鋰電世界  （一）國家電網(wǎng)張北風(fēng)光儲輸項目

    應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的儲能系統(tǒng)需要兼具功率密度和能量密度兩大特點，現(xiàn)有的這些化學(xué)儲能技術(shù)中，理論上只有鈉硫電池、鋰離子電池、鎳鎘電池等少數(shù)幾種儲能技術(shù)較為合適，但是，這幾種儲能技術(shù)都存在各自的問題需要解決，如鋰離子電池需要復(fù)雜的管理系統(tǒng)、成本很高，鎳鎘電池的壽命短、毒性問題無法解決，鈉硫電池的安全問題很難解決，等等。但總的來看，鋰離子電池相對更被看好，于是大家都在積極開展相關(guān)示范運行工作。國家電網(wǎng)張北風(fēng)光儲輸項目就是以鋰離子電池的試應(yīng)用為主。

    該項目位于河北省張家口市的張北縣和尚義縣境內(nèi)，是國家“金太陽”項目重點工程，由國家電網(wǎng)旗下國網(wǎng)新源控股有限公司具體實施。該項目的投資主體是國家電網(wǎng)，科技部和財政部僅僅提供部分科研項目經(jīng)費和金太陽工程補助。這是中國首個風(fēng)光儲輸示范項目，同時也是目前世界上規(guī)模最大，集風(fēng)電、光伏發(fā)電、儲能及輸電工程四位一體的可再生能源項目，是國家電網(wǎng)建設(shè)堅強智能電網(wǎng)首批重點工程中唯一的電源項目。

    該項目希望達到的目的主要有：①以儲能來平緩風(fēng)電與光電的波動；②希望通過儲能來矯正風(fēng)電預(yù)測偏差；③希望利用儲能削峰填谷；④希望通過儲能可以調(diào)整新能源出力。

    這也是針對新能源電力大規(guī)模并網(wǎng)尚存的技術(shù)瓶頸來設(shè)定的。目前影響新能源大規(guī)模并網(wǎng)的技術(shù)瓶頸主要有三點：①調(diào)峰問題，需建設(shè)大量的備用容量和調(diào)峰電源；②電力安全問題，風(fēng)電和光電出力多變和瞬間沖擊，影響電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性及頻率穩(wěn)定性；③電能質(zhì)量問題，風(fēng)電和光電大規(guī)模并網(wǎng)常常會引起電壓水平降低，風(fēng)機中的電子設(shè)備會帶來諧波污染，影響電能質(zhì)量。

    選定張北壩上地區(qū)是因為這里有著豐富的風(fēng)能和太陽能資源。另外，當(dāng)?shù)赜秒娦枨笮?，無法消納當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)光發(fā)電電力，需運輸?shù)诫x該地較近的離京津唐電網(wǎng)負荷中心。只是，風(fēng)光發(fā)電出力忽大忽小，時有時無，在沒有足夠數(shù)量的其他電源匹配調(diào)峰的情況下，并網(wǎng)時往往會導(dǎo)致電網(wǎng)運行不穩(wěn)定。這也是京津唐電網(wǎng)負荷中心不太愿意接納張北新能源電力的主要原因。因此，該地具備中國新能源開發(fā)利用的基本特征，在此設(shè)立一個示范項目，對破解電網(wǎng)接納大規(guī)模新能源技術(shù)難題具有很重要的意義。

    張北風(fēng)光儲輸示范項目總規(guī)劃建設(shè)風(fēng)電50萬kW、光電10萬kW，需要用到儲能裝置7～11萬kW；其中一期工程在張北縣境內(nèi)，規(guī)劃建設(shè)10萬kW的風(fēng)電（小東梁風(fēng)電場4.9萬kW+孟家梁風(fēng)電場4.9萬kW）和4萬kW的光電（大河光伏電站），需要采用2萬kW的儲能電池，以kWh計算，儲能電池總?cè)萘扛哌_9.5萬kWh；另外，一期項目還需配套建設(shè)220kV智能變電站1座。該項目一期工程總投資33億元，其中儲能電池購置經(jīng)費4億元。該項目已于2011年12月25日正式宣布建成，投入試運行。

