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九评:我国电网谷电大规模储能调峰技术路线

九评:我国电网谷电大规模储能调峰技术路线

关键词:新能源、峰谷差、谷电、储能、调峰填谷、中华新能源

    现实意义概述:我国电网“峰谷差越来越大”对“电能质量”负面影响也越来越大,并且,相伴引起我国电网运行20天累积浪费的“谷电无效负荷”电能,相当于三峡一年的发电量。我国电网峰谷差的病态程度,已经到了需要深度治疗的时候了。加快构建我国“谷电大规模化学储能调峰板块”是深度治疗的唯一主要手段。

    降低“峰谷差”是解决“电能质量”、“浪费谷电”矛盾的前提因素;而“调峰”是降低“峰谷差”的唯一手段。因此,“谷电大规模燃料可循环化学储能调峰”是关乎我国电力产业的重大的命题。

    解决方案概述:物理储能方式的客观性局限及“二次电池”的“先天不足”秉性,可定性它们只适宜承担储能调峰的辅助角色。“中华新能源” 世界首创,主要技术指标国际领先,性价比优势明显,适合扮演我国“谷电储能大规模调峰板块”的主要角色。

    构建我国“谷电大规模化学储能调峰板块”可操作的商业模式=到位的优惠鼓励政策 + 上网即卖电 + 推广“中华新能源”技术路线。

    纵观世界“储能技术大赛”现状,如果按照本商业模式启动并健康发展,中国有实力成为优胜者!

作者:深圳市公路客货运输服务中心 副总工程师  深圳市老年科技协会
  高级工程师 杨瑞瑜 (已经退休)
电话:13602575930  邮箱:

正文:

    人类正在被能源枯竭、温室效应所困扰,寻觅“清洁低碳新能源”是摆脱困扰的唯一选择。比较而言,“中国式电力能源困扰”显得尤为突出。

    一评:由此,有人会问,中国式电力能源困扰严重吗?回答是:很严重!
随着我国经济发展的快速增长,对白天“峰电”的需求越来越高,全国大面积“缺电趋势”也越来越严重。由此带来我国电力产业的连锁病态反应:
    关于病态困惑:
    反应一、“峰谷差” 越来越大。“极端冷热气候”及“世界工厂”两个因素,导致我国对电力供应需求陡增的同时,也为“峰谷差”的加大埋下了伏笔。据报导,近几年我国的“峰谷差”徘徊在38%-48%之间。“峰谷差”可比喻人得了高血压病,收缩压与舒张压之间压差越来越大;
    反应二、夜间“谷电”浪费越来越大。2010年我国平均每天发电114亿千瓦。2011年7月26日,全国日发电量首次突破150亿千万。为方便计算理解,保守评估我国的“峰电平均负荷”为100亿千万。如果我们取“峰谷差”38%-48%的中间值43%,那就意味着,我国每天约有43亿千瓦的“谷电无效负荷”电能白白流掉,相当于三峡18天发电量(2010年,三峡平均每天发电2.3亿千瓦时)。或者讲,我国电网运行20天累积浪费的“谷电无效负荷”电能,相当于三峡一年的发电量。这是一个令人无比震惊的数据。“谷电无效负荷”可比喻人得了拉肚子病,进到肚子的营养没有被吸收就“泻掉”了;
    反应三、“峰谷差”越来越大对电网的“安全”及“电能质量”负面影响也越来越大。可比喻人的血压波动大对人健康的负面影响。
关于治病困惑:
    反应四、治疗以上病态的处方是——在国家总发电装机容量中,安排30%的电力板块扮演调峰角色。据有关专家讲,实际我国调峰板块欠账八成左右。可比喻人的“高血压病”和“拉肚子病”到了需要抓紧治疗的时候了。
    关于成本困惑:
    以上由“因果关系”造成的病态连锁反应,是由“峰谷差”概念引申出“储能调峰”命题。在此,首先提请大家注意“大规模调峰”概念。因为,作为“大规模调峰”电源来说需要够资格:资格一,自身或者通过移动,能够设置在电网某一区域“负荷中心”的一定半径内(超出范围则调峰功效大打折扣);资格二,要有一定的“大规模”电容量,才能匹配“被调峰的电网”。
    美国电力储能协会负责人近期说:虽然在过去的几年内,国际上储能技术成本已经得到了显著下降,但总体看来,离商业化要求依然有很长的距离。美国目前每千瓦的储能成本依然高达1211美元,但我们可接受的目标是400美元。
    从近半个世纪电力技术发展历史来看,科学家一直在寻找 “把谷电大规模储存起来实施经济、有效调峰” 的解决方案,但“物理储能方式”往往被“资格一”约束而不能扮演“大规模调峰”的角色;而“化学储能方式”始终被“资格二”约束而不能扮演“大规模调峰”的角色。前者属于“地理资源客观性质障碍”几乎不可逾越;后者属于“技术水平主观性障碍”有可能逾越。既然如此,科学家们就把“化学储能方式”作为主要的攻克对象。于是,全世界的相关科学家们始终在不懈的追逐这一目标,但始终与“山头”还有一定的距离。原因就是四个字:成本障碍。
    一评结论:我国“调峰板块”欠账引起电网“峰谷差越来越大”并引起“夜间谷电浪费越来越大”的程度在不断在加大,到了需要深度治疗的时候了。为了摆脱人类困扰,为了拯救“谷电”,不论什么性质的“储能障碍”都不会阻挡科学家的探索步伐。

    二评:由此,有人会提问,利用“储能调峰板块”处方治疗“病态峰谷差”后的效果是什么?回答是:提高电网“电能质量”!

