鋰電池在電網儲能領域的試應用（二）

    鋰電世界  （一）國家電網張北風光儲輸項目

    應用于電力系統中的儲能系統需要兼具功率密度和能量密度兩大特點，現有的這些化學儲能技術中，理論上只有鈉硫電池、鋰離子電池、鎳鎘電池等少數幾種儲能技術較為合適，但是，這幾種儲能技術都存在各自的問題需要解決，如鋰離子電池需要復雜的管理系統、成本很高，鎳鎘電池的壽命短、毒性問題無法解決，鈉硫電池的安全問題很難解決，等等。但總的來看，鋰離子電池相對更被看好，于是大家都在積極開展相關示范運行工作。國家電網張北風光儲輸項目就是以鋰離子電池的試應用為主。

    該項目位于河北省張家口市的張北縣和尚義縣境內，是國家“金太陽”項目重點工程，由國家電網旗下國網新源控股有限公司具體實施。該項目的投資主體是國家電網，科技部和財政部僅僅提供部分科研項目經費和金太陽工程補助。這是中國首個風光儲輸示范項目，同時也是目前世界上規模最大，集風電、光伏發電、儲能及輸電工程四位一體的可再生能源項目，是國家電網建設堅強智能電網首批重點工程中唯一的電源項目。

    該項目希望達到的目的主要有：①以儲能來平緩風電與光電的波動；②希望通過儲能來矯正風電預測偏差；③希望利用儲能削峰填谷；④希望通過儲能可以調整新能源出力。

    這也是針對新能源電力大規模并網尚存的技術瓶頸來設定的。目前影響新能源大規模并網的技術瓶頸主要有三點：①調峰問題，需建設大量的備用容量和調峰電源；②電力安全問題，風電和光電出力多變和瞬間沖擊，影響電網的暫態穩定性及頻率穩定性；③電能質量問題，風電和光電大規模并網常常會引起電壓水平降低，風機中的電子設備會帶來諧波污染，影響電能質量。

    選定張北壩上地區是因為這里有著豐富的風能和太陽能資源。另外，當地用電需求小，無法消納當地的風光發電電力，需運輸到離該地較近的離京津唐電網負荷中心。只是，風光發電出力忽大忽小，時有時無，在沒有足夠數量的其他電源匹配調峰的情況下，并網時往往會導致電網運行不穩定。這也是京津唐電網負荷中心不太愿意接納張北新能源電力的主要原因。因此，該地具備中國新能源開發利用的基本特征，在此設立一個示范項目，對破解電網接納大規模新能源技術難題具有很重要的意義。

    張北風光儲輸示范項目總規劃建設風電50萬kW、光電10萬kW，需要用到儲能裝置7～11萬kW；其中一期工程在張北縣境內，規劃建設10萬kW的風電（小東梁風電場4.9萬kW+孟家梁風電場4.9萬kW）和4萬kW的光電（大河光伏電站），需要采用2萬kW的儲能電池，以kWh計算，儲能電池總容量高達9.5萬kWh；另外，一期項目還需配套建設220kV智能變電站1座。該項目一期工程總投資33億元，其中儲能電池購置經費4億元。該項目已于2011年12月25日正式宣布建成，投入試運行。

    從圖5可以看到，該項目的技術核心是聯合發電智能監控系統，國家電網稱該系統為自主開發。該系統可根據調度曲線以及風力、光照的情況對儲能裝置、風電機組及光伏陣列進行優化控制，從而將具有波動的風電、光電轉化為優質電力。

    2012年09月新華社記者曾對該項目進行過一次實地采訪。該電站生產部主任劉漢民博士解釋說“當風電、光伏發電出力足夠時，可將多余的發電出力儲存到電池中；一旦風光出力不夠時，儲能系統就可以放出電量。而這一切，是通過聯合發電智能監控系統實現的。它是整個風光儲電站的‘大腦’，可改善風電、光伏出力的波動性和間歇性，使之安全穩定地并入電網運行。”與此同時，國家電網還自主開發了一套儲能監控系統，二者結合，可實現與上級調度無縫連接。

    對于不同的風光發電比例以及不同的儲能配比所可能出現的結果，國家電網也做了認真研究，見圖6，這都是根據張北地區的實際情況模擬的。從圖6上可以看到，國家電網認為，新能源發電（本項目僅指風力發電+光伏發電）規模與儲能裝置規模比為3:1時，從經濟性和平滑效果來看，能達到最佳結合。從張北項目一期工程來看，配比為7:1，接近圖中7.5:1的綠線，平滑效果：波動量≈10%/小時。