    從圖5可以看到，該項目的技術(shù)核心是聯(lián)合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)，國家電網(wǎng)稱該系統(tǒng)為自主開發(fā)。該系統(tǒng)可根據(jù)調(diào)度曲線以及風(fēng)力、光照的情況對儲能裝置、風(fēng)電機組及光伏陣列進行優(yōu)化控制，從而將具有波動的風(fēng)電、光電轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)電力。

    2012年09月新華社記者曾對該項目進行過一次實地采訪。該電站生產(chǎn)部主任劉漢民博士解釋說“當(dāng)風(fēng)電、光伏發(fā)電出力足夠時，可將多余的發(fā)電出力儲存到電池中；一旦風(fēng)光出力不夠時，儲能系統(tǒng)就可以放出電量。而這一切，是通過聯(lián)合發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的。它是整個風(fēng)光儲電站的‘大腦’，可改善風(fēng)電、光伏出力的波動性和間歇性，使之安全穩(wěn)定地并入電網(wǎng)運行?！迸c此同時，國家電網(wǎng)還自主開發(fā)了一套儲能監(jiān)控系統(tǒng)，二者結(jié)合，可實現(xiàn)與上級調(diào)度無縫連接。

    對于不同的風(fēng)光發(fā)電比例以及不同的儲能配比所可能出現(xiàn)的結(jié)果，國家電網(wǎng)也做了認真研究，見圖6，這都是根據(jù)張北地區(qū)的實際情況模擬的。從圖6上可以看到，國家電網(wǎng)認為，新能源發(fā)電（本項目僅指風(fēng)力發(fā)電+光伏發(fā)電）規(guī)模與儲能裝置規(guī)模比為3:1時，從經(jīng)濟性和平滑效果來看，能達到最佳結(jié)合。從張北項目一期工程來看，配比為7:1，接近圖中7.5:1的綠線，平滑效果：波動量≈10%/小時。

    在各種儲能技術(shù)中，國家電網(wǎng)內(nèi)部詳細比較了各自的優(yōu)缺點（主要是考慮技術(shù)風(fēng)險控制、裝置多樣性，同時兼顧工程的示范意義），最后選中了鋰離子電池、釩電池和鈉硫電池，其中鋰離子電池選擇的是磷酸鐵鋰路線。從上海電力設(shè)計研究院的一份資料（見表2）來看，國際電網(wǎng)認為就實際工程而言，磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)綜合性能最好，其次是鈉硫電池，而釩電池最差。據(jù)此，國家電網(wǎng)確定三種儲能技術(shù)的配置原則。表3是該項目儲能電池最終的采購清單及中標(biāo)情況，也印證了這一點。該項目于2011年03月23日和04月15日發(fā)布了兩次儲能設(shè)備采購招標(biāo)公告，其中03月23日的是鋰離子電池，04月15日把液流電池（釩電池）補充進去，只是，截至現(xiàn)在也沒有發(fā)布鈉硫電池的招標(biāo)公告。

    從2011年12月25日國家電網(wǎng)張北風(fēng)光儲輸示范項目一期工程投入試運行至2012年09月供約9個多月的時間，累計發(fā)電2.2億kWh（其中風(fēng)光發(fā)電比例約4:1）。當(dāng)然，該項目成功試運行的意義不在于發(fā)了多少電，而在于在無任何工程實例可參考的條件下，探索出一條世界首創(chuàng)的風(fēng)光儲輸聯(lián)合發(fā)電運行模式，即通過風(fēng)、光、儲的七種組合發(fā)電方式，與平滑出力、跟蹤計劃、系統(tǒng)調(diào)頻、削峰填谷四種功能的結(jié)合，實現(xiàn)多組態(tài)、多功能、可調(diào)節(jié)、可調(diào)度的聯(lián)合發(fā)電運行方式。

