錢伯章，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）

風(fēng)能、太陽能和海洋能等可再生能源發(fā)電具有明顯的間歇性，發(fā)出的電力不穩(wěn)定，波動較大、可調(diào)節(jié)性差?？稍偕茉窗l(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)運行，電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和安全性將受到嚴重影響，成為可再生能源發(fā)電大規(guī)模發(fā)展的瓶頸。另一方面，電網(wǎng)供電的巨大峰谷差，是我國當(dāng)前許多大城市電力供應(yīng)的難題。配套大容量儲能裝置可以解決間歇式可再生能源發(fā)電直接并網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，也可以用于削峰填谷平衡電網(wǎng)供電的峰谷差。智能電網(wǎng)的建設(shè)和電動汽車的推廣也離不開大容量儲能技術(shù)的支持，因此大容量儲能技術(shù)已經(jīng)成為世界各國新能源技術(shù)發(fā)展的重點發(fā)展很快，儲能設(shè)備的制造將成為一個新興產(chǎn)業(yè)，市場的潛力很大。本文將介紹國內(nèi)外大容量儲能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一些最新動態(tài)，特別是大容量化學(xué)電池的研制和應(yīng)用是目前國內(nèi)外蓄能領(lǐng)域的熱點，本文將重點報道國內(nèi)外大容量鋰電池、全釩液流儲能電池和鈉硫電池技術(shù)的最新成果，以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景。

1 大容量鋰電池

鋰電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率小、無記憶效應(yīng)和綠色環(huán)保等優(yōu)點，小型用于移動設(shè)備供電的鋰電池技術(shù)相對成熟，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。由于用于制造鋰電池的正極、負極及隔膜新型材料的不斷問世，近年來用于儲能系統(tǒng)的大容量鋰電池發(fā)展很快。

1.1 大型化

國際電池公司（International Battery）于2010年11月15日宣布，接受美國賓夕法尼亞能源開發(fā)局（PEDA）80萬美元的資助，開發(fā)、設(shè)計、制造和試驗應(yīng)用于可再生能源發(fā)電項目和支持智能電網(wǎng)的1 MW大型儲能系統(tǒng)（BESS），將于2011年第二季度進行測試。該產(chǎn)品可以儲存電能800 k Wh，是迄今為止全球最大的電池系統(tǒng)。該儲存系統(tǒng)采用國際電池公司的大容量鋰電池和電池管理系統(tǒng)以及控制／通訊系統(tǒng)構(gòu)成，容納在12.2 m（40英尺）移動式容器中。

1.2 模塊化

美國國際電池（International Battery）公司于2010年11月宣布推出－一款4.1 k Wh鋰離子能源儲存模塊24V ESS，該模塊由8個160 Ah的鋰離子磷酸鹽電池串聯(lián)組成，并帶有電池變換和熱管理控制，以及通訊和數(shù)據(jù)記錄功能，可很好地適用于太陽能和其他可再生能源的儲存。

1.3 新材料、新工藝的應(yīng)用

陶氏化學(xué)公司于2010年11月宣布，將為能量儲存產(chǎn)品研制大容量儲能長壽命的鋰離子電池新材料，提升鋰離子電池產(chǎn)品的動態(tài)性能。

美國Contour能量系統(tǒng)（Contour Energy Systems）公司于2010年11月2日宣布，與Cal Tech和CNRS公司合作，開發(fā)出新的氟基電池化學(xué)、納米材料化學(xué)和制造工藝制造鋰離子電池。該工藝將氟引入多層碳納米材料中，形成一種與傳統(tǒng)的氟化碳材料完全不同的分子結(jié)構(gòu)，可以大大增加鋰電池的儲能密度、并在鋰電池運行中防止過熱，延長鋰電池的使用壽命。與傳統(tǒng)的鋰電池相比具有較大的電力和能量密度，成為可以長期持久使用的便攜式電力解決方案。