    “峰谷差”是什么?
    “峰谷差” 也称为“峰谷差率”、“负载率” 。主要反映电网最大负荷与最小负荷之间的关系。具体算式是:峰谷差=(峰电负荷—谷电负荷)/ 峰电负荷 。结果用百分数表达。百分数越大意味“峰谷差”病态越严重。
    电能质量是什么?
    通过公用电网供给用户端的电力产品的品质。
    “病态峰谷差”对“电能质量”负面影响是什么?
    “电力产品”不能储存,以光的速度传送到各个负载,不断保持“电力五恒状态”(恒压、恒流、恒频、恒波、恒相)为社会提供电能服务。当然,“电力五恒状态”只是个理想目标,实践运行当中,由于系统中的阻抗负荷、容抗负荷、感抗负荷性质不一且多变,加之调控手段有限,这种理想的状态并不存在,五个要素的状态始终在波动。
    当电网峰电与谷电的差值越大,电网“电力五恒状态”波动就越大,电网调整的能力就越困难,进而对供电侧、用户侧不同设备的负面影响也越大。
    当电网两侧之间林林总总不同性质负载的相互影响,就容易进一步反馈积累,导致电网出现诸如电磁瞬态冲击振荡、短时电压变动、长期电压变动、电压不平衡、电波畸形、直流偏移、谐波、间谐波、陷 波、噪声、工频 变化等异常现象。由此,对一些敏感用电客户影响很大。比如,计算机系统、微电子技术控制的自动化生产流水线、新兴的IT产业、微电子芯片制造等企业,对电能质量的要求和敏感程度比一般电力设备要高得多。因此,任何暂态和瞬态的电能质量问题,都可能造成设备的损坏或运行异常,影响正常的生产,给用户造成严重经济损失。又比如,由于“短时失电”后又重合闸,致使电压突然跌到零或接近零。电压中断将致使一些用户生产停顿,造成重大的经济损失或产生严重的后果。又比如,高炉停电超过30分钟,铁水就要凝固,造成炉体报废,引起重大损失。例如,突然发生的停电更会威胁人身安全:煤矿矿井突然停电时,使风机停转,井下风量不足,空气中瓦斯气体含量过高,引起窒息的人身事故。
    造成以上林林总总令人生僻难解的故障的主要原因就是五个字:病态峰谷差。
   “储能调峰板块”是如何 降低“峰谷差”的?
    根据: 峰谷差=(峰电负荷—谷电负荷)/ 峰电负荷 。  假设,储能调峰之前,峰电负荷为100千瓦,谷电负荷为50千瓦,那么“峰谷差”就是50% ; 储能调峰之后,“储能电源”储存了谷电负荷时段的30千瓦,然后在峰电时段上网,“峰谷差”就会降低为20% 。

    二评结论:“电能质量”不佳会对用户侧造成非常大的直接经济损失和间接经济损失。降低“峰谷差”是决定“电能质量”的前提因素。“调峰”是降低“峰谷差”的唯一手段。“大规模储能调峰”是关乎我国“电网安全”、“谷电浪费”及“电能质量”的重大的命题。

    三评:由此,有人会提问,“储能调峰板块”对电力产业的功效性意义大吗?回答是:非常凸显!
不断增长的“电力需求”迫使国家拿出大量的资金进行电力建设,而“电力高峰需求”往往是几十分钟、几个小时的“阶段性需求”,“高峰”过后大量的电源和电网容量闲置。由此,不仅是浪费建设资金,并且,越来越大的“峰谷差”带来越来越大的电能浪费及“电能质量”的下降。解决这一矛盾的最佳手段就是构建“储能调峰板块”。
    中国“一石二鸟”成语说的是,办“一件事”影响带动另外“两件事”的功效。如果这里要创造“一石九鸟”成语,你肯定说太不靠谱!天下哪有这么好的事。
现实的“储能调峰板块”还真是这石破惊天的“一石”,它在执行“挖掘谷电价值”任务的同时,影响带出了“九鸟功效”:
一鸟功效是:可支撑“电网端”削峰、填谷、调频、调压、抑制谐波等;
二鸟功效是:可帮助“配电端”输配能力增强、电力增容;
三鸟功效是:可协助“发电端”电网负荷调节自如;
四鸟功效是:可捆绑“上网端”间歇电平滑上网;
五鸟功效是:可帮助“用电端”用电时间自由并节省电费;
六鸟功效是:可配合“控制端”随主变负荷变化而变化、实现对主变负载的节能控制;
七鸟功效是:可促进构建“分布式电网”发展步调;
八鸟功效是:可证明“微域电网”在“广域电网”的生存价值;
九鸟功效是:可支撑“传统电网”朝“智能电网”升级的发展进程。
    当然,以上九鸟各个端点,要被影响具体介入“储能”才能名至实归。比如,四鸟功效说的是“间歇电”捆绑“储能”后,就可无障碍平滑上网。如果不与“储能”捆绑会怎么样呢?2010年底,全国风机吊装容量4182万千瓦中,并网容量3107万千瓦,有1075万千瓦未能并网发电。去年上半年,我国风电发了电但无法被人们所用的“弃风”达27.76亿度。今年上半年,甘肃风电基地发生了多起风机脱网事故,给电网平稳运行带来风险。专家指出,如果风电通过“储能”之后上网,以上矛盾就迎刃而解。这就是所谓的“四鸟功效”。
    再比如,九鸟功效说的是:“储能”可支撑“传统电网”朝“智能电网”升级的发展进程。我国《十二个五年规划纲要》中指出,“依托信息、控制和储能等先进技术,推进智能电网建设”。显而易见,“信息”、“控制”和“储能”三要素是建设智能电网的前提因素。也就是说,通过提高“传统电网”的“信息”和“控制”的软技术水平和“储能”的硬技术水平(两软一硬),智能电网建设规划才能循序渐进的推进。
    综上所见,“储能”与“间歇电上网”的关系、“储能”与“智能电网”的关系,不仅仅是互为依托、互为支撑关系,更是“捆绑共生”关系。
三评结论:为“储能调峰板块”创建“一石九鸟”成语名副其实。“储能调峰板块”对电力产业供应链的每个端点都有积极的功效作用。
     四评:由此,有人会提问,“储能调峰”对电力产业的经济性意义大吗?回答是:非常凸显!