    國家電網(wǎng)張北風(fēng)光儲輸示范項目一期試運行的自我總結(jié)是：實現(xiàn)了風(fēng)光儲互補機制及系統(tǒng)集成、全景監(jiān)測與協(xié)調(diào)控制、功率預(yù)測、新能源電力與電網(wǎng)協(xié)調(diào)、大規(guī)模儲能技術(shù)等5大技術(shù)突破，完成了聯(lián)合發(fā)電智能全景優(yōu)化控制等10項以上自主設(shè)備研發(fā)，并獲得了儲能控制策略等20多項技術(shù)創(chuàng)新。

    目前，對于儲能裝置的配備，國家電網(wǎng)得出的總體結(jié)論是：現(xiàn)有儲能技術(shù)基本能滿足風(fēng)電和光電并網(wǎng)的功能性需求，但儲能電池的壽命、安全性和經(jīng)濟性方面還存在問題。僅從經(jīng)濟性方面來看，根據(jù)該示范項目測算，平均每kW風(fēng)光發(fā)電所需的儲能裝置投入為2萬元；據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，20%的儲能可以解決風(fēng)電并網(wǎng)的大量問題。這就意味著，中國2011年底4,700萬kW的風(fēng)電裝機總量，若全部配備儲能需要一次性投入近1,880億元。一次性投入巨大，誰來買單？是發(fā)電企業(yè)，還是電網(wǎng)，還是用電的消費者？

    2011年中國累計風(fēng)力發(fā)電總量為890億kWh，若以0.5元/kWh的電價計算，如果棄風(fēng)高達15～35%，實際損失也就只有78.52～239.61億元。如以鋰離子電池或鈉硫電池的壽命可以長達10年計算，1,880億元的總投資攤薄至每年的投資也接近200億元。相比較之下也就不難理解為什么很多人寧愿選擇棄風(fēng)。當(dāng)然，賬不能簡單這么算，如果張北項目的鋰離子電池能夠同時用于附近京津地區(qū)的電動汽車，那其經(jīng)濟效益將無法估量。這也是很多企業(yè)不惜代價去進行嘗試的主要動力。我們期待鋰離子電池在電網(wǎng)級儲能市場早日實現(xiàn)商業(yè)化、規(guī)模化應(yīng)用。

    （二）松下的電網(wǎng)儲能試驗項目

    松下計劃開發(fā)能夠通用于家庭儲能系統(tǒng)和電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的動力鋰離子電池模塊化技術(shù)，相關(guān)業(yè)務(wù)始于被松下兼并的三洋電機。三洋電機大型蓄電業(yè)務(wù)部副業(yè)務(wù)部長花房寬曾于2011年06月時對媒體表示：“原先認為是5～10年后家用蓄電池才可能上市，311地震之后，時間很可能大幅提前。”

    技術(shù)在線2011年06月14日報道，三洋電機已經(jīng)面向日本市場推出了一款錄像機大小、容量為1.6kWh的儲能電池模塊。這個模塊由312只18650電池組成，三洋電機稱這樣一個模塊為1組電池。目前，三洋電機正在以組為最小單位，加速推進家用及商用儲能系統(tǒng)的實用化。三洋電機表示，如果使用4～5組電池，可用作便利店的緊急電源；如果組合使用1,000組電池，可以確保1,500kWh的電容量，便可用作中型醫(yī)院的電源。三洋電機表示，通過組合使用多個作為電池單元集合體的電池組來適應(yīng)具體用途的電源，這種可任意擴展的特性正是三洋電機獨特的優(yōu)勢所在。

