低50%以上，可望在“十二五”期间实现大容量全钒液流储能电池的规模化生产。

2.2 钠硫电池

日本NGK从2002年开始钠硫电池的商业化生产和供应，用于全球内215个项目，总量达到302 MW。我国钠硫电池的主要开发者是中科院上海硅酸盐研究所，近来该所与上海电气集团、上海市电力公司共同投资组建钠硫电池产业化公司，落户上海嘉定工业园区。该公司的产业化目标分三阶段进行：第一阶段将加大原钠硫中试基地已开展的各项科研攻关力度，提高单体电池性能；第二阶段规划贯通具备5～10 MW级生产能力的产品中试线，配合国家和上海的示范项目，建立兆瓦级储能示范电站；第三阶段是贯通50 MW生产线，达到产业化目标。

3 我国蓄能技术和蓄能产业的发展

近年来，我国新能源产业发展迅猛，特别是我国风能发电的装机容量已走在世界前列，但由于缺乏具体的风电送出和风电消纳方案，风电场的发电不能上网，据统计2010年1～6月，我国风电未收购电量达27.76亿k Wh。以内蒙古为例，内蒙古的风力资源丰富，目前已经建设大量的风电场，但是内蒙古的电网对风电的承受能力为8%～10%，结果约一半风电无法上网而被舍弃。

风能、太阳能等新能源发电上网难的问题，可以通过发展储能系统解决。国家电网公司对下一代储能电池性能和价格的期待是循环寿命达到5000次以上，价格低于1500元／k Wh，效率达到80%以上，这是传统抽水蓄能技术很难达到的。因此将发展大容量蓄能电池列入我国“十二五”科学和技术发展规划中，作为风电和光伏发电以及智能电网重要组成部分的大容量储能电池技术也有望突破。2011年12月25日，由财政部、科技部和国家电网公司共同启动的国家风光储输示范项目一期工程在河北省张北县投运。该示范项目总投资约33亿元，建设风电100 MW、光伏发电50 MW和储能20 MW，其储能系统由5套组成，其中1套为液流电池系统，规格为2 MW×4 h，由普能公司提供。另外4套为磷酸铁锂电池系统，分别由比亚迪、ATL、中航锂电和万向公司提供。通过张北风光储输示范项目运行，可以获得锂电和液流电池大规模储能应用中的数据和经验，为我国新能源产业新兴的化学储能产业的进一步发展提供依据。

2011年5月，中科院长春应化所储能材料与器件研究院暨常州市储能材料与器件产业技术创新战略联盟成立，以常州储能材料与器件产业创新联盟为推力，实现资源整合，建立创新集群，加强科技成果转移转化，成为立足常州、面向全国的新能源战略新兴产业化基地。基地将以大容量锂离子电池负极材料、功能型锂电池电解液、宽温区大容量镍氢电池等新能源、新材料研发为主要研发方向，经过3至5年的努力，使储能材料与器件产业的关键技术国有化率达到70%以上，产品国内市场占有率达到30%以上。

4 结语

据美国能源部的（DOE）储能理事会2011年2月报告的估计，在未来15年内高密度能储设备的市场可达1750亿美元。我国的储能应用市场商机也十分巨大，根据国电电力的研究结果，2010年底国内风机累计装机容量41827 MW，储能容量按风电装机容量的20%～30%计算，仅风电我国的储能产品市场就潜藏着8365～12548 MW的规模，储能技术有着很好的发展前景和巨大的市场潜力。

大容量储能电池是世界最前沿的技术，也是新能源产业取得突破性发展的核心，我国将在新能源领域实现超越式发展，政府将进一步鼓励各种技术的优势互补合作，组织力量对关键技术进行攻关，推动我国储能电池技术和产业的发展。对于风电与储能电池、光伏电与储能电池、风光互补发电与储能电池等多种形式的技术组合示范项目，政府可以采用政府采购、补贴等鼓励政策等，推动绿色发电系统的应用推广。