中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：儲(chǔ)能行業(yè)的拐點(diǎn)已經(jīng)來(lái)臨，鉛炭?jī)?chǔ)能電池的成本在2016年下降了30%以上，已經(jīng)具備經(jīng)濟(jì)性。我們寫作關(guān)于鉛炭電池的系列文章，希望大家能夠更好地認(rèn)識(shí)鉛炭電池，以及鉛炭電池在儲(chǔ)能當(dāng)中的應(yīng)用。
這個(gè)系列文章分為“上游材料篇”、“中游電池篇”和“下游應(yīng)用篇”。
“上游材料篇”，側(cè)重介紹鉛炭電池最重要的原材料鉛的來(lái)源、分布、價(jià)格形成機(jī)制及交易模式等。
“中游電池篇”側(cè)重介紹鉛炭電池技術(shù)及鉛炭電池的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)與其他幾種重要的儲(chǔ)能方式進(jìn)行比較，突出了鉛炭電池低成本、高效率的特點(diǎn)。
“下游應(yīng)用篇”則主要介紹鉛炭電池的實(shí)際應(yīng)用，包括系統(tǒng)構(gòu)成、應(yīng)用場(chǎng)景的比較及財(cái)務(wù)測(cè)算等，力求說(shuō)明鉛炭電池應(yīng)用領(lǐng)域的一些重要問(wèn)題。
我們認(rèn)為，2017年將是儲(chǔ)能行業(yè)項(xiàng)目、收益同時(shí)爆發(fā)的元年，鉛炭電池作為技術(shù)成熟、適用范圍廣、效率高、循環(huán)次數(shù)高等多方面都具備優(yōu)勢(shì)的儲(chǔ)能形式，將成為發(fā)電側(cè)調(diào)峰調(diào)頻及用戶側(cè)削峰填谷的重要儲(chǔ)能形式。
下游應(yīng)用篇
思考的問(wèn)題
1、鉛炭?jī)?chǔ)能電池的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是什么樣的？
2、鉛炭電池的成本分析
3、鉛炭電池可以運(yùn)用于哪些領(lǐng)域？
4、鉛炭電池的優(yōu)勢(shì)和現(xiàn)在存在的問(wèn)題有哪些？
重要結(jié)論
鉛炭電池通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)鉛酸電池負(fù)極的改性，及與超級(jí)電容器相配合，提高了電池的循環(huán)次數(shù)、充放電倍率，從而提升了效率。目前，鉛炭電池的每Wh成本已經(jīng)降低至0.6元左右，且隨著規(guī)模效應(yīng)影響提升，成本有進(jìn)一步降低的趨勢(shì)。與蓄水儲(chǔ)能相比，鉛炭電池受環(huán)境等客觀因素限制較小，與鋰電池儲(chǔ)能相比，鉛炭電池成本僅為鋰電成本的約1/3，經(jīng)濟(jì)性明顯。
1.鉛炭電池儲(chǔ)能技術(shù)
在電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用和混合動(dòng)力汽車等領(lǐng)域，通常電池需要在高電流密度條件下循環(huán)，即高倍率充放電操作，使得鉛酸電池常常由于負(fù)極硫酸鹽化而失效，從而極大地影響鉛酸電池的使用壽命。而鉛炭電池就是在傳統(tǒng)鉛酸電池的基礎(chǔ)上加入碳，極大地提高了鉛酸電池的壽命。
1.1鉛炭電池的構(gòu)成
鉛炭電池是一種特殊的電容型鉛酸電池，傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池單體是由一個(gè)二氧化鉛正極板和一個(gè)海綿狀鉛負(fù)極板組成，而不對(duì)稱超級(jí)電容器則是由二氧化鉛正極板和碳負(fù)極板組成。由于二者有共同的正極板，因此可以將二者復(fù)合在同一電池體系內(nèi)，即形成所謂的鉛炭電池。圖1展示了從傳統(tǒng)鉛酸電池到鉛炭電池兩者結(jié)構(gòu)上的發(fā)展與變化。
從圖1可以看出，相比于傳統(tǒng)鉛酸電池，鉛炭電池在負(fù)極加入了碳材料。碳材料的加入加速了轉(zhuǎn)化過(guò)程中活性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，活性炭表面形成了新的活性中心，降低了極板充電過(guò)程中的極化，并抑制硫酸鉛顆粒長(zhǎng)大，有利于硫酸鉛的還原。所以在鉛酸蓄電池中加入適量的碳能夠有效抑制硫酸鉛晶體在負(fù)極表面的積累，減緩硫酸鹽化的趨勢(shì)，使得電池循環(huán)的壽命顯著增加。
同時(shí)，與在高倍率充放電過(guò)程中，超級(jí)電容器能夠快速提供和吸收電荷，發(fā)揮緩沖器的作用。因此與超級(jí)電容器的配合提高了電池的功率，延長(zhǎng)了電池循環(huán)壽命。
1.2儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成