“大规模储能调峰”是如何“挖掘谷电价值”的呢?
“大规模储能调峰”把“峰谷差”降下来后,经济性体现在两个方面:直接经济效益是峰电时段可以少发电;间接经济效益是电网“安全性”及“电能质量”提高。
让我们再通过 峰谷差=(峰电—谷电)/ 峰电  公式假设一个案例来分析:储能调峰之前,峰电为100千瓦,谷电为50千瓦,那么“峰谷差”为50% ; 储能调峰之后,“储能电源”储存了谷电时段的30千瓦,然后在峰电时段输电上网,“峰谷差”降低为20% 。
这里需要注意的是,很多人都会误认为,这里只挖掘30千瓦电能;而正确的理解应该是挖掘了60千瓦电能。为什么?用一个小故事解答其中的道理。
大家都知道,抽水储能发电具有“用4发3”的特征。由此,有业内人抱怨:“抽水储能发电” 用4度电才发出3度电,不合算!前国家能源局局长张国宝解释:“表面看4度电换3度电浪费了1度电,但“调节峰谷差”用的电和一般发电性质不同”。部长对“抽水储能发电”经济价值定性很到位,但缺乏定量分析。
定量分析以上案例:峰电时段发电1 00千瓦是最高限制指标。当“储能调峰板块” 在峰电时段把之前储存的30千瓦输电上网后,原来的峰电发电机组就可以减少发电30千瓦。由此我们可以看到,“储能调峰板块”的经济效益是体现在下游身上。
  因此,抽水储能发电具有“用4发3”的特征,应该修正为具有“用4削3填3”特征。即,用4瓦电达到了削峰3瓦填谷3瓦的目的,或者,最简单理解为“储能1贡献2”。
显然,如果相关决策者对以上定量分析认同的话,今后势必对“储能调峰板块”政策支持力度及优惠政策也会有所“调峰”。

四评结论:“储能调峰板块”对电力产业供应链每个节点都具有明显的直接、间接经济意义。应该为“储能调峰板块”的“亏损概念”正名为“储能1贡献2”。

五评:由此,有人会质疑,既然我国电网调峰板块欠账巨大,为什么电网运行也还算正常?回答是:调峰三个子版块中“拉闸限电调峰子板块”贡献最大 !
专家指出,在电网大板块中,“发电板块”与“调峰板块”合理的比例是7比3的关系。我国电力“调峰板块”的构成与众不同、别具中国特色:由“发电侧调峰子板块”、“储能调峰子板块”、“拉(掉)闸限电调峰子板块”组合构成。也就是说,我国电网的“调峰任务”是由这三个子板块的合作承担。为什么说三个子版块中“拉闸限电调峰子板块”贡献最大呢?
原因一、“发电侧调峰子板块” 形同虚设、无能为力。
关于小电站调峰。由于我国“抓大放小”政策,一些本来可为“调峰”起作用的小型煤电站、燃油电站大多被淘汰。从环保的角度出发,这个政策是英明的。
关于大电站调峰。基于我国以“煤” 为主的能源资源禀赋特点,决定了我国以“煤电为主”的电源结构。我国煤电装机中大型“供热机组”占大比重,一方面冬季调峰能力受到限制,另一方面,用高温、高压、高效率、高投资的大机组来“调峰”经济上是不合算,而且对机组的安全、寿命有负面影响;在水电装机中,径流式水电站基本没有能力参加调峰,而大型水利枢纽电站受灌溉、航运、防洪等综合利用影响,调峰能力受很大制约;核电出于安全性和经济性考虑一般不参与调峰。显而易见,造成我国电力系统“调峰板块”持续欠账局面的主要原因,是中国国情下电源结构所决定的。
关于间歇电站调峰。本来指望被赋予“新能源、再生能源、清洁能源美誉”的风电、光伏等间歇电,多多承担调峰的作用,但实际情况倒转身赋予它们“弃电、窝电、垃圾电、电网不安全因素电”的贬誉了。有时,风电的反调峰特性反而增加了电网调峰的难度。由此,间歇电“泥菩萨过河自身难保”,根本不可能为调峰出力了。
原因二、“储能调峰子板块”政策不明、倍感吃力。
其中,对唯一可商业化运作的“物理抽水储能”而言:由于受地理客观因素的约束,并且受“抽水储能调峰电力投资大没有效益”错误观念的影响,本方式的调峰总能量发展的不是太理想;其中,对“化学储能”而言:由于“成本因素”的约束,更重要的是政策支持不到位(国家对“新能源发电”给予了一定的补贴政策,但对“储能技术”却未有相关政策出台。而美国已于2010年正式通过了《储能法案》,其中对储能技术提出了明确的补贴标准),导致我国“化学储能调峰”产业化的雏形阶段,就显得负担重重、方向不明,商业化道路走得倍感吃力。
原因三、“拉(掉)闸限电调峰子板块”立竿见影、歪打正着。
    关于“拉闸限电”做法引起的“各方损失惨重而怨声载道”不属于这里讨论的话题。这里只探讨“拉闸”和“电网掉电”背景事宜。
“电网掉电”是对“峰谷差太大”的自动保护性行为;“拉闸限电”是各地政府为了完成“节能减排目标”的人为行为。然而,不论是“掉电” 还是“拉闸限电”,动机不同但动因都是“电网负荷太大”。也就是说,即便不“拉闸限电”也可能“掉电”。总之,本事态的本质原因就是“我国调峰板块欠账太大” ,即,我国电网“发电板块”与“调峰板块”比例失调造成的。原水利电力部办公厅主任沈根才曾经公开讲过:“拉闸限电在很多时候并不是发电机组不够用,而是缺少调峰电源造成的”。最近,韩国首尔“拉闸限电”和墨西哥首都“电网掉电”影响近千万人的正常生活就是类似的缘故。
至此,如果有人单纯认为“拉(掉)闸限电调峰子板块”属于“虚拟怪胎调峰子板块”那就冤枉它了。其实,正是由于这个子板块的“超值贡献”,使得国家电网“发电板块”与“调峰板块”的比例基本处于安全状态,使得“调峰板块欠账矛盾”被缓解。显然,在“调峰板块”欠账矛盾解决之前,我国电网调峰的重担,还得靠“拉(掉)闸限电调峰子板块”实施“歪打正着”的调峰路线。实属无奈也!
五评结论:造成我国调峰板块欠账的主要原因是我国电力系统“结构先天失衡”造成的。既然“发电侧调峰子板块”无能为力,既然“拉(掉)闸限电调峰子板块”属于过渡形式,那么,加快增强我国“储能调峰子板块”实力,是解决“欠账矛盾” 及“结构先天失衡矛盾”的必然选择。