    在各種儲能技術中，國家電網內部詳細比較了各自的優缺點（主要是考慮技術風險控制、裝置多樣性，同時兼顧工程的示范意義），最后選中了鋰離子電池、釩電池和鈉硫電池，其中鋰離子電池選擇的是磷酸鐵鋰路線。從上海電力設計研究院的一份資料（見表2）來看，國際電網認為就實際工程而言，磷酸鐵鋰儲能系統綜合性能最好，其次是鈉硫電池，而釩電池最差。據此，國家電網確定三種儲能技術的配置原則。表3是該項目儲能電池最終的采購清單及中標情況，也印證了這一點。該項目于2011年03月23日和04月15日發布了兩次儲能設備采購招標公告，其中03月23日的是鋰離子電池，04月15日把液流電池（釩電池）補充進去，只是，截至現在也沒有發布鈉硫電池的招標公告。

    從2011年12月25日國家電網張北風光儲輸示范項目一期工程投入試運行至2012年09月供約9個多月的時間，累計發電2.2億kWh（其中風光發電比例約4:1）。當然，該項目成功試運行的意義不在于發了多少電，而在于在無任何工程實例可參考的條件下，探索出一條世界首創的風光儲輸聯合發電運行模式，即通過風、光、儲的七種組合發電方式，與平滑出力、跟蹤計劃、系統調頻、削峰填谷四種功能的結合，實現多組態、多功能、可調節、可調度的聯合發電運行方式。

    國家電網張北風光儲輸示范項目一期試運行的自我總結是：實現了風光儲互補機制及系統集成、全景監測與協調控制、功率預測、新能源電力與電網協調、大規模儲能技術等5大技術突破，完成了聯合發電智能全景優化控制等10項以上自主設備研發，并獲得了儲能控制策略等20多項技術創新。

    目前，對于儲能裝置的配備，國家電網得出的總體結論是：現有儲能技術基本能滿足風電和光電并網的功能性需求，但儲能電池的壽命、安全性和經濟性方面還存在問題。僅從經濟性方面來看，根據該示范項目測算，平均每kW風光發電所需的儲能裝置投入為2萬元；據業內人士介紹，20%的儲能可以解決風電并網的大量問題。這就意味著，中國2011年底4,700萬kW的風電裝機總量，若全部配備儲能需要一次性投入近1,880億元。一次性投入巨大，誰來買單？是發電企業，還是電網，還是用電的消費者？

    2011年中國累計風力發電總量為890億kWh，若以0.5元/kWh的電價計算，如果棄風高達15～35%，實際損失也就只有78.52～239.61億元。如以鋰離子電池或鈉硫電池的壽命可以長達10年計算，1,880億元的總投資攤薄至每年的投資也接近200億元。相比較之下也就不難理解為什么很多人寧愿選擇棄風。當然，賬不能簡單這么算，如果張北項目的鋰離子電池能夠同時用于附近京津地區的電動汽車，那其經濟效益將無法估量。這也是很多企業不惜代價去進行嘗試的主要動力。我們期待鋰離子電池在電網級儲能市場早日實現商業化、規模化應用。

    （二）松下的電網儲能試驗項目

    松下計劃開發能夠通用于家庭儲能系統和電網儲能系統的動力鋰離子電池模塊化技術，相關業務始于被松下兼并的三洋電機。三洋電機大型蓄電業務部副業務部長花房寬曾于2011年06月時對媒體表示：“原先認為是5～10年后家用蓄電池才可能上市，311地震之后，時間很可能大幅提前。”

    技術在線2011年06月14日報道，三洋電機已經面向日本市場推出了一款錄像機大小、容量為1.6kWh的儲能電池模塊。這個模塊由312只18650電池組成，三洋電機稱這樣一個模塊為1組電池。目前，三洋電機正在以組為最小單位，加速推進家用及商用儲能系統的實用化。三洋電機表示，如果使用4～5組電池，可用作便利店的緊急電源；如果組合使用1,000組電池，可以確保1,500kWh的電容量，便可用作中型醫院的電源。三洋電機表示，通過組合使用多個作為電池單元集合體的電池組來適應具體用途的電源，這種可任意擴展的特性正是三洋電機獨特的優勢所在。

    在位于兵庫縣加西市的三洋電機的工廠中，1,000組31.2萬只電池單元組成的巨大的儲能系統正在進行實證試驗。由于每個電池單元的性能不完全一致，有些參差不齊。據稱目前正在一邊管理電壓降低情況、電流流動情況及發熱程度，一邊對充放電進行控制。對于18650電池用于儲能領域的安全性問題，花房寬表示，三洋電機的18650電池月產3,500萬只，截至目前全球供貨量已累積達到50億只，從來沒有出現過發熱及起火事故，安全性不存在問題。更為重要的是，位于兵庫縣洲本市及德島市的鋰離子電池工廠已建成大規模量產體制，因此，將18650電池儲能用，具有非常明顯的成本優勢。