儲(chǔ)能系統(tǒng)中，除了電池的應(yīng)用以外，還涉及到了電池管理系統(tǒng)（BMS）以及過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS）等。BMS主要用于估測(cè)動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)，即電池剩余電量；在電池充放電過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等，是電池能量管理系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。圖2展示了儲(chǔ)能電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的示意圖。
當(dāng)儲(chǔ)能電站配合光伏并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，光伏組件首先利用太陽(yáng)能電池板的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，之后對(duì)電池組進(jìn)行充電，通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電；BMS根據(jù)日照強(qiáng)度與負(fù)載的變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)蓄電池組的充放電狀態(tài)，使整個(gè)系統(tǒng)保持了連續(xù)性和穩(wěn)定性。
電池組在整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中起到了能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載的重大作用。它在用電低谷時(shí)將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，以備供電不足時(shí)使用。而鉛炭電池本身更好的充放電接收能力（100%深度放電后，以2.35V/單位恒壓限流0.15C10(A)充電10小時(shí)，充電量在放出電量的98%以上）；極低的自放電；以及70%DOD預(yù)期循環(huán)壽命4000次、可回收的特性，使得鉛炭電池相對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的鉛酸電池更具有優(yōu)勢(shì)。
2.鉛炭電池成本分析
由第一部分分析可知，鉛炭電池是由傳統(tǒng)的鉛酸電池與超級(jí)電容器結(jié)合產(chǎn)生的新型鉛酸電池，另外，在實(shí)踐中，由于因此鉛炭電池的成本與價(jià)格受到一系列要素價(jià)格的影響，包括：活性炭?jī)r(jià)格與供給量、鉛價(jià)格波動(dòng)、電容器價(jià)格以及其他因素例如添加劑石墨烯等。
從圖4中可以看到，2016年下半年，活性炭?jī)r(jià)格先有一個(gè)明顯下跌，之后緩慢回升。此系列的上一篇報(bào)告中分析可以知道，近些年來(lái)鉛資源的價(jià)格大體呈先較為穩(wěn)定的狀態(tài)，但在近半年價(jià)格有一定幅度的提升，具體走勢(shì)圖見(jiàn)圖5。
從各項(xiàng)原材料影響程度來(lái)看，理論上鉛炭電池價(jià)格很大程度是由鉛價(jià)格來(lái)決定的，對(duì)于鉛的需求彈性較小，鉛價(jià)的波動(dòng)很可能造成鉛炭電池成本的增加。但另一方面，通常公司對(duì)下游客戶存在價(jià)格聯(lián)動(dòng)，有時(shí)間差，所以鉛價(jià)的波動(dòng)也有可能給雙方帶來(lái)盈利。至于導(dǎo)電性、延展性能都很好的石墨烯，相比于活性炭而言，由于其高昂的價(jià)格，使得鉛炭電池目前對(duì)于石墨烯的需求彈性較大，在加工過(guò)程中，更為普遍的做法是加入一定量的活性炭來(lái)對(duì)傳統(tǒng)鉛酸電池性能進(jìn)行改善。
3.應(yīng)用
由于使用了鉛炭技術(shù)，鉛炭電池的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，同時(shí)又具有與傳統(tǒng)鉛酸電池相近的低廉價(jià)格優(yōu)勢(shì)及成熟的工業(yè)制造基礎(chǔ)，在各種應(yīng)用領(lǐng)域有著極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力優(yōu)勢(shì)。
3.1對(duì)比
在目前的儲(chǔ)能領(lǐng)域中，運(yùn)用和關(guān)注度較廣的化學(xué)儲(chǔ)能方式除了鉛炭電池外，還有鋰離子電池。除此以外，抽水儲(chǔ)能是當(dāng)今世界上運(yùn)用最廣、技術(shù)最成熟的一種物理儲(chǔ)能方式。接下來(lái)對(duì)這三種儲(chǔ)能方式進(jìn)行對(duì)比分析。