六评:由此,有人会提问,为什么“物理储能方式”不适合扮演我国“谷电储能大规模调峰板块的主要角色”?回答是:客观局限!

目前来讲,物理储能主要包括:抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能等方式。
抽水蓄能。利用电力负荷低谷时的电能抽水至“上水库”,在电力负荷高峰期再放水至“下水库”发电上网参加调峰。优点:商业化程度高,技术成熟;可储存谷电,适于调频、调相,稳定周波和电压;缺点:建设周期较长、投资较大、规模受地貌影响、转换效率为 65%—75% ;客观局限:不能够任意设置在电网“负荷中心”的一定半径内。
压缩空气储能:利用电网负荷低谷时的剩余电力制造“压缩空气” ,然后将“压缩空气”密封在容器中(诸如报废矿井、山洞、过期油气井或新建储气井),然后在电网负荷高峰期,释放压缩的空气推动汽轮机发电。优点:其燃料消耗比调峰用燃气轮机组可以减少1/3;建设投资和发电成本低于抽水蓄能电站;安全系数高,寿命长;缺点:其能量密度低。客观局限:受岩层等地形条件的限制,不能够任意设置在电网“负荷中心”的一定半径内。总体而言,目前尚处于产业化初期阶段,技术及经济性有待观察。

 飞轮储能:利用电动机带动飞轮高速旋转,将电能转化成机械能储存起来,在需要时飞轮带动发电机发电。优点:效率在90%以上,循环使用寿命长,无污染,维护简单,可连续工作;缺点:能量密度低。保证系统安全性方面的费用很高,小规模无法体现其优势。客观局限:总体而言,目前尚处于产业化初期阶段,技术及经济性有待观察。

 超导储能:利用超导体制成的线圈储存磁场能量。具有响应速度快,转换效率高、比容量大等特点。总体而言,目前尚处于产业化初期阶段,技术及经济性有待观察。

六评结论:已经商业化或即将商业化的各种物理储能方式,均存在不同形式、不同程度的客观性局限,从经济性、有效性、产业化步调等因素综合分析来看,物理储能方式仅仅适宜扮演“储能调峰的辅助角色”。

七评:由此,有人会问,哪一种式“化学储能方式”适合扮演我国“谷电储能大规模调峰板块的主要角色”?回答是:燃料电池!