    三洋電機的HIT太陽能電池是全球光電轉換效率最高的太陽能電池之一，同時，鋰離子電池市場份額全球第一。如何把自己的這些綠色能源技術整合到一起，一直是三洋電機追求的目標。在被松下兼并以后，在整合松下和三洋電機出色的電池管理和控制技術的基礎上，三洋電機加快了開發“智能能源系統（SES）”的步伐。SES可以利用太陽能電池發電，再利用鋰離子電池系統儲能并平穩輸出電能。體現這一規劃的結果就是三洋電機于2010年10月18日面向媒體公開的“加西綠色能源工業園區”，上面提到的1,000組儲能模塊的實證試驗正是其SES試驗的一部分，這個試驗試圖建立一個成熟且完整的兼具創能、儲能和節能的能源綜合管理與應用系統。

    該項試驗工程共投資約50億日元，導入了1MW的太陽能發電系統、1,500kWh的儲能系統以及控制多種節能設備的SES系統等。三洋電機提出了將“CO2排放量削減25%”的目標，每年將削減2,480噸的CO2排放量，同時，三洋電機希望通過這項試驗，找到“家庭、大樓、城市三位一體能源解決方案”。從這可以看到，松下和三洋電機瞄準了未來智能城市建設這個巨大市場。

    在園區的入口處有一棟儲能電池大樓，放置著這套當時“全球規模最大”的鋰離子電池儲能系統，可滿足150戶普通家庭一天的電力消費量。在一樓大廳里設置了SES數字顯示屏，實現能源“可視化”的同時，可實時提供發電量、蓄電量、節能效果等數據，隨時監控儲能系統的電壓、電流、溫度等重要指標情況，從而對充放電進行合理有效的控制，以實現性能的最大化。

    （四）日本宮古島“離島微型電網系統實證試驗”與東芝的鈦酸鋰電池

    2010年01月18日，東芝對外宣布，接到了日本沖繩電力公司2010年秋季將在宮古島開始的“離島微型電網系統實證試驗”相關設備的一攬子訂單。根據要求，東芝將構建以儲能電池平衡功率變動劇烈的可再生能源負荷的新一代電力系統。真鋰研究認為，這是探討獨立供電系統的一個有代表性的嘗試工作，對于中國來說應該非常具有借鑒意義。因為，中國大陸太陽能和風能資源豐富的地方，一般都是電網沒有覆蓋到的地方。

    宮古島的試驗是在其現有的火力發電（2.15萬kW+4萬kW）、燃氣輪機發電（1.5萬kW）及風力發電（900kW×4座，600kW×1座）的基礎上，新增太陽能發電系統（3MW及1MW，由夏普提供）及儲能電池系統（4MW及200kW）。預定在利用儲能電池平衡變動劇烈的風力發電及太陽能發電的輸出功率的同時，驗證電壓上升、剩余電量解決對策及頻率調整等系統穩定性。此次的實證試驗已被選入日本經濟產業省資源能源廳公開征集的“平成21年度海島獨立型系統新能源導入驗證事業”之中。

    東芝在這個實證試驗中的任務分工是：一攬子提供電池組、功率調節器、通信網及控制電力供需監控系統“μEMS”（Micro Energy Management System，微型能源管理系統）。按照東芝的介紹，μEMS相當于智能電網的大腦，是一項核心技術，它與電力公司共同協作來實現電網內調節供求的功能。

    μEMS的基本工作流程是：對各電源的供電情況以及電網內的電力消耗情況、是否有供電不足等進行監測，并根據需要實現最佳的電力調配。在這個流程中，東芝還研發了計算、監測電力消耗情況的系統。即“智能電表”和“電表數據管理系統MDMS（電表數據管理系統）”。智能電表安裝在家庭、寫字樓、工廠等各個需求端，分別計測耗電量。計測數據通過通信網絡按一定時間間隔送到MDMS匯總。

    宮古島的人口較多，約為5.5萬人，是一個人口較多的地區。在宮古島的試驗中，4MW的太陽能發電系統有3MW作為百萬瓦太陽能設置，另外1MW中的600kW設想用于工廠、400kW設想用于住宅。不過，整個試驗不會在實體工廠及住宅中分別設置太陽能發電系統，而是集中在一處，統一進行電力需求模擬。

