储能系统:新能源发展的基石

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什么是储能系统?在这篇文章里,作者给出了他的回答,储能系统即一个“巨型充电宝”,可以在发电侧、电网侧、用户侧等场景应用,起到平衡供需、优化电网运行、节省用电成本、应急备用等关键作用。一起来看看作者关于储能系统的解读。

动机

近期,个人对储能产品相关的知识进行了学习与研究,基于通过输入-输出的方式,进一步梳理和强化自己的认知的目的,我从什么是储能? 为什么需要储能?储能的几种方式?电化学储能的构成等方面,对输入的知识进行一步梳理与转化。

一、什么是储能系统?

储能,从字面上理解,储能即能量的存储,是指通过介质或者设备,把能量存储起来,基于未来应用需要以特定能量形式释放出来的能量循环转化与利用过程。

举个例子:在日常生活中,我们使用移动智能设备的过程中,经常会遇到设备电量低,但因环境限制无法为移动智能设备充电的场景。此时,充电宝通过提前存储的电能,就可以为移动智能设备提供临时的电力支持,帮助我们应对各种充电困难的场景。

在上述案例中,充电宝,通过提前存储的电能帮我们打破了电能在时间和空间上的限制,解决了电能供需匹配的问题。

回到供电系统中,储能是指电能的存储,指利用化学或者物理的方法将产生的能量存储起来,并在需要时以电能形式释放的一系列技术和措施。

储能系统就像一个“大型的充电宝”,它可以分别应用在电源侧、电网侧、用电侧,通过储存电能优化电能的输入与输出,提高新能源的利用率,解决新能源电能与传统电能共存的冲突,提高电网的稳定性与灵活性。

二、为什么需要储能系统?

1. 提高新能源发电稳定性与能源利用效率

2020年,中国在联合国会议中提出了碳达峰和碳中和的双碳目标,承诺在2030年前实现二氧化碳排放达到峰值,并努力争取尽早实现碳中和,即减少二氧化碳排放至几乎零的状态。为实现上述目标,推动能源结构转型和提高能源利用效率是必要的路径,其中能源结构转型策略的核心是,降低对传统化石能源的依赖,减少煤炭等高碳能源的使用,加快太阳能、风能、水能等可再生能源的利用发展和利用。

在政策的驱动,太阳能、风能发电在新能源电站、工商业、户用等场景快速发展,然而,太阳能、风能发电其自身具有间接性、波动性和随机性的特点,即它们产生的电能受到天气条件、太阳高度和时间等因素的影响,因此无法始终稳定地提供电能。

例如:太阳能光伏发电在依赖太阳光照射下将光能转化为电能,但其产能受到季节、天气、时间条件的限制,阴天、夜晚或其他遮挡因素都会影响太阳能发电的产能,表现出间接性和波动性。

因此,为了解决新能源发电的问题与提高能源的利用效率,通过在新能源发电的产与供环节中,增加储能系统可以将多余的再生能源电能储存起来,在需要时释放,以平衡供需差异和稳定能源输出,实现对再生能源发电的调峰填谷,提高能源利用效率,并确保持续供电。

2. 解决新能源电能与传统电能共存的冲突

在传统的供电系统中,电能的来源时相对单一、集中的,电力系统根据用电需求实时进行电能的生产和供应。

具体来说,电力系统中的发电厂(如火电厂、核电厂等)会通过发电机将机械能转化为电能,并将其输入到输电网中,输电网将电能以高电压进行传输,以减少能量损耗。然后,通过变电站将高压电能转变为适合不同用户使用的低压电能,并通过配电网将其输送给终端用户。用户在需要用电时,通过插座或开关等装置将电能提取出来,供各种电气设备使用。

在上述“即发即用”电能供应下,电能供应来源单一,电力系统需要在瞬时间完成产与供,发电机组通常以额定功率运行,以满足电网中用户安全、可靠、连续的用电需求,电力系统的运营效率主要依赖于实时的供需情况,如无法准确预测用户的电力需求,或者用户的需求突然出现大的波动,可能会导致电力供应不足或者浪费电力资源的情况。

由于新能源电能其自身具备间接性、波动性和随机性的特点,当常规的火电、核电等提供的电能与新能源电能同时输入电网时,传统供电系统则会面临稳定性、灵活性、电网规划运营、供需调度、交易机制、安全等方面的挑战,例如:传统的供电系统则会面临优先使用什么类型的电能?供大于求时,怎么办?