前面提到,“化学储能方式”被“规模储电容量”所约束,而“规模储电容量”被“一致性技术障碍” 所约束,而“一致性技术障碍”被“成本障碍”所约束。言下之意,能够挣脱这“因果关系约束链条”的电池类型,就会成为“主要角色”。根据目前国内外业内主流观点来看,非“燃料电池”莫属。
关于燃料电池的比较优势:1、洁净、安全的发电装置;2、多燃料系统;3、高效率的发电装置;4、分散型的发电装置;5、与“谷电”捆绑后,可实现大规模商业发电;6、规模稍小的可以建在住宅小区、办公楼、厂区甚至城市的中心地带,可以减少因长距离输送电力而产生的损耗;7、可面向个人用途的超小型燃料电池,可以作为笔记本电脑和移动便携电话的电源。8、常规物理发电能源效率只有30%~40%。而燃料电池可以将能源利用效率提高到70%~80%以上。
关于“储电容量一致性”的重要性:众所周知,储能系统规模电容量,是通过各单元电池的串并联之后获得。因此,各单元电池电容量的“一致性”指标至关重要。大家都有“电池短板效应”的生活经验:如果你把2节新电池和1节旧电池放到A手电筒里;把3个稍微旧但属于一批次的电池放到B手电筒里,此时,A手电筒三个电池加起来的电容量比B手电筒三个电池加起来的电容量要大。然而,往往A手电筒还不如B手电筒可照明的时间长。为什么呢?原因是:A手电筒电源的“一致性”不如B手电筒,内因是A手电筒“能量内耗”比B手电筒大。显而易见,“储电容量一致性”属于“储能技术”的根本性指标,也属于技术难点;“储电容量”规模越大,“一致性”技术难点就越大。
关于“二次电池”与“燃料电池”的擂台赛:从使用方法分类来看,化学储能电池有“一次电池” 、“二次电池” 、“燃料电池”三种分类。“一次性电池”属于使用一次就废弃的电池(应用在手电筒等),不属于我们讨论的范畴。“二次电池”属于“可反复充电使用的电池”,“燃料电池”属于“通过不间断输入燃料持续放电使用的电池。 我们通过对“二次电池”和“燃料电池”进行打擂台比赛,看看“燃料电池”是如何胜出的。
比赛一、“规模储电容量一致性”指标:从化学原理来看,“二次电池”与“燃料电池”是类似的:它们的单体电池都是由正负两个电极及电解质组成。从工作原理来看,“二次电池”的“电容量”是“定量”储存在电池内部,放电完了之后通过“充电”恢复电容量;而“燃料电池”的“电容量”是“不限制电容量” 储存在电池外部,通过不断输入“燃料”连续放电。因此,“燃料电池”就是发电机,“二次电池”就是储电机,这是两者之间本质的区别。正是这个区别,带来两者在解决“规模电容量一致性”技术难点的分道扬镳,以及连带出“承受原材料成本”的分道扬镳。
  “燃料电池”通过“结构层面”保证一致性:一是基于正极是“无形空气”,不牵扯“有型原材料”尺寸、工艺和原材料本身等因素一致性的约束;二是基于活性物质的固相及形貌不发生变化,不一致性概率大大降低。
“二次电池”储存活性物质的固相及形貌必然发生非线性变化;工艺过程保证有型原材料尺寸等因素的“一致性”有很大的难点。因此,只有被动从“技术层面”力争一致性(往往很难保持一致),只有通过后期被动均衡手段去弥补,当然,由此往往要额外付出较高的成本代价。
比赛二、“工作温度”指标:大家都知道,蓄电池在充电和放电过程产生的高温,一直是难以逾越的技术症结。近几个月内,深圳混合动力双层大巴、上海双电(电池+超级电容)公交车和杭州电动出租车相继发生“动力电源”自燃事件。这3辆车的“动力电源”就是由“二次电池”技术制造。由此,我们理解了储能电源的“工作温度”技术指标也是很重要的。显然,也正是两者之间工作原理的不同,也带来两者在解决“安全工作温度”技术难点的分道扬镳,以及连带出“承受控制部件成本”的分道扬镳。
一般来讲“二次电池”的工作温度比“燃料电池”高40%左右,“承受控制部件成本”也明显高许多。原因是什么呢?
我国著名化学教授艾新平解释了“二次电池” 发生自燃或爆炸现象的原因。“二次电池”属于一个密闭的反应体系,在其内部存在系列电化学和化学反应。除了用于储存和释放电能的正常电极反应外,还存在许多潜在的副反应,如电解质溶液的还原和氧化分解、正极的热分解等。当电池处于正常温度范围和正常电压范围时,这些副反应不会发生,电池内部仅发生正常的充电和放电反应,此时电池是安全的。但当电池温度过高,或者充电电压过高时,这些副反应被触发,产生大量的热,并释放出有机小分子气体。由于反应剧烈,产生的热量不能有效传递到电池体外,引起电池内部温度和压力的急剧上升。而温度的上升又会极大地加速副反应的进行速度,产生更大量的热和气体产物,此时电池进入无法控制的自加温状态,即俗称的“热失控状态”,这种情况下,电池有可能发生自燃或爆炸。由此,我国著名汽车工程教授王秉刚认为,在“二次电池”的安全问题彻底解决之前,把它作为公交车的动力电源应该慎之又慎。以此推理,“二次电池”作为储能用途来讲,同样存在“潜在的热失控状态风险”及“内在的成本压力”。