美國Maryland大學(xué)2010年11月宣布，開發(fā)了一種可用作蓄電池電極材料的納米結(jié)構(gòu)材料，納米結(jié)構(gòu)材料具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括零維（核心－殼納米顆粒）、一維（共軸納米線）、二維（石墨單原子層基復(fù)合物）、三維（大孔碳基復(fù)合物）以及更復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，通過集成多個納米組件，可制造各種高能量密度、高電導(dǎo)率和機械穩(wěn)定性極好的蓄電池電極。

德國EVONIK工業(yè)股份公司于2011年5月初表示，將聯(lián)合戴姆勒汽車公司和一些研發(fā)機構(gòu)共同開發(fā)廉價大容量鋰電池。該蓄電池參考了一種為電動汽車設(shè)計的陶瓷與高分子鋰離子電池結(jié)合的技術(shù)，產(chǎn)品的體積小、循環(huán)穩(wěn)定性好。根據(jù)規(guī)劃該公司將利用這種鋰電池在德國西部薩爾州的一個發(fā)電站建一個功率為1 MW儲電裝置，電池儲電量約700 k Wh，儲電裝置的體積則只有純電動或混合動力汽車電池的40至50倍。

2010年12月韓國SK能源公司與中國臺灣臺塑集團簽約共同開發(fā)固定式鋰離子能量儲存系統(tǒng)，臺塑集團負責(zé)研發(fā)蓄電池的陰極，SK能源公司負責(zé)研發(fā)大型電池能量儲存系統(tǒng)（ESS），與現(xiàn)用的電動汽車電池相比，該產(chǎn)品可儲存的能量增加了1000多倍。

1.4 應(yīng)用領(lǐng)域的多樣化

大容量鋰電池蓄能系統(tǒng)可以應(yīng)用在許多領(lǐng)域，隨著大容量鋰電池蓄能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，這些領(lǐng)域的供電和用電也因為池蓄能的應(yīng)用變得更科學(xué)更合理。

1）城市能源儲存系統(tǒng) 美國費城Thomas Jefferson大學(xué)購買了Locust RidgeⅡ項目102 MW風(fēng)力發(fā)電場1／3的電力供應(yīng)，為此Viridity能源公司于2011年5月宣布將為該大學(xué)及其醫(yī)院開發(fā)大規(guī)模儲能項目，成為美國最早并網(wǎng)運行的城市能源儲存系統(tǒng)之一。儲能項目建成后可以保證該大學(xué)供電質(zhì)量和穩(wěn)定性，減少電網(wǎng)斷電給醫(yī)院運行帶來的風(fēng)險，還可通過動態(tài)負荷優(yōu)化管理將儲存的電力可供給鄰近地區(qū)使用，降低使用風(fēng)力發(fā)電的成本。

2）靈活交流輸電系統(tǒng) 瑞士ABB公司于2011年5月23日宣布將通過英國電網(wǎng)公司在英國部署第一套動態(tài)能量儲存設(shè)施，應(yīng)用于英格蘭諾?？耍∟orfolk）的赫姆斯比北部基地的英國電網(wǎng)。該項目采用靜態(tài)無功補償器與鋰離子電池存儲組合，包括八層13個鋰離子電池模塊，安裝在25 m2的建筑中，可以存儲200 k Wh的電能。靜態(tài)無功補償器可在高壓電網(wǎng)中、在電壓和電流波動的調(diào)平中提供快速應(yīng)變電力補償，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。該項目將成為FACTS（靈活交流輸電系統(tǒng)）系列的組成部分，建成后來自當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村的可再生風(fēng)力發(fā)電能源將被送入該電網(wǎng)，蓄電系統(tǒng)可以彌補風(fēng)電的間歇性缺點。ABB公司和瑞士電網(wǎng)公司EKZ于2011年5月宣布將共同在瑞士Dietikon建立一個與電力輸配網(wǎng)絡(luò)相配套的大型儲能試點工程。該項目包括1個1 MW的鋰電池儲能系統(tǒng)，設(shè)計儲能能力達350～500 k Wh；試點項目于2011年年終完工。

3）移動式大容量儲能系統(tǒng) 2011年6月三菱重工公司（MHI）宣布研制成功一種大容量儲能系統(tǒng)（ESS）移動式大容量儲能系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 三菱重工公司集裝箱式大容量儲能系統(tǒng)

