从这周开始我们将开启综合能源关键技术系列的第一篇——电池技术。综合能源系统统筹规划了区域能源的生产及使用，并借此降低了能源使用成本，提高了能源效率。而在综合能源系统中，储能系统发挥着连接不同子系统的纽带作用。储能系统在
可再生能源并网、分布式发电与微网、调峰调频、需求侧响应等领域都不可或缺。在储能系统中，电池储能是重中之重的一环。
电池储能相比其它常见储能技术，有着许多特点。首先，电池储能有着非常高的能量密度，这意味着存储同等能量，电池占用的空间更少，且不像抽水蓄能及压缩空气储能那样对环境的要求较高。高达90%的能量存储效率以及灵活的容量分配都是电池相较于其它储能技术的优点。电池极快的响应时间，使得它在电网辅助服务尤其是一次调频中表现出色。
常见电池技术及其优缺点
不同种类的电池原理性质及其应用都有所不同，本文将介绍两种最常见的电池技术，锂离子电池和铅酸电池。
锂离子电池
锂离子电池作为生活中广泛应用的电池种类，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，其常见正极材料有：锂钴氧化物（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、镍酸锂（LiNiO2）及磷酸锂铁（LiFePO4），负极材料一般为石墨，钛酸盐被认为是未来更好的替代品。锂离子电池应用领域十分广泛，在电网调峰、调频、电动汽车及光伏储能方面均有优秀表现。
优点：
1. 高能量密度
2. 寿命较长
3. 输出功率高
缺点:
1. 安全性能稍差
2. 对电池管理系统要求较高
3. 成本较高
铅酸电池
铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸电池在电网调峰调压力、不间断电源、光伏储能及孤岛电网领域均有应用。
优点：
1. 今时今日已经批量生产
2. 对于静态应用来说,能量/功率密度可以接受
3. 通过控制过充电反应来实现安全性
4. 无需复杂的电池管理
5. 大规模储能经验
6. 短期摊销和初始投资相对较低
缺点：
1. 充电和放电并不对称
2. 对通风的要求较高
3. 循环寿命有限
4. 重金属铅
电池技术的应用场景
电池技术在综合能源领域有着广泛的应用：
大型风、光电站的储能系统
电池系统可以对风、光等可再生能源输出功率进行平抑，缓解昼夜峰谷差，降低系统调峰调频和备用容量的需求，降低对多能互补系统中燃气轮机、生物质发电等发电单元的性能压力，提高区域供电电能质量，
有效减少弃风、弃光现象。在光伏方面，由于光伏发电的不可控性，光伏仅在白天尤其是午间发电。利用电池将白天发的电储存起来，为电网调度、电网的稳定性起到了很有力的调节支持作用。在风电方面，储能系统主要解决风机发电波动大的问题，平滑风机出力曲线、丢风存储、风电场辅助调频等。
维护电网稳定性
随着可再生能源发电比例的逐步提高，电网的稳定性愈发成为一个重要问题。尤其在综合能源系统中，多能互补系统的存在对区域负荷供电电能质量及可靠性提出了更高的要求。电池系统凭借其快速的响应时间，灵活的有功，无功吞吐能力，在电网辅助服务领域表现出色。尤其是在一次调频方面。一次调频对反应时间的苛刻要求，电池系统能够完成诸如抽水蓄能等系统不能完成的任务。此外，电池系统还可以通过提供电力市场辅助服务进行套利。
户用储能电池
1. 户用光伏储能
对于住宅光伏客户，储能系统能大大提升自身的光伏发电量使用效率。光伏储能系统的主要经济性体现在提高住户自身产电的电力消耗比率，从而减少从公共电网获取的电量。通过安装户用电池，理论上该比率可以增加到100%，但由于经济性原因很少能够达到。目前在欧洲，户用光伏储能系统的自耗率平均为35％，电池价格占整个光伏储能系统成本的50%以上。
2. 需求侧响应
户用储能电池还可引用于用户需求侧响应，用户可在电网负荷较小的情况下，利用电池充电；在电网负荷较大的时候，利用电池进行供电，能够大大降低电网负荷，同时节约电力成本。能起到这样作用的电池主要是户用光伏储能电池和家用电动汽车电池。
电动汽车
电动汽车之于电力行业的意义就是“
装在车轮上移动电池”，而且其飞快的发展速度对于储能行业的意义可能会是住宅储能无法比拟的。Diaz-Bone 举过这样一个例子：“100,000 个家用储能系统的数量可能听起来已经可以令人印象深刻，但如果对比电动汽车的规模，这个数字也只能相形见绌了。我们正在研究数百万辆电动汽车，每辆汽车的电池容量为 40 到100千瓦时，是一般家用电池储能系统的五到十倍”。与固定式家用电池一样，通过充电桩连接到电网的电动汽车不仅可以存储电力，还可以根据需要将其送入电网。电池的核心优势是，可以在短时间内吸收和释放大量电力，这使其成为为电网提供辅助服务的理想工具。它们可以保证电力通畅以稳定电网，充当备用电源以提高可靠性，并且能够在供电充足且便宜的时间再充电。德国示范案例：M5BAT项目
M5BAT位于德国亚琛，是一个功率5MW，能量5MWh的庞大电池存储系统，建设始于2015年8月，于2016年9月8日开始调试。从那天起，该电池系统已连接到德国亚琛地区中压电网，并用于
平衡能源供应。在此期间，还将实时进行能源市场容量交易。该项目的参与者共同投资了1,140万欧元，用于开发和测试这个世界首创的电池存储系统。该项目还从德国联邦经济和能源部获得了670万欧元的资金。M5BAT是一个典型的区域储能系统，其5MWh的电力容量可以为10000户家庭在断电时供电约60分钟。M5BAT除去实际功用，还承担着科研任务，期望了解电池存储的经济和技术特征。
电池技术多种多样。为了发挥协同效应，可以将不同的电池技术结合起来，以充分利用各自的优势。例如，廉价的高能量电池和昂贵的高功率电池可以同时使用，以在提供相同功率容量的同时实现更好的成本效益。
M5BAT使用五种不同的电池技术，并使用智能电池管理技术来优化整体操作。M5BAT具有不同锂“离子”技术的三个电池串，主要用作短期电力存储。此外，还安装了两种不同技术的铅蓄电池组，用于短时间和中等放电时间。在世界范围内的此类性能级别中，M5BAT的混合模块化系统首屈一指。
[1]RWTH-AACHEN-M5BAT-Projekt
[2]RWTH-ISEA-Energiespeicher Technologie
[3]KlimaExpo.NRW-M5BAT: flexiblerBatteriespeicher im Test
[4]曹建-储能在综合能源服务中的技术与实践
作者 | 张启航
栏目负责人 | 周晋羽/尹华琛
投稿请联系 | [email protected]
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