比较而言,“燃料电池”属于半密闭的反应体系,其中一半的反应任务是在体外完成的,因此,基本不存在潜在的副反应。
比较而言,“燃料电池”是微容量化学瞬间反应,工作温度不存在累计升高的背景;“二次电池”是总容量化学累计反应,工作温度容易累计升高。
另外,衡量电池优劣的技术指标非常多。比如,比能量、比功率、转化率等。如果都撇开“成本障碍”因素,除了“比功率”指标外,“燃料电池”都会显出比较优势,由于篇幅有限这里不再赘述。总之,两者之间最主要的几个技术指标属于“结构层面”与”技术层面“的区别,“二次电池”也只有甘拜下风了。比赛就到此为止。
七评结论:通过对“二次电池”与“燃料电池”几个重要技术指标的比较,“二次电池”许多“先天不足”的秉性,只适宜承担储能的辅助角色。
八评:由此,有人会提问,哪一种燃料电池能够逾越“成本障碍”,并适合扮演我国“谷电储能大规模调峰板块的主要角色”?回答是:液流—锌粉—燃料电池!
前面提到,“化学储能方式”的“成本障碍”离“山头”还有一定的距离。从世界范围来看,最接近“山头”的有“氢—燃料电池”、“钒—燃料电池” 、“锌—燃料电池”三种技术路线。言下之意,哪一种技术路线率先逾越“成本障碍”就是胜者。下面,我们还是通过比赛做出裁决。
关于“氢—燃料电池” :
“氢—燃料电池”既以“氢”为燃料的电池。工作原理是:将氢气送到燃料电池的阳极板,经过催化剂(铂)的作用,氢原子中的一个电子被分离出来从而在外电路中产生电流。
“氢—燃料电池”是出道最早、技术最成熟、最环保清洁的电源。从各项技术指标来讲,几乎是尽善尽美。但软肋有三点:其一、氢是高度易燃品,“安全存储和运输”的成本极高;其二、阴极与阳极之间的质子交换膜造价极高;其三、参与化合的“铂金”价格极高。由此,“三个极高”使得它很难逾越“成本障碍” 。难怪,美国总统奥巴马上台伊始,就终止几十年一直对“氢—燃料电池”的联邦科研预算,转拨给其他技术路线的新能源项目。目前,氢电池单元部件的成本是磷酸铁锂电池的5倍多。
关于“钒—燃料电池” :
“钒—燃料电池”既以“钒”为燃料的电池。工作原理是基于金属钒元素的氧化还原电池储能系统。
    “钒—燃料电池”是出道较晚就初露锋芒、技术成熟、环保清洁的电源。与其它化学电源相比,钒电池具有明显的优越性,主要优点如下: 1、功率大; 2、容量大; 3、效率高; 4、寿命长; 5、安全性高;6、选址自由度大。国内某企业对该技术的开发水平已进入国际先进行列。
但软肋有三点:其一、能量密度低引起的建设、空间成本较高。比如,能量密度是锂电池的十分之一。这意味着储同样的能量体积则是锂电池的10倍;其二、阴极与阳极之间的质子交换膜造价也比较高;其三、系统构成较复杂,对工作环境温度要求较高(温度太高太低都不行)造成配套成本较高;由此,“三个较高”使得它也很难逾越“成本障碍” 。目前,钒电池单元部件的成本是磷酸铁锂电池的2倍多。
 关于“锌—燃料电池” :
    “锌—燃料电池”既以“锌”为燃料的电池。工作原理是:利用空气中的氧气和金属锌在催化剂的作用下进行反应而产生直流电。
“锌—燃料电池”是出道很早的清洁电源、技术难点较多。与其它化学电源相比,主要优点如下: 1、比能量大; 2、容量可大可小; 3、效率高;4、安全性高;5、价格低。
但软肋有三点:其一、“锌”的氧化过程容易结晶,并容易导致电池内部短路引起电池寿命的衰减;其二、“锌”反应过程极易“钝化”,从而导致化学反应衰减;其三、“锌”反应过程易“自放电”, 从而导致电容量衰减。由此,“三个衰减技术难点”使得它商业化道路上产品路子比较窄、生存压力较大。
在此,提请大家注意的是,“锌—燃料电池”是三种电池中唯一不是受“成本障碍”所约束,而是受“技术难点”所羁绊。言下之意,“技术难点”如果被征服它就可能成为优胜者。
实际上,“三个衰减技术难点”都是由“锌—燃料电池”中的“锌板”惹的祸。“锌板”是由锌粉粘合压制而成。“锌板”是在静态电解液的腔体中,按照既定的化学反应程式工作。随着时间推移,其表面被一层氧化锌逐渐附着包裹,正常的化学反应被抑制,负极活性物质并没有真正的充分反映,电压电流随之逐步衰减,直到无电可放。由此造成了“三个衰减”。
独辟蹊径往往带来柳暗花明又一村。国内某企业解决矛盾手段是:把静态电解液改为“液流”动态后,相关技术指标开始好转;之后,再创新再升级的手段是:将“锌板”改为“锌粉”后,单位时间“被氧化”的效率陡然提高,相关技术指标奇迹般产生飞跃。当然,伴随二次升级换代过程出现的新矛盾也被一一化解。解决了诸如抗腐性碳用于空气电极基体、新氧电极催化剂、新锌电极等业内世界技术难点,并开辟了一些新技术分支,申报了若干国际、国内专利。该技术经法定部门检测显示,众多指标达到世界先进、领先水平。