該系統(tǒng)的包括一個安裝了超過2000個鋰離子充電電池單元的12.2 m（40英尺）長的器柜單元，和安裝了兩個用于直流（DC）／交流電（AC）變換和輸入／輸出控制的電力調(diào)制器的6.1m（20英尺）長的器柜，可通過貨柜拖車移動。該系統(tǒng)可以儲存408 k Wh的電能，充放電效率為90%，作為緊急電源可為100戶家庭提供用電約3～8 h。該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于與大電網(wǎng)連接有困難的地區(qū)存儲來自可再生能源的電力。

4）與建筑一體化光伏裝置 光伏裝置與建筑一體化是今后光伏發(fā)電應(yīng)用發(fā)展的一個重要方向。2011年6月，德國高能鋰離子電池生產(chǎn)專業(yè)商Leclanché公司與為建筑封裝提供鋁、太陽能、鋼材和塑料的供應(yīng)商Schüco公司宣布，將合作為太陽能發(fā)電提供鋰離子太陽能儲能系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，儲能系統(tǒng)由通用的鋰離子能量儲存模塊和電力控制單元組成，儲能模塊可根據(jù)需要疊加，直接與太陽能板相連接。電池單元的運行采用控制器控制，或通過光纖以太網(wǎng)與其他節(jié)能系統(tǒng)相鏈接。該鋰離子電池公司采用4個電極配對：金屬氧化物／石墨；金屬氧化物／鈦酸鹽；LiFePO4／石墨；LiFePO4／鈦酸鹽。電池采用了專利的分離器。目前Leclanché公司的大容量鋰離子電池組件的年生產(chǎn)能力為10萬個，為了滿足日益增長的需求，該公司已準備到2012年把生產(chǎn)能力提高到100萬個電池。

5）家庭能源存儲 NEC公司于2011年7月13日宣布將引入6 k Wh鋰離子家庭能源存儲和控制系統(tǒng)，并從2011年7月18日起先提供100套給家庭建筑公司和企業(yè)。該系統(tǒng)安裝在室外，連接到家里的配電盤，并可與電力公司的電力供應(yīng)系統(tǒng)和家用電氣設(shè)備、太陽能發(fā)電系統(tǒng)和其他設(shè)備進行互動協(xié)調(diào)，減少對電力公司的供電壓力，用戶還可節(jié)電或者減少電費支出。NEC規(guī)劃2012年后推廣家庭能源存儲系統(tǒng)的應(yīng)用。

2 全釩液流電池和鈉硫電池

除了鋰電池外，大容量儲能系統(tǒng)還可以采用全釩液流儲能電池和鈉硫電池等作為蓄能元件，雖然這些新型的蓄電池的技術(shù)還不很成熟，但是它們具有一些鋰電池所不具備的優(yōu)點，非常有發(fā)展前景，我國在這些新型的蓄電池的技術(shù)研發(fā)中已經(jīng)取得不少成果。

2.1 全釩液流儲能電池

全釩液流儲能電池（VRB）是目前世界發(fā)展最快的大容量儲能技術(shù)，與目前市場上的鉛酸蓄電池、鎳氫電池相比，全釩液流電池具有功率大、支持頻繁大電流充放電，壽命長達15年（是鉛酸電池的5倍以上），特別是全釩液流儲能電池的制造、使用和回收不會污染環(huán)境，是一種非常清潔的蓄能元件，而且價格低、可靠性高、操作和維修費用少，被證實是最適合風(fēng)能發(fā)電平滑輸出的儲能設(shè)備。釩液流電池還可以應(yīng)用于城市電網(wǎng)儲能、遠程供電、UPS系統(tǒng)等領(lǐng)域，用于醫(yī)院、軍用設(shè)施、通訊基站等不能斷電的特殊場所的持續(xù)供電，全釩液流儲能電池與風(fēng)電、光伏電組合成離網(wǎng)或微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，對于孤島、離網(wǎng)的邊遠地區(qū)來說，是最佳綠色能源組合，在智能電網(wǎng)的建設(shè)中發(fā)揮重要作用。目前全球最大的釩液流電池制造商Prudent能源公司已在中國北部河北省張北建成一個儲能1 MWh的蓄能系統(tǒng)。該項目作為我國的國家風(fēng)電并網(wǎng)集成研究和測試中心研究課題的組成部分，還包括了30臺風(fēng)力發(fā)電機、太陽能光伏發(fā)電和2.5 MW儲能。