因此,通过在供电系统的中的电源侧、电网侧增加储能系统,不仅可以在新能源大发或者用电低谷时充电,新能源出力小或者用电高峰时放电,还可以平滑不稳定的新能源发电、助力其开发消纳,配合常规火电、核电等电源提供调峰调频等服务,提高电力系统的灵活性与稳定性。

举个例子:当某个地区电能供应来源主要为火力发电和光伏发电,在中午高温时刻,用电侧用电需求大,当火力生产的电能现已经能满足供电需求,此时如果同时将光伏发电输入电网,则可能会导致电网电压下降和频率不稳定等问题,进而影响电网的稳定性。

为解决这个冲突,通过增加储能系统,可以在光伏发电量超过电网负荷时,将光伏发电量先通过储能系统存储起来,并在需要时将其释放出来供电网使用,实现光伏发电的平滑接入电网,同时提高电网的可靠性和供电质量。

3. 小结

在分布式新能源、微电网、新型电力系统的快速发展背景下,储能技术在促进能源生产消费、开放共享、灵活交易、协同发展、推动能源革命和能源新业态发展等方面发挥着至关重要的作用。它不仅可以解决风能、太阳能等新能源发电过程中简接性、波动性、随机性等问题,还是构建新型电力系统、建设新型能源体系、促进能源转型和高质量发展的重要技术与基础装备。

储能的本质就是一个“巨型充电宝”,其在发电侧、电网侧、用户侧等场景的应用,起到平衡供需、优化电网运行、节省用电成本、应急备用等关键作用。

能量储存的过程需要通过特定的介质来实现。例如,在我们日常生活中使用的电池,就是通过内部电解质的化学反应将电能储存为化学能,从而实现能量的储存和转换。

三、储能的几种方式

在广义上,储能有电储能、热储能以及氢储能三大类。在此基础上,根据储存介质和技术路线的不同,又可以进一步细分为机械储能、电磁储能、电化学储能、热储能以及化学储能等多种类型。其中,电储能是最主要的储能方式,它可以根据存储原理的不同,被进一步分为电化学储能和物理储能两种技术类型。

电化学储能技术主要包括铅蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池以及超级电容器等。机械储能技术则主要包括抽水蓄能、压缩空气储能以及飞轮储能等。

1. 电化学储能

电化学储能包括锂离子电池、铅酸电池、钠离子电池、液流电池等细分类型,本质上都是都是利用电池的电化学反应将电能转化为化学能并进行储存与储能电池组中,只不过电池的材料和化学反应机制会有所不同。

以手机的蓄电池为例,目前市面手机电池一般为锂离子电池,充电时,充电电流通过正极进入电池,推动锂离子从正极材料中脱出并进入电解液。

在电解液中,锂离子会与电解液中其他离子发生化学反应,使得锂离子在电解液中传输至负极材料,并在负极材料中插入,这个插入过程将电能转化为化学能,并将锂离子储存在负极材料中,因为将锂离子插入到负极材料的晶格或多孔结构中,形成一种所谓的锂嵌入化合物,该化合物可以在需要时释放锂离子以供电子设备使用。

放电过程是充电过程的逆向过程,当外部电路连接到电池上时,储存在负极材料中的锂离子开始从负极材料中脱出并进入电解液。这些锂离子在电解液中与其他离子发生化学反应,推动锂离子在电解液中传输至正极材料。在正极材料中,锂离子嵌入到材料的晶格或多孔结构中,产生电荷,这些电荷通过外部电路流动,为电子设备提供电能。