这就是“锌—燃料电池”演绎成“液流—锌粉—燃料电池”故事。目前,该电池单元部件的成本是二次电池—磷酸铁锂电池的80%左右;是“钒—燃料电池”成本的25%左右。
  关于 “液流—锌粉—燃料电池”主要技术指标  : 
    衡量电池优劣的技术指标非常多。通过横向、纵向与其他类型电池比较,该电池具有“五高一低”特征:即高比能量、高能量转化率、高性价比系统、高安全稳定、高循环利用、低碳零污染六个方面。具体解释如下:
高比能量——比能量可做到400-1000kw/kg,国际领先,如果作为电动汽车动力电源续航里程达400公里以上(另外,“比功率”达到60-180w/kg,超美国同类技术。 )。
高能量转化率——转换率达83%(1公斤锌粉发1度电,还原1公斤锌粉需要1.2度电)。
高性价比系统——“锌”材料比锂、钒等成本低很多;循环利用燃料;设备简练;运行环境友好等因素,造成系统成本较低。
高安全稳定——体现在三个方面:
一是应用安全方面。该技术“燃料电池”的物理、化学安全性能,远超出其他类似产品。锌的运输、作业过程,不存在高温爆炸问题,也没有化学污染现象;零下20度到50度及高海拔情况下性能基本不受影响;
二是运行稳定方面。众所周知,电池总容量是通过各单元电池的串并联之后获得,因此,各单元电池势能“一致性”指标至关重要。该技术是通过“结构层面”保证一致性:第一、系统的存储容量与额定功率相互独立,存储的电量取决于氧化锌的数量。由此,根据工艺用途,放电和充电既可以是两个相互独立的系统、又可以交替进行、又可以同时进行;第二、基于正极是“无形空气”,不牵扯“有型原材料”尺寸、工艺和原材料本身等因素一致性的约束;第三、基于活性物质的固相及形貌不发生变化,不一致性概率大大降低。而其他类型电池的活性物质的固相及形貌发生非线性变化,并且克服“有型原材料”尺寸、工艺等因素一致性的约束有很大的难点,只有被动从“技术层面”力争一致性(往往很难保持一致),或通过均衡等方法实现。由此,往往要付出较高的成本代价。
三是资源安全方面。锌是我国第四储量金属,仅次于铁,达9384万吨,居世界第四位。假如中国以“锌”替代“石油”作为汽车动力能源,不会存在“石油对外依赖程度不断升级后的国家能源安全问题”。
高循环利用——该技术的正极是“空气“,取之不尽用之不竭;负极“锌粉”只是作为燃料循环使用,被封闭循环利用的介质而已。而其他技术“二次电池”所用锂、镍、铁、铅等介质载体属于“不可逆”。因此,该技术不存在“二次电池”早充电、过充电、过放电、浅度放电、电极板遇热变形等顾虑。
低碳零污染——该技术所牵扯的全产业链,除上游锌矿采掘、冶炼环节属于传统环境状态外,下游各个环节均可驾驭在“优良环境指数”状态——零污染,不存在任何化学污染现象;不像有的电池技术的作业过程污染环境;也不存在诸如“铅酸充电电池”生产过程及报废后属于重度污染物的伤脑筋事宜。
关于 “液流—锌粉—燃料电池”问世的社会意义 :
至此有人会问,我国诞生了“性价比国际领先”的液流—锌粉—燃料电池意味着什么呢?
众所周知,电力产业是国民经济重要的支柱产业,也是体现国家竞争力的标志性产业。当下,“清洁新能源”世界竞赛是关乎世界工业格局、能源格局的最重要的赛事。国际上多种技术路线及我国个别“大容量化学储能”技术路线,都在紧锣密鼓的推进,都想抢先一步攀登目前“世界上最有社会、经济价值之一的珠穆朗玛”。显而易见,重视“谷电大规模化学储能调峰板块”产业的快速推进,对中国电力产业乃至整体产业升级来讲,都是百年难遇的历史机遇。
近期召开的“中国储能技术峰会”上某院士指出:中国的储能技术决定着新能源的未来发展。国务院专家委员会主任徐锭明说:储能是中国新能源革命中的重要一环,不能再与世界的发展失之交臂。
锌,儿童缺了发育不好,成人缺了生育不好,化妆缺了效果不好,轮胎缺了质量不好,然而,把它变成“新能源”真还是新鲜事。“锌与氧气结伴可以放电”人类已经知道一百多年了,可把“锌”变成具有商业化价值的“能源”,可是中国人办的事。其演绎过程的辛苦曲折堪比当年玄奘西天取经;其历经5840个日日夜夜磨砺及数百次试验的“锌史”,值得令国人肃然起敬。如果“锌”的梦变为现实,其“减碳价值”与“干干净净”特点可与“核电”媲美;而其“燃料长生不老”特点与核电的“核废料难处理”特点比较却是冰火两重天;而其“平平稳稳安安全全”特点与核电的“意外事故难处理”特点更是阴阳两重天。如果“锌”有机会担当中国电网的“储谷电调峰”的主要角色,其用20天时间就能发出三峡一年的电量来,且两者之间“投入产出之比”会是天壤之别。显而易见,“锌的储能与发电”是当下众望所归的“低碳清洁新能源”,把它赋予“中华新能源”当之无愧!
八评结论:“中华新能源” 世界首创,主要技术指标国际领先,性价比优势明显,适合扮演我国“谷电储能大规模调峰板块的主要角色”。
 