    在位于兵庫縣加西市的三洋電機的工廠中，1,000組31.2萬只電池單元組成的巨大的儲能系統(tǒng)正在進行實證試驗。由于每個電池單元的性能不完全一致，有些參差不齊。據(jù)稱目前正在一邊管理電壓降低情況、電流流動情況及發(fā)熱程度，一邊對充放電進行控制。對于18650電池用于儲能領(lǐng)域的安全性問題，花房寬表示，三洋電機的18650電池月產(chǎn)3,500萬只，截至目前全球供貨量已累積達到50億只，從來沒有出現(xiàn)過發(fā)熱及起火事故，安全性不存在問題。更為重要的是，位于兵庫縣洲本市及德島市的鋰離子電池工廠已建成大規(guī)模量產(chǎn)體制，因此，將18650電池儲能用，具有非常明顯的成本優(yōu)勢。

    三洋電機的HIT太陽能電池是全球光電轉(zhuǎn)換效率最高的太陽能電池之一，同時，鋰離子電池市場份額全球第一。如何把自己的這些綠色能源技術(shù)整合到一起，一直是三洋電機追求的目標(biāo)。在被松下兼并以后，在整合松下和三洋電機出色的電池管理和控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，三洋電機加快了開發(fā)“智能能源系統(tǒng)（SES）”的步伐。SES可以利用太陽能電池發(fā)電，再利用鋰離子電池系統(tǒng)儲能并平穩(wěn)輸出電能。體現(xiàn)這一規(guī)劃的結(jié)果就是三洋電機于2010年10月18日面向媒體公開的“加西綠色能源工業(yè)園區(qū)”，上面提到的1,000組儲能模塊的實證試驗正是其SES試驗的一部分，這個試驗試圖建立一個成熟且完整的兼具創(chuàng)能、儲能和節(jié)能的能源綜合管理與應(yīng)用系統(tǒng)。

    該項試驗工程共投資約50億日元，導(dǎo)入了1MW的太陽能發(fā)電系統(tǒng)、1,500kWh的儲能系統(tǒng)以及控制多種節(jié)能設(shè)備的SES系統(tǒng)等。三洋電機提出了將“CO2排放量削減25%”的目標(biāo)，每年將削減2,480噸的CO2排放量，同時，三洋電機希望通過這項試驗，找到“家庭、大樓、城市三位一體能源解決方案”。從這可以看到，松下和三洋電機瞄準了未來智能城市建設(shè)這個巨大市場。

    在園區(qū)的入口處有一棟儲能電池大樓，放置著這套當(dāng)時“全球規(guī)模最大”的鋰離子電池儲能系統(tǒng)，可滿足150戶普通家庭一天的電力消費量。在一樓大廳里設(shè)置了SES數(shù)字顯示屏，實現(xiàn)能源“可視化”的同時，可實時提供發(fā)電量、蓄電量、節(jié)能效果等數(shù)據(jù)，隨時監(jiān)控儲能系統(tǒng)的電壓、電流、溫度等重要指標(biāo)情況，從而對充放電進行合理有效的控制，以實現(xiàn)性能的最大化。

    （四）日本宮古島“離島微型電網(wǎng)系統(tǒng)實證試驗”與東芝的鈦酸鋰電池

    2010年01月18日，東芝對外宣布，接到了日本沖繩電力公司2010年秋季將在宮古島開始的“離島微型電網(wǎng)系統(tǒng)實證試驗”相關(guān)設(shè)備的一攬子訂單。根據(jù)要求，東芝將構(gòu)建以儲能電池平衡功率變動劇烈的可再生能源負荷的新一代電力系統(tǒng)。真鋰研究認為，這是探討?yīng)毩⒐╇娤到y(tǒng)的一個有代表性的嘗試工作，對于中國來說應(yīng)該非常具有借鑒意義。因為，中國大陸太陽能和風(fēng)能資源豐富的地方，一般都是電網(wǎng)沒有覆蓋到的地方。

