车电储能发展现状与关键障碍

2018-07-26 来源:未知 责任编辑:admin 点击:

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东莞市宝英机电有限公司(宝英电源)20多年专注于环形变压器,机床变压器、UPS电源变压器、数控机床/机器人变压器,电抗器,大功率稳压器等产品研发、生产与销售,电话:13669880079
车电储能概念及现状
随着可再生能源发电比重不断升高,发展储能技术将是弥补电力系统灵活性不足的根本途径,但我国已建储能装机容量不足全国发电装机1.5%,加之国内天然气发电、库容式水电等传统调峰资源贫乏,有限的抽水蓄能资源也无法满足未来能源清洁化转型的巨大需求。虽然近年来电化学储能技术(如锂离子电池、液流电池等) 得到一定发展,但其装机规模仅占全部储能装机数量的不足1%,不足以在短期内实质性地填补储能供应缺口。


电动汽车是实现我国交通能源转型和汽车工业赶超的战略新兴产业,东莞稳压器我国较早开展了电动汽车关键技术研发和实施了商业化扶持政策,有力推动了我国电动汽车产业的快速发展。2017年全国电动汽车销量达到77.7万辆,累计推广量超过180万辆,占全球电动汽车市场的一半以上。当前德、法、英、挪、荷、印等国家纷纷提出燃油汽车退出目标,我国也制定了2020年新能源汽车销量和保有量分别达到200万辆和500万辆的发展目标,而2018年开始实施的《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》更意味着交通电动化已成为不可逆转的趋势。


随着电动汽车数量不断扩大,电动汽车储能日益受到行业关注。电动汽车也可被视为分布式储能设施,可与分布式能源、可再生能源等结合形成微网系统,也可应用于电力需求响应,根据系统灵活性调节需求进行实时充放电变化。
东莞稳压器电动汽车普及后的调控规模非常可观,结合先进电力电子通讯控制技术、合理的充放电设施布局及引导性的电价政策,电动汽车在提高电力系统运行的可靠性和灵活性方面具有巨大应用潜力。


国外对车电储能的研究开始较早,美国特拉华大学的Kempton和Tomic,较早对比了美国电力系统和交通部门的发展规模,发现若全美交通部门中有四分之一数量的车辆为电动汽车,则电动汽车充/放电总功率超过美国全国发电装机总容量。研究进一步发现由于电动汽车设计之初就针对道路工况变化实现了瞬时功率调节能力,因此电动汽车也完全满足电力系统辅助服务中的响应时间和爬坡率的要求。此外,电动汽车V2G硬件投资成本相对有限。而限制其推广的最重要的因素便是其运行过程中较高的电池循环寿命折损。Kempton 进而分析了纯电动汽车、插电式混合动力汽车以及燃料电池汽车三种电动汽车在基荷发电、尖峰负荷发电、备用容量以及系统调频四类电力市场服务的可行性。研究结论认为不同类型电动汽车(纯电动汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池汽车)适应不同种类的辅助服务,且虽经济性各不相同,但不存在不可克服的技术障碍。



技术示范方面,丹麦政府于2009年启动了为期三年的Edison电动汽车智能电网项目,该项目旨在探索电动汽车进行电力需求侧响应的应用潜力。项目由电动汽车技术组、动力电池仿真组、技术经济评价组、分布式能源并网技术集成组、快速充电设施组、通信系统组、系统功能检测组7个工作组协作完成,以评估由可再生能源发电与电动汽车构成的V2G电力系统的技术可行性。该项目是全球迄今规模最大的电动汽车储能实证研究项目之一。


在产业化方面,我国电动汽车和充电桩企业已经走在前列。比亚迪e6等车型已实现3.3千瓦车外放电功能,率先具备分布式储能电站及移动充电车能力。特来电开发的CMS主动柔性智能充电系统在保留充电桩基础功能的基础上,将控制、保护、显示及计量集成到箱式变电站,同时通过检测区域内电网负荷、待充电车辆数量、电池荷电状态以及用户充电时间需求,智能分配充电功率,以优化的柔性电流输出对电池进行充电,为智能充电及车电储能奠定了技术基础。



车电储能模式及主要挑战
电动汽车可以通过不同模式实现车电储能,本文将车电储能分为有序充电、V2G、
东莞稳压器电池更换及退役电池储能四类,不同模式存在规模潜力、成本、基础设施等方面的差异:


1、有序充电。虽然在有序充电下电动汽车无法向电网或负荷直接放电,但仍可通过改变充电时间(电力需求响应) 的方式参与电网削峰填谷,实现“虚拟储能”作用。电动汽车有序充电的储能功率取决于车辆的充放电功率,其储能电量取决于车辆能效及出行强度。


2、车电互联(V2G)。当前电动汽车动力电池容量普遍有限,电池续航能力以满足道路出行为主,车辆参与V2G将加速电池老化,给用户带来极高成本。但随着电池容量的增加和循环寿命的提升,电动汽车续航能力将逐渐超过日常交通出行需求,此时V2G 的价值将快速显现。