九评:由此,有人会提问,利用“中华新能源”构建我国“谷电大规模化学储能调峰板块”可操作的商业模式有吗?回答是:有!

关于发现“中华新能源”的背景:“哲学史剃刀定律”富有启迪意义:简单问题复杂简单;复杂问题简单复杂。中国储能发展轨迹,正印证了这样的逻辑演绎路径。显然,任何新事物,最终要把复杂的问题简单化,才具有可操作性。
解国家之困扰匹夫有责。笔者当过电工,学燃油发动机工科专业,热衷于环保、新能源发展趋势的研究,对我国电力产业调整与发展的困局跟踪关注由来已久。对如何把“由技术、政策、市场等多因素相互纠葛的复杂困局简单化处理”颇感兴趣。笔者经多年的调查研究、多次参观国际、国内专业展览会,以“储能调峰”为介入点,横向、纵向比较了国内外数种技术后,并认真分析了我国“储能调峰”困局的前因后果。
本文是笔者在2009年深圳高交会了解后、跟踪二年多后的心灵触动及有感而发。由此,笔者深刻意识到,新的产业“失之毫米”的非理性开端,就会有“差之千里”经济后果。两者之间社会资源的有效利用与无效浪费有天壤之别。作为一个有良知的老工程人员,应该发挥余热尽匹夫之责!于是,就有了这样的“九评”与大家见面。本事态是由技术密集争鸣、政策密集波动、市场密集或然三大因素纠结在一起,试图“讲清楚”都不是一件容易的事。为了能让“外行人看得懂、内行人能接受、决策人能理解”,经反复揣摩就形成了类似“形势评论+科普读物+报告文学”的“九评”特殊文体。期待大家笑纳!
关于“中华新能源”项目基本背景。很幸运!该技术知识产权完全属于国内一家公司。该技术是该公司十七年潜心研究的成果。该技术最早主要围绕“小轿车动力电源”的研究。十年前该技术曾引起江总书记亲临关注、前科技部部长曾八次考察、十多个院士曾亲临指导。基于该公司清楚认识到“充电式纯电动车”不适应中国国情,就下定决心研制“类似加油动力电源”。经过数年呕心沥血、心甘寂寞的潜行,终于在第三代动力电源技术身上具备了“类似加油”功效。尽管“动力电源”不论从应用角度还是技术要求,比“储能电源”要求更高一些,但重要的是,该公司发现该技术如果应用在“储能”领域,更能体现它的价值,可解中国电力调峰燃眉之困惑。因此,该公司三年前专门组织技术力量实施“储能计划”。
关于“中华新能源”世界首创的储能技术:今年6月,笔者现场考察了在秦岭峡谷中,用该技术实践的“风光储发电自动化系统”示范基地。该系统把风电和光电作为“中华新能源”燃料循环的能源,不断把“氧化锌”还原为“锌”,“中华新能源发电机”就有了持续不断的发电能力。基于该系统“风电、光电、储电、发电四者有效的捆绑”与“燃料循环过程的有效自动化控制”两个特征,加上“极少人工管理”及“长年后仅仅更换小材料”两个因素,“中华新能源发电机”具有了“准永动机电源”属性。本示范基地同时也证明了“七鸟功效”的“分布式电网”及“八鸟功效”的“微域电网”可操作性。重要的是,该系统展现了储存电能——转换效率——成本控制——自动化控制全过程的世界首创。
下面通过与其他技术的比较,来阐释那一节点属于世界首创:
与“二次电池” 储能技术的特征比较:
新能源1 号:“储能发电—双体系—单容量—燃料闭循环自动化控制” 特征。
二 次 电 池:“储能发电—单体系—双容量—充电非闭循环自动化控制”特征。
通过“分解对比”更好理解:
其一、“中华新能源”的“双体系”指——“发电”与“储电”在各自的容器中工作,“发电功率”与“储电容量”通过各自容器空间尺寸的变化而变化,可满足用户的任意细分需求。 “二次电池”的“单体系”指——“发电”与“储电”在一个容器中工作,“发电功率”与“储电容量”已经被容器极板面积格式化定型,不能满足用户的任意细分需求。即,“储能”与“发电”时间坐标是不同区间的独立操作。本区别是“中华新能源”的性能优势核心要素之一。
其二、 “中华新能源”的“单容量”指“调峰目标容量”等于“储能装置容量”;“二次电池”的“双容量”指“调峰目标容量”等于“二倍储能装置容量”。 比如,“调峰目标容量”是 1兆瓦, “储能装置容量” 等于2兆瓦。造成如此分野的原因正是以上“双体系”与“单体系”之别。即,“双体系”结构配“单容量储电装置”就满足储电调峰目标;“单体系”结构一般要配“双容量储电装置”才能满足储电调峰目标。本区别是“中华新能源”的成本优势之一。
其三、“中华新能源”的“燃料闭循环自动化控制”指作为“储能”介质的“燃料”被自动化循环利用,“燃料”始终处在“被氧化又被还原又被氧化”的电化学闭循环反应状态,“锌”永远存在。 “二次电池”的“充电非闭循环自动化控制”指作为“储能”介质的“活性物质”被充电次数所约束,“活性物质”始终处在“逐步衰减”的电化学闭循环反应状态。这是“中华新能源”的成本优势之二。
与“液流—钒—燃料电池” 储能技术的特征比较:
“液流—锌—燃料电池”:“储能发电—双体系—单容量—单电堆单循环—燃料闭循环自动化控制”特征。
“液流—钒—燃料电池”:“储能发电—双体系—单容量—双电堆双循环—燃料闭循环自动化控制”特征。
可以看出,两者之间只有“单电堆单循环”与“双电堆双循环”的区别,其他特征是一致的。
“液流—锌—燃料电池”的“单电堆单循环”指“发电”和“还原”由一个循环体系实施;“液流—钒—燃料电池”的“双电堆双循环”指“发电”和“还原”由两个体系实施。比较而言,从设备配置、设备空间、运行流程、系统成本等因素来看,前者具有比较优势。另外,从燃料成本比较,“锌”是“钒”的三分之一左右。再有,作为燃料的“锌粉”与“钒电堆”比较,前者的“比表面积”远远优于后者,因此,前者的“能量转化率”是转换率达83%,后者“能量转化率”是65-75% ;另外,前者的“比功率”也高于后者。
关于商业模式基本原则:任何优秀的技术项目,要靠制定符合国情的政策路线、市场路线合力构建“可操作商业模式”去推动,否则多好的项目也只有锁在抽屉里。
其一、政策路线基本原则:
1、我国电力体制改革“打破垄断”被列为第一目标。“储能调峰板块”属于技术密集、投资密集的新增加空间,没有历史沉淀的包袱,“打破垄断”在这个范畴实施应该比较简单。
2、我国电力体制改革“形成激励清洁电源发展的新机制”被列为目标之一。“储能调峰板块”具有“自己亏损盈利整体”营业特征,应该理解它的系统经济价值,制定相适应的优惠政策。
3、我国电力体制改革“开展发电企业向大用户直接供电的试点工作”被列为目标之一。“储能调峰板块”属于“再生能源”范畴。根据我国《可再生能源法》确立的“可再生能源发电全额保障性收购制度”,落实 “储能调峰板块上网电即为卖出”(国家电网规定卖出价)操作模式是完全符合政策的,也能体现“本改革目标之一”迈出实质的性一步。
4、业内专家认为,“储能”分三个环节:第一个是技术开发环节,第二是设备制造环节,第三是终端利用(上网)环节。政府应该去贴第一和第三个环节,而非中间环节。
5、“储能调峰板块”符合“合同能源管理”认定,应该享受相关税负政策。
其二、市场路线基本原则:
首先,要斟酌如何与国家电网的谷电资源如何有效整合?其次,要斟酌如何与“九鸟各个端点”紧密的结合?再次,如何推广“燃料电池”技术路线,避免更多的社会资源浪费;再次,诸如新技术的标准制定、知识产权的保护与推广、新生产设备研制与定型、人力资源的整合培训、成本价格的优化等等很多事宜要做,很长的路要走。
以上八个评论的八个结论,是八个复杂问题简单化的结果。如果把这八个结果进一步简单化,就演绎出推动本事态发展的“最简单解决方案”——
九评总结论:我国电网“峰谷差越来越大”对“电能质量”负面影响也越来越大,并且,相伴引起我国电网运行20天累积浪费的“谷电无效负荷”电能,相当于三峡一年的发电量。我国电网峰谷差的病态程度,已经到了需要深度治疗的时候了。加快构建我国“谷电大规模化学储能调峰板块”是深度治疗的唯一主要手段。
降低“峰谷差”是解决“电能质量”、“浪费谷电”矛盾的前提因素;而“调峰”是降低“峰谷差”的唯一手段。因此,“谷电大规模燃料可循环化学储能调峰”是关乎我国电力产业的重大的命题。
造成我国“调峰板块欠账”的主要原因是电力系统“结构先天失衡”。加快增强我国“储能调峰板块”实力,是解决矛盾的必然选择。然而,“储能调峰板块”所扮演的直接经济效益为“储能1贡献2”、 间接经济功效为“一石九鸟”的角色被很多人所忽略,应该从政策层面为其正名并发扬光大。
物理储能方式的客观性局限及“二次电池”的“先天不足”秉性,可定性它们只适宜承担储能调峰的辅助角色。“中华新能源” 世界首创,主要技术指标国际领先,性价比优势明显,适合扮演我国“谷电储能大规模调峰板块”的主要角色。
构建我国“谷电大规模化学储能调峰板块”可操作的商业模式=到位的优惠鼓励政策 + 上网即卖电 + 推广“中华新能源”技术路线。
纵观世界“储能技术大赛”现状,如果按照本商业模式启动并健康发展,中国有实力成为优胜者!