电化学储能系统主要由储能电池组、电池管理系统(BMS)、储能变流器(PCS)、能量管理系统(EMS)四部分组成,其中储能电池用于存储电能,变流器用于电能的转化,电池管理系统负责B电池的监测、评估、保护、均衡,能量管理系统(EMS)负责数据采集、网络监控和能量调度。

2. 机械储能

机械储能是指利用物理装置将能量转化为机械能量并存储的储能技术,根据实现方式的不同可以分为抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等类型。

举给通俗例子:在射箭的时候,我们会用手用力拉弓箭,此时力气转化为弓弦的弹性能量并存储在弓弦,在我们松开手时,弓弦会将储存的能量释放出来,推动箭飞出去。在这个过程中,人的力气被储存在弓弦中,当需要时被释放出来,产生了机械运动的能量。

在电力系统中,目前应用最广泛的是抽水蓄能,其原理是通过利用水的高低位转换过程中产生的势能来储存和释放能量,在低电力需求时,将水抽升到高处的水库中,将电能转化为重力势能储存起来;而在高电力需求时,通过将高位水库下放低位水库的过程中通过涡轮机将势能转化为电能并释放。

根据《抽水蓄能产业发展报告2022》显示,目前我国已纳入规划的抽水蓄能站点资源总量约8.23亿千瓦,已建、核准在建装机规模达到1.7亿千瓦。

3. 电磁储能

电磁储能是指利用电磁场来储存和释放能量的技术,其中,超级电容器储能和超导储能是两种常见形式。

1.超级电容器储能:超级电容器储能可以理解是传统电化学储能(如电池)的一种升级版或改进形式。

在这里我们可以将超级电容器看作为一种“特殊”的电池,其结构和传统电池相似,但在电解质和电极材料上进行了优化。

超级电容器利用电介质的电吸附-电解质双层效应,将电能以电荷的形式储存在电极上,其优势在于可以实现快速充放电,具有长寿命,且可以承受大功率的充放电过程,与传统电化学储能设备(如锂离子电池)相比,超级电容器储能以其高功率密度、快速充放电、长寿命和高可靠性等特点,弥补了传统电化学储能的不足之处。

2.超导储能:超导储能是一种无需经过能量转换而直接储存电能的技术,它利用特殊超导材料制成的线圈,在低温下将电流输入到超导线圈中,电流可以在超导线圈以超导状态无损耗地循环流动,直到输出。

4. 热储能

热储能技术是指通过特定的装置或物理介质,将太阳能光热、工业余热、地热和低品位废热等热能储存起来,待到需要的时候再释放出来使用,实现供热或通过能量交换装置将热能量转化为其他能量驱动发电机产生电能,最大限度地提高能源的利用率。

热储能系统由四个核心系统组成:统聚光(集热)系统、吸热系统、储换热系统和发电系统,这些系统协同完成热能的收集、吸收、存储和转化的过程。

热能可以以显热、潜热或两者兼有的形式储存,即可通过改变介质温度、改变介质材料状态或热化学热反应等来储存热能。

显热是靠储热介质的温度升高来储存,如常温下水和卵石均为常用的储热材料。

潜热储存则是利用材料由固态熔化为液态时需要大量熔解热的特性来吸收储存热量,热量释放后介质回到固态,相变反复循环形成贮存、释放热量的过程。这些技术使用如熔盐、混凝土、铝合金或岩石材料等介质将热量存储于绝热容器中,使用最广泛的技术路线是熔盐和聚光太阳能(CSP)发电设施相结合。

举个例子:2019年12月31日,我国在敦煌建成了以熔盐为吸热、储热介质的商业化光热发电站,该电站就是利用熔盐作为吸热和储热的介质,将太阳能转化为热能并储存起来。在白天,太阳能集热器将太阳光聚焦到熔盐上,使熔盐加热到高温状态。这些熔盐被储存在一个热储存装置中,在需要发电时通过高温工质产生的高温蒸汽驱动汽轮发电机组发电实现从热能经机械能到电能的转化。