    宮古島的試驗是在其現(xiàn)有的火力發(fā)電（2.15萬kW+4萬kW）、燃氣輪機發(fā)電（1.5萬kW）及風(fēng)力發(fā)電（900kW×4座，600kW×1座）的基礎(chǔ)上，新增太陽能發(fā)電系統(tǒng)（3MW及1MW，由夏普提供）及儲能電池系統(tǒng)（4MW及200kW）。預(yù)定在利用儲能電池平衡變動劇烈的風(fēng)力發(fā)電及太陽能發(fā)電的輸出功率的同時，驗證電壓上升、剩余電量解決對策及頻率調(diào)整等系統(tǒng)穩(wěn)定性。此次的實證試驗已被選入日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省資源能源廳公開征集的“平成21年度海島獨立型系統(tǒng)新能源導(dǎo)入驗證事業(yè)”之中。

    東芝在這個實證試驗中的任務(wù)分工是：一攬子提供電池組、功率調(diào)節(jié)器、通信網(wǎng)及控制電力供需監(jiān)控系統(tǒng)“μEMS”（Micro Energy Management System，微型能源管理系統(tǒng)）。按照東芝的介紹，μEMS相當(dāng)于智能電網(wǎng)的大腦，是一項核心技術(shù)，它與電力公司共同協(xié)作來實現(xiàn)電網(wǎng)內(nèi)調(diào)節(jié)供求的功能。

    μEMS的基本工作流程是：對各電源的供電情況以及電網(wǎng)內(nèi)的電力消耗情況、是否有供電不足等進行監(jiān)測，并根據(jù)需要實現(xiàn)最佳的電力調(diào)配。在這個流程中，東芝還研發(fā)了計算、監(jiān)測電力消耗情況的系統(tǒng)。即“智能電表”和“電表數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)MDMS（電表數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）”。智能電表安裝在家庭、寫字樓、工廠等各個需求端，分別計測耗電量。計測數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)按一定時間間隔送到MDMS匯總。

    宮古島的人口較多，約為5.5萬人，是一個人口較多的地區(qū)。在宮古島的試驗中，4MW的太陽能發(fā)電系統(tǒng)有3MW作為百萬瓦太陽能設(shè)置，另外1MW中的600kW設(shè)想用于工廠、400kW設(shè)想用于住宅。不過，整個試驗不會在實體工廠及住宅中分別設(shè)置太陽能發(fā)電系統(tǒng)，而是集中在一處，統(tǒng)一進行電力需求模擬。

    在儲能電池方面，除了將4MW的NAS（鈉硫電池，由日本礙子制造）與電力系統(tǒng)相互連接之外，還將在住宅設(shè)置200kW的鋰離子電池系統(tǒng)。設(shè)想將4kW的太陽能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置于100戶住宅，在25戶住宅每戶設(shè)置8kW的鋰離子電池系統(tǒng)。這200kW的鋰離子電池系統(tǒng)用的就是東芝的SCiBTM鋰離子電池（錳酸鋰+鈦酸鋰組合）。此外，3MW的太陽能功率調(diào)節(jié)器采用12臺額定功率為250kW的東芝制品。預(yù)定為模擬工廠購入額定功率10kW的功率調(diào)節(jié)器，為住宅購入額定功率為4kW的功率調(diào)節(jié)器。

    在儲能領(lǐng)域，東芝對外宣示的主打產(chǎn)品是60Ah/2.4V，且計劃2010年底實現(xiàn)量產(chǎn)，不過，關(guān)于這款儲能用鋰離子電池的進展情況，未見媒體的后續(xù)報道?？磥?，進展情況不盡人意，因為，東芝于2011年07月15日推向市場的1.6kWh儲能系統(tǒng)“不間斷供電裝置”（SBE1P-U10010SC），使用的是20Ah的電池單元。東芝為該儲能系統(tǒng)的定價最初是150萬日元，后來迅速下降到120萬日元，以圖在競爭激烈的日本家用儲能系統(tǒng)市場中謀取一席之地。