    在儲能電池方面，除了將4MW的NAS（鈉硫電池，由日本礙子制造）與電力系統相互連接之外，還將在住宅設置200kW的鋰離子電池系統。設想將4kW的太陽能發電系統設置于100戶住宅，在25戶住宅每戶設置8kW的鋰離子電池系統。這200kW的鋰離子電池系統用的就是東芝的SCiBTM鋰離子電池（錳酸鋰+鈦酸鋰組合）。此外，3MW的太陽能功率調節器采用12臺額定功率為250kW的東芝制品。預定為模擬工廠購入額定功率10kW的功率調節器，為住宅購入額定功率為4kW的功率調節器。

    在儲能領域，東芝對外宣示的主打產品是60Ah/2.4V，且計劃2010年底實現量產，不過，關于這款儲能用鋰離子電池的進展情況，未見媒體的后續報道。看來，進展情況不盡人意，因為，東芝于2011年07月15日推向市場的1.6kWh儲能系統“不間斷供電裝置”（SBE1P-U10010SC），使用的是20Ah的電池單元。東芝為該儲能系統的定價最初是150萬日元，后來迅速下降到120萬日元，以圖在競爭激烈的日本家用儲能系統市場中謀取一席之地。

    東芝“SBE1P-U10010SC”大概由34個20Ah/2.4V的電池單元構成，設想用于店鋪和辦公室等，除可作長時間的備用電源外，也可在用電高峰時有效節電。作為節電用時，需要手動操作開關在夜間充電，以供白天使用。該儲能系統最大的特點是循環壽命長，在4,000次以上。如果每天進行1次充放電，電池壽命有望超過10年。東芝表示，與儲能系統本身的預計壽命（5年）相比，蓄電池單元的壽命更長，因此無需更換電池。另外，只要更換儲能系統本身的部分部件，就可在到達電池壽命之前一直使用。

    在智能電網方面，除了上面介紹的這個宮古島的實證試驗之外，東芝還參與建設了諸多智能電網試驗工程，如“美國新墨西哥州日美智能電網實證”、“印度德里-孟買工業大動脈構想”、“法國里昂再開發地區智能社區實證”、“日本橫濱智能城市項目”、“中國天津環保城市項目”等。需要提及的是，東芝對潛力巨大的儲能市場表現出越來越強烈的興趣。據悉，東芝已將智能電網和智能社區業務列為公司的最主要業務之一，期待到2015年，包括儲能電池在內的該方面業務的銷售收入能夠達到9,000億日元。

    （五）其他

    對于鋰離子電池在電網儲能系統、住宅和家庭儲能系統等領域的試應用，全球主要國家和地區的政府、企業都在如火如荼開展相關實證試驗。真鋰研究在《鋰電信息動態與分析》（產業研究月度報告）中還有很多相關介紹和研究分析，如三菱重工與九州電力合作開展的黑島“離島微型電網系統（Micro Grid System）實證試驗”（計劃導入30%的可再生能源電力）、三菱重工用于環保型公寓大樓“Park City國分寺”的住宅儲能系統實證試驗、伊藤忠商事（Itochu，世界500強之一）嘗試車用電池在儲能市場的再利用項目“CREVIA二子玉川”試驗項目、德國能源巨頭EnBW（Energie Baden-Wuerttemberg AG，德國公用事業公司，世界500強之一）牽頭的MeRegioMobil項目（利用汽車動力電池削峰填谷）等等，限于篇幅，這里就不一一提及。

    國外很多鋰離子電池企業都在積極開拓這個大市場。A123系統在被萬向收購前是全球最大的電網儲能用鋰離子電池供應商，美國江森自控（JCI，世界500強之一）、日本電氣（NEC，世界500強之一）、德國贏創集團（曾入選過世界500強）等企業巨頭也都積極投身于相關示范運行項目中，努力開發相關電池技術和系統集成技術。

    中國在這方面一點也不落后。從下游應用領域看，不僅國家電網在積極開展相關示范運行項目，南方電網也在深圳建設了采用比亞迪鋰離子電池的儲能電站，開展相關示范運行。此外，以“五大四小”（華能、大唐、國電、華電、中電投這五大集團以及華潤電力、國華電力、國投電力、中廣核這四小豪門）為代表的中國發電領域的企業巨頭也在越來越多地開展電網儲能示范運行項目。

    從鋰離子電池企業來看，比亞迪、萬向、ATL、中航鋰電、哈爾濱光宇、山東潤峰新能源、珠海銀通等一批企業都瞄準了這個潛力無限的市場，都在做著積極的準備工作。關于這些，真鋰研究將在其后的《鋰電信息動態與分析》（產業研究月度報告）“儲能專輯”中會有較為詳細的研究。