Prudent能源公司研制的液流電池釆用石墨纖維氈制取多孔電極，可以抵御高腐蝕性的電解質(zhì)，延長蓄電池的使用壽命，而且電極的表面電阻率低，有利于提高電池的效率。全釩液流儲能電池的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是高性能離子膜，目前采用的杜邦公司Nafion，性能穩(wěn)定耐久性好，但是離子選擇性差，特別是成本較高，難以產(chǎn)業(yè)化。新型非氟離子交換膜采用一種很有發(fā)展?jié)摿Φ囊毫麟姵啬げ牧?，性能好，制造成本低的非氟離子交換膜材料，受到國內(nèi)外有關(guān)企業(yè)或者機構(gòu)的重視。

我國的神力公司自2009年7月開始自主研發(fā)釩流電池的膜材料，以及電極材料、密封材料和雙極板等主要部件。其中最關(guān)鍵的膜采用國產(chǎn)非氟高分子聚合物，經(jīng)工藝合成后，該膜化學(xué)穩(wěn)定性好、阻釩離子滲透性能佳、機械強度高，性能指標已達到國外同類產(chǎn)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運行國內(nèi)首臺5～10 k W高性能全釩液流儲能電池（VRB）樣機，其儲能效率達到70%的先進水平。神力公司已規(guī)劃針對不同應(yīng)用市場逐步推出5～10 k W、20～30 k W、50～100 k W釩流電池的商業(yè)化產(chǎn)品，并將研制兆瓦級的釩流電池儲能設(shè)備。

中科院大連化學(xué)物理研究所（大連化物所）積極開展液流儲能電池電解質(zhì)溶液、離子交換膜等核心材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)平臺的開發(fā)，在液流儲能電池系統(tǒng)的關(guān)鍵材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、密封技術(shù)等方面也取得了一批重大成果，研制的全釩液流儲能電池產(chǎn)品已達到國際先進水平。截至2011年6月上旬，大連化物所自主研發(fā)的采用非氟離子交換膜的2 k W全釩液流儲能電池經(jīng)過1萬次充放電循環(huán)電池效率未見明顯衰減，成為繼日本住友電工公司之后世界上第二套突破萬次充放電循環(huán)耐久性實驗考核的全釩液流儲能電池系統(tǒng)。該所目前已形成年300 MWh的釩電解質(zhì)溶液和5萬m2碳塑雙極板的生產(chǎn)能力，所用材料全部實現(xiàn)國產(chǎn)化，價格比國外進口的同類產(chǎn)品價格要低50%以上，可望在“十二五”期間實現(xiàn)大容量全釩液流儲能電池的規(guī)?；a(chǎn)。

2.2 鈉硫電池

日本NGK從2002年開始鈉硫電池的商業(yè)化生產(chǎn)和供應(yīng)，用于全球內(nèi)215個項目，總量達到302 MW。我國鈉硫電池的主要開發(fā)者是中科院上海硅酸鹽研究所，近來該所與上海電氣集團、上海市電力公司共同投資組建鈉硫電池產(chǎn)業(yè)化公司，落戶上海嘉定工業(yè)園區(qū)。該公司的產(chǎn)業(yè)化目標分三階段進行：第一階段將加大原鈉硫中試基地已開展的各項科研攻關(guān)力度，提高單體電池性能；第二階段規(guī)劃貫通具備5～10 MW級生產(chǎn)能力的產(chǎn)品中試線，配合國家和上海的示范項目，建立兆瓦級儲能示范電站；第三階段是貫通50 MW生產(chǎn)線，達到產(chǎn)業(yè)化目標。