3.1.1鉛碳電池
由于鉛炭電池是在傳統(tǒng)的鉛酸電池上發(fā)展起來(lái)的，它具有很多優(yōu)勢(shì)：一是充電快，提高8倍充電速度；二是放電功率提高了3倍；三是循環(huán)壽命提高到6倍，循環(huán)充電次數(shù)達(dá)2000次；四是性價(jià)比高，比鉛酸電池的售價(jià)有所提高，但循環(huán)使用的壽命大大提高了；五是使用安全穩(wěn)定，可廣泛地應(yīng)用在各種新能源及節(jié)能領(lǐng)域。隨著產(chǎn)量增高，鉛炭電池的成本隨著規(guī)模效應(yīng)提升而進(jìn)一步下降，未來(lái)的應(yīng)用前景更加廣闊。
3.1.2鋰離子電池
與鉛炭電池相對(duì)應(yīng)的另一種化學(xué)儲(chǔ)能方式就是鋰離子電池。鋰離子電池具有能量密度大，循環(huán)壽命長(zhǎng)，自放電率低且環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于現(xiàn)今筆記本和手機(jī)兩大產(chǎn)業(yè)。由于其自身的優(yōu)勢(shì)，鋰離子電池同樣也是未來(lái)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)理想選擇。
在未來(lái)的應(yīng)用中，鋰離子電池在安全性、循環(huán)壽命、成本和工作溫度范圍方面仍然存在問(wèn)題。與其它充電電池不同，鋰離子電池的容量會(huì)緩慢衰退，與使用次數(shù)有關(guān)，也與溫度有關(guān)。這種衰退的現(xiàn)象可以用容量減小表示，也可以用內(nèi)阻升高表示。
盡管隨著動(dòng)力電池應(yīng)用的推廣，鋰電池技術(shù)、成本都有很大提升，但是目前鋰電池成本仍然是鉛炭電池的3倍以上。在儲(chǔ)能領(lǐng)域，除了高端數(shù)據(jù)中心及對(duì)儲(chǔ)能電池重量有嚴(yán)格限制的使用場(chǎng)景外，目前運(yùn)用鋰電池進(jìn)行儲(chǔ)能的商業(yè)項(xiàng)目非常少。
3.1.3抽水儲(chǔ)能
抽水儲(chǔ)能是當(dāng)今世界上運(yùn)用率最廣，技術(shù)最成熟的一種儲(chǔ)能方式，它屬于物理儲(chǔ)能。抽水儲(chǔ)能是在電力負(fù)荷低谷期將水從下池水庫(kù)抽到上池水庫(kù)時(shí)將電能轉(zhuǎn)化成重力勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)的形式，綜合效率在70%到85%之間，應(yīng)用在電力系統(tǒng)的調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等。但抽水儲(chǔ)能的建立很大程度上得依靠地理位置的選擇，因此，使其在未來(lái)進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用中受到了一定的限制。
3.2儲(chǔ)能管理平臺(tái)構(gòu)想——南都電源
一個(gè)12MWh的儲(chǔ)能電站，每天谷電時(shí)間充電8小時(shí)，充放電深度按照80%計(jì)算，平均日充電量為9300kWh，累計(jì)充放電維持平穩(wěn)。峰電時(shí)期放電8小時(shí)，平均日放電量為8400kWh，充放電效率達(dá)到90.51%，財(cái)務(wù)上按照85%計(jì)算。峰時(shí)電價(jià)1.05分，谷時(shí)電價(jià)0.31元，每天收益5938.03元，每年按照360天計(jì)算，年收益為2,137,691元。
實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)全面達(dá)到了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，目前儲(chǔ)能電池放電深度為70%，但電池完全可以滿足80%DOD運(yùn)行，按此計(jì)算，每天谷電時(shí)期充電8小時(shí)，平均日充電量為10666.7kWh；峰電時(shí)期放電8小時(shí)，平均日放電量為9600kWh；充放電效率為90%。結(jié)合現(xiàn)有峰谷電價(jià)差，平均每天收益約為6773.33元，比70%充放電，收益提高了14%；按照每年運(yùn)行360天計(jì)算，年收益約為243.84萬(wàn)元，收益提高14%。
預(yù)期的收益提高，主要是充放電效率的提升。充電次數(shù)目前在6000次內(nèi)，無(wú)明顯衰減，70%的DOD已經(jīng)考慮到衰減的可能性，未來(lái)縮小了之后仍然未達(dá)到極限。80%為壽命終止，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