5. 化学储能

化学类储能是指利用不同介质之间的化学反应来获得化学能并存储,然后在需要的时候再将化学能转化回电能的技术。目前,这种技术的主要应用包括氢储能和合成天然气储能等。

以氢储能为例,氢储能是过通过燃料电池将氢气转化为电能的技术,氢储能系统主要由制氢系统、储氢系统、氢发电系统三个部分组成。目前制氢路线主要包括煤炭制氢(价格低廉,但设备成本高、碳排放量大)、天然气制氢和可再生能源制氢(主要指将太阳能、风能等间歇性可再生能源余电或无法并网的弃电,通过电解水制氢),其中可再生能源制氢为发展重点。

6. 小结

在众多的储能技术中,机械储能的抽水蓄能是目前商业化应用最为成熟的储能方式,具有经济性、可靠性和大规模储能的优势。电化学储能方面,铅酸电池由于其成本低、稳定性好等优点,长期以来一直占据主导地位,但随着科技进步,锂电池、钠硫电池等新型电化学储能技术正在逐步发展,并正处于从示范阶段向商业化过渡的关键时期。

其他储能技术,如机械储能中的高速飞轮储能,电磁储能的超导储能和超级电容储能,以及化学储能等,尽管在理论和实验阶段展现出巨大的潜力和优越性,但由于技术复杂度、成本控制等因素,目前仍处于研发和试验阶段,尚未实现大规模的产业化应用。

四、电化学储能系统的构成

能量的储存过程包括能量输入、能量转化、能量存储和能量输出四个关键步骤,这个过程的实现需要软硬件的协同工作,其中硬件部分提供了能量转化、存储和输出的物理能力,而软件部分则通过监测、控制和优化算法来确保储能系统的高效运行、安全性和可靠性。

以电化学储能系统为例,要实现电能的输入、转化、存储、输出、电力调度、运行监控等关键任务,需要储能电池组、电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)以及储能变流器(PCS)等多个组件的协同工作,它们共同构成了一个完整的电化学储能系统。

1. 储能电池系统

1.电池组:电池组是担任关键的储能角色,是储能系统最核心的构成部分,负责储存和释放电能,电池组通常是指的是由多个单电芯串联组成的电池簇,然后多个电池簇组成的电池组,电池组的大小和容量取决于储能系统的需求和应用场合,常见的电池类型包括锂离子电池、钠硫电池、铅酸电池等。

2.电池管理系统(BMS):在通过电池组进行储能时,电池组的运行状态如何、电量储存情况如何、输入、输出过程是否有异常等,需要通过电池管理系统(BMS)来进行管理与控制。

在BMS系统与电池组之间,储能电池组中通常根据需求设计相应的监测设备、控制设备,这些检测设备负责感知并采集电池组的各种参数,如电池的电压、电流、温度、SOC(state of charge)等,然后通过通信设备与数据接口,将这些信息传输给BMS系统,BSM系统通过对数据的处理和计算,进而实现对电池状态SOX (SOC/SOH/SOP/SOE) 的分析和评估,实现电池组均衡管理、控制、故障告警、保护及通讯管理。

总而言之,电池管理系统(BMS),是储能系统的子系统,在整个储能系统中,担任感知和决策角色,主要负责监测和控制电池的状态、保护和控制电池组,确保电池组的安全运行,并实现充放电控制及故障保护等功能,其核心目的是实现电池系统的安全、稳定可靠、高效与经济的使用。

例如,当电池组出现过压、过流、过温等异常情况时,BMS会采取相应的措施,如切断充放电电路,以保护电池组的安全。

3.安全组件及辅助组件:在电化学储能系统中,电池作为储存能量的关键组件,其性能、安全、稳定性是至关重要的。然后,电池在运行过程中可能会出现各种各样的异常情况与安全问题,因此需要一些安全组件和辅助组件来确保储能系统的安全性和稳定性,这些组件通常包括冷却系统、消防系统、监测系统、通信系统、门禁系统、控制系统等。

2. 储能变流器

光伏发电系统、风力发电系统等新能源发电系统产生的电能是直流电,储能电池组存储的电能也是直流电,然而,大部分家庭、工业和商业设备使用的是交流电。因此,为了将新能源发电系统产生的直流电并入到电网或供应给家庭、工业和商业设备,需要使用变流器实现直流电和交流电的双向转换。