    東芝“SBE1P-U10010SC”大概由34個20Ah/2.4V的電池單元構(gòu)成，設(shè)想用于店鋪和辦公室等，除可作長時間的備用電源外，也可在用電高峰時有效節(jié)電。作為節(jié)電用時，需要手動操作開關(guān)在夜間充電，以供白天使用。該儲能系統(tǒng)最大的特點是循環(huán)壽命長，在4,000次以上。如果每天進行1次充放電，電池壽命有望超過10年。東芝表示，與儲能系統(tǒng)本身的預(yù)計壽命（5年）相比，蓄電池單元的壽命更長，因此無需更換電池。另外，只要更換儲能系統(tǒng)本身的部分部件，就可在到達電池壽命之前一直使用。

    在智能電網(wǎng)方面，除了上面介紹的這個宮古島的實證試驗之外，東芝還參與建設(shè)了諸多智能電網(wǎng)試驗工程，如“美國新墨西哥州日美智能電網(wǎng)實證”、“印度德里-孟買工業(yè)大動脈構(gòu)想”、“法國里昂再開發(fā)地區(qū)智能社區(qū)實證”、“日本橫濱智能城市項目”、“中國天津環(huán)保城市項目”等。需要提及的是，東芝對潛力巨大的儲能市場表現(xiàn)出越來越強烈的興趣。據(jù)悉，東芝已將智能電網(wǎng)和智能社區(qū)業(yè)務(wù)列為公司的最主要業(yè)務(wù)之一，期待到2015年，包括儲能電池在內(nèi)的該方面業(yè)務(wù)的銷售收入能夠達到9,000億日元。

    （五）其他

    對于鋰離子電池在電網(wǎng)儲能系統(tǒng)、住宅和家庭儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域的試應(yīng)用，全球主要國家和地區(qū)的政府、企業(yè)都在如火如荼開展相關(guān)實證試驗。真鋰研究在《鋰電信息動態(tài)與分析》（產(chǎn)業(yè)研究月度報告）中還有很多相關(guān)介紹和研究分析，如三菱重工與九州電力合作開展的黑島“離島微型電網(wǎng)系統(tǒng)（Micro Grid System）實證試驗”（計劃導(dǎo)入30%的可再生能源電力）、三菱重工用于環(huán)保型公寓大樓“Park City國分寺”的住宅儲能系統(tǒng)實證試驗、伊藤忠商事（Itochu，世界500強之一）嘗試車用電池在儲能市場的再利用項目“CREVIA二子玉川”試驗項目、德國能源巨頭EnBW（Energie Baden-Wuerttemberg AG，德國公用事業(yè)公司，世界500強之一）牽頭的MeRegioMobil項目（利用汽車動力電池削峰填谷）等等，限于篇幅，這里就不一一提及。

    國外很多鋰離子電池企業(yè)都在積極開拓這個大市場。A123系統(tǒng)在被萬向收購前是全球最大的電網(wǎng)儲能用鋰離子電池供應(yīng)商，美國江森自控（JCI，世界500強之一）、日本電氣（NEC，世界500強之一）、德國贏創(chuàng)集團（曾入選過世界500強）等企業(yè)巨頭也都積極投身于相關(guān)示范運行項目中，努力開發(fā)相關(guān)電池技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)。

    中國在這方面一點也不落后。從下游應(yīng)用領(lǐng)域看，不僅國家電網(wǎng)在積極開展相關(guān)示范運行項目，南方電網(wǎng)也在深圳建設(shè)了采用比亞迪鋰離子電池的儲能電站，開展相關(guān)示范運行。此外，以“五大四小”（華能、大唐、國電、華電、中電投這五大集團以及華潤電力、國華電力、國投電力、中廣核這四小豪門）為代表的中國發(fā)電領(lǐng)域的企業(yè)巨頭也在越來越多地開展電網(wǎng)儲能示范運行項目。

    從鋰離子電池企業(yè)來看，比亞迪、萬向、ATL、中航鋰電、哈爾濱光宇、山東潤峰新能源、珠海銀通等一批企業(yè)都瞄準了這個潛力無限的市場，都在做著積極的準備工作。關(guān)于這些，真鋰研究將在其后的《鋰電信息動態(tài)與分析》（產(chǎn)業(yè)研究月度報告）“儲能專輯”中會有較為詳細的研究。