3 我國蓄能技術(shù)和蓄能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

近年來，我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，特別是我國風(fēng)能發(fā)電的裝機容量已走在世界前列，但由于缺乏具體的風(fēng)電送出和風(fēng)電消納方案，風(fēng)電場的發(fā)電不能上網(wǎng)，據(jù)統(tǒng)計2010年1～6月，我國風(fēng)電未收購電量達27.76億k Wh。以內(nèi)蒙古為例，內(nèi)蒙古的風(fēng)力資源豐富，目前已經(jīng)建設(shè)大量的風(fēng)電場，但是內(nèi)蒙古的電網(wǎng)對風(fēng)電的承受能力為8%～10%，結(jié)果約一半風(fēng)電無法上網(wǎng)而被舍棄。

風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電上網(wǎng)難的問題，可以通過發(fā)展儲能系統(tǒng)解決。國家電網(wǎng)公司對下一代儲能電池性能和價格的期待是循環(huán)壽命達到5000次以上，價格低于1500元／k Wh，效率達到80%以上，這是傳統(tǒng)抽水蓄能技術(shù)很難達到的。因此將發(fā)展大容量蓄能電池列入我國“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中，作為風(fēng)電和光伏發(fā)電以及智能電網(wǎng)重要組成部分的大容量儲能電池技術(shù)也有望突破。2011年12月25日，由財政部、科技部和國家電網(wǎng)公司共同啟動的國家風(fēng)光儲輸示范項目一期工程在河北省張北縣投運。該示范項目總投資約33億元，建設(shè)風(fēng)電100 MW、光伏發(fā)電50 MW和儲能20 MW，其儲能系統(tǒng)由5套組成，其中1套為液流電池系統(tǒng)，規(guī)格為2 MW×4 h，由普能公司提供。另外4套為磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)，分別由比亞迪、ATL、中航鋰電和萬向公司提供。通過張北風(fēng)光儲輸示范項目運行，可以獲得鋰電和液流電池大規(guī)模儲能應(yīng)用中的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，為我國新能源產(chǎn)業(yè)新興的化學(xué)儲能產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展提供依據(jù)。

2011年5月，中科院長春應(yīng)化所儲能材料與器件研究院暨常州市儲能材料與器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟成立，以常州儲能材料與器件產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟為推力，實現(xiàn)資源整合，建立創(chuàng)新集群，加強科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，成為立足常州、面向全國的新能源戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)化基地?；貙⒁源笕萘夸囯x子電池負極材料、功能型鋰電池電解液、寬溫區(qū)大容量鎳氫電池等新能源、新材料研發(fā)為主要研發(fā)方向，經(jīng)過3至5年的努力，使儲能材料與器件產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)國有化率達到70%以上，產(chǎn)品國內(nèi)市場占有率達到30%以上。

4 結(jié)語

據(jù)美國能源部的（DOE）儲能理事會2011年2月報告的估計，在未來15年內(nèi)高密度能儲設(shè)備的市場可達1750億美元。我國的儲能應(yīng)用市場商機也十分巨大，根據(jù)國電電力的研究結(jié)果，2010年底國內(nèi)風(fēng)機累計裝機容量41827 MW，儲能容量按風(fēng)電裝機容量的20%～30%計算，僅風(fēng)電我國的儲能產(chǎn)品市場就潛藏著8365～12548 MW的規(guī)模，儲能技術(shù)有著很好的發(fā)展前景和巨大的市場潛力。

大容量儲能電池是世界最前沿的技術(shù)，也是新能源產(chǎn)業(yè)取得突破性發(fā)展的核心，我國將在新能源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)超越式發(fā)展，政府將進一步鼓勵各種技術(shù)的優(yōu)勢互補合作，組織力量對關(guān)鍵技術(shù)進行攻關(guān)，推動我國儲能電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。對于風(fēng)電與儲能電池、光伏電與儲能電池、風(fēng)光互補發(fā)電與儲能電池等多種形式的技術(shù)組合示范項目，政府可以采用政府采購、補貼等鼓勵政策等，推動綠色發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用推廣。