储能变流器是储能系统与电网、用电端之间不可替代的关键器件,其主要功能在于实现电网、用电端和储能电池能量的双向转换控制,在用电侧储能、光伏/风力发电、电源测储能、电网侧储能、构建微电网等场景均有应用。

根据应用场景和技术路线的不同,储能变流器有多个细分类型,例如:户用型、工商型、集中式、组串式、微型等,关键零部件均包括包括IGBT、IC等半导体器件,传感器、连接器、线材等电子物料,散热器、紧固件等机构件,电感、变压器等磁性器件,电阻、电容等阻容器件以及PCB板等。

储能变流器的工作原理是通过其内部的逆变器与控制程序实现对电能的交直流双向转换。在充电场景中,它将电网的交流电整流为直流电,用于充电储能电池组,在此过程中,变流器充当了一个整流器的作用,将交流电转换为直流电;而在放电场景中,它将储能电池组中的直流电逆变为交流电,供电给电网或其他负载,在该过程中,变流器充当了一个逆变器的作用,将直流电转换为交流电。

日常生活中的手机充电器的功能将家用插座中的220V交流电,转换为手机内电池所需的5V~10V的直流电,这与储能系统在充电过程中将交流电转换为电池堆所需直流电的模式是一致的。

举个例子:某个园区光伏电站,在并网模式下,在用电低谷期,储能变流器把电网的交流电整流成直流电给电池组充电,在用电高峰期,储能变流器把电池组中的直流电逆变成交流电反送到电网中;离网模式下,储能变流器与电网脱离,给本地的用电需求提供满足电网电能质量要求的电能。

3. 能量管理系统

对于整个储能系统而言,虽然储能电池系统和储能变流器实现了能量的基础存储与输入、输出,但用户在能量存储、输出、输入过程中涉及到的信息化管理、调度策略的管理、计划的管理、设备的管理、数据采集、运行监测与诊断、运营统计分析等问题,还需要储能EMS系统的支撑。

储能EMS系统是整个储能系统的决策中枢,充当“大脑”角色,在整个储能系统中起着关键的作用,它通过与储能变流器(PCS)、储能电池系统、电网的的交互实现能量的数字化、信息化管理,从而提高整个储能系统的可靠性和稳定性。

储能EMS系统从顶层往下拆解,其系统架构主要包括,应用层、服务层、通讯层。

1.应用层:应用层是储能EMS系统的顶层,面向用户提供能量管理的具体应用服务。用户可以通过储能EMS系统的应用层进行能量信息的可视化管理、调度管理、设备管理、实时运行监控、远程实时控制、数据统计分析等能量管理相关管理与优化。

举个例子:用户可以通过应用层信息化界面查看电池组的电量、功率、温度等参数,并进行相应的调整和管理。

2.服务层:服务层是储能EMS系统的中间层,起着乘上启下的作用,向上为应用层的应用服务提供支撑,向下下达控制指令。具体 而言,服务层通过通讯层与储能变流器、储能电池系统进行交互,负责数据的采集、处理与计算、控制指令下达等关键任务。

举个例子:服务层,通过计算下游系统的上传的电池参数计算电池运行状态并反馈给应用层。

3.通讯层:通讯层是储能EMS系统与下游系统的关键连接层,负责建立和维护储能EMS系统与下游系统之间的通信连接,是储能EMS系统正常运行和优化能量管理的基础,其核心任务主要包括通信协议管理、数据传输管理、控制指令传递管理、连接信号管理等。

举个例子:当用户发送指令来调整储能系统的输出功率时,通讯层会将指令转换为特定的通信协议格式,并通过传输通道将其发送给下游系统。下游系统接收到指令后,解析并执行相应的操作,然后将执行结果反馈给通讯层。

专栏作家

汪童学,公众号:汪童学,人人都是产品经理专栏作家。多年产品工作经验,关注与新能源、智能汽车、B端企业服务、电商等领域。

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  1. 家储的发展趋势能分享一下吗

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