3、电池更换。电池更换为电动汽车电能的快速补充提供了可能。由于车辆与电池实现了分离,电池更换模式最大程度释放了车载电池的储能潜力,从车辆卸载的电池可以根据电力系统的调峰需求随时进行充放电,此时动力电池储能类似于固定电池储能电站。对于电池更换而言,每两次电池更换之间允许有较长的等待时间, 使卸载电池可以兼顾电网调节需求和电池寿命进行充放电,在将电池储能价值最大化的同时,尽可能地延长电池使用寿命。


4、退役电池。随着车载动力电池寿命终结,退役电池有望通过梯次利用的方式间接参与电网储能。通常而言,电池容量降低到原始容量的80% 以下后就无法满足车用动力电池的要求,随着电动汽车推广规模不断扩大,退役电池的储能潜力不容忽视。



基于上述四种车电储能方式,若2030 年全国累计推广1 亿辆电动汽车,则电动汽车理论储能能力可达5000GWh以上,远高于我国抽水蓄能资源潜力,完全有能力与大规模可再生能源形成供需协同,加速我国能源结构转型。


虽然车电储能相比传统储能资源具有规模潜力优势,但其商业化推广也存在许多障碍,
东莞稳压器除动力电池成本问题外,其对现有电力系统运行方式也有深刻影响。


以V2G为例,首先,就经济性而言,车电储能的成本与动力电池循环寿命高度相关。目前动力电池容量保持率衰减至80%前的车用电池寿命大约只可满足15万公里累计续航里程,而这只可基本满足一般私人电动乘用车用户的出行需求。随着动力容量及循环寿命的提高,其累计续航能力将逐渐超过车辆用户的出行需求,继而产生V2G 电力系统服务的经济性。因此,V2G在近期还存在一定的经济性制约,但电池技术的持续进步将有力推动其成本下降。


其次,V2G也将改变现有电力市场结构,不仅增加了一类新的分散式电源,还改变了电网公司与发电个体之间的关系,使电网公司直接与充电具有随机性和利益复杂性的电动汽车用户发生关系。从市场交易的角度讲,传统市场中,电能由发电侧直接单向传递给电网公司,再由电网公司传递到负荷侧,因此资金流也是单向传递;而在含V2G的市场中,电能和资金在电动汽车和电网之间双向流动。由于频繁放电加速电池老化,
东莞稳压器电网公司需要通过制定反购电价影响电动汽车用户的充放电行为。


再者,从运营模式角度看,只有聚集大量电动汽车同时参与系统服务,V2G资源才可能提供与大型机组类似的可靠性服务,因此V2G有赖于电动汽车的普及、智能电网的建立以及商业模式的成熟。




推广车电储能政策建议
制定反映系统价值的充放电价格
市场机制及充放电价格是影响车电储能效果的决定性因素。电动汽车具有巨大的充放电灵活调节潜力,其价值需要通过合理的市场和价格机制设计予以体现,从而促进电动汽车与电力系统的友好衔接。





加快充放电运营平台与标准体系建设

目前已建和在建充电设施的监控系统对有序充电的支持水平参差不齐,即便是支持有序充电,该系统在与电网运行系统的衔接上也存在问题。随着电动汽车的规模化应用,电动汽车最终将作为分布式移动储能设施,从而对有序充放电提出更高要求。实现电动汽车有序充放电取决于车辆、充电设施及电网企业,因此,有序充放电技术研究应充分融合各利益相关方。对于电网企业而言,应将充电设施作为电力基础设施对待,将充电网络作为配电网络有机组成部分,综合考虑充电设施和电网的规划、设计、建设、运营,加快统一的充电服务运营平台与充放电标准体系建设, 推动电动汽车充电设施与电网协调发展。


开展新能源发电与电动汽车协同项目示范

在技术示范的基础上,在京津冀地区、张家口低碳奥运专区、高比例可再生能源示范城市、能源互联网示范区、国家智慧城市试点地区、电动汽车集中推广应用城市等重点城市和区域,组织实施车电储能技术示范,为未来大规模推广积累政策及运行模式经验。


加快退役电池储能梯次利用及原材料循环利用

锂、钴等资源是当前锂电池技术依赖的核心材料,汽车电动化及电力系统储能将带动上述资源消耗呈几何级增长,未来世界锂、钴资源的竞争与瓜分将更加激烈。退役电池储能及电池原材料循环利用可在提升电池全生命周期价值的同时,缓解上游原材料供应不足的问题。然而,目前退役电池储能及材料回收仍面临许多挑战。首先,由于不同车型的动力电池包设计多种多样,需要针对不同电池类型进行细分,工艺流程和安全问题也相当复杂。其次,对退役电池健康状态进行评估和系统集成仍存技术障碍。如何有效控制拆解、测试、分组、成组、电池管理等各环节工艺及物料成本,提升相关技术水平及完善跨行业标准是退役电池储能及关键材料循环利用的前提条件。

(作者单位:国家发改委能源研究所/ 国家可再生能源中心)

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