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- 2020-03-13 09:07:56
光伏、风力发电和电化学储能成本的快速下降,使得储能在原来缺乏竞争力的领域也逐渐拥有竞争力,储能的多重价值逐渐被挖掘出来。
2018年,全球新增投运储能项目的装机规模为5.5GW,其中电化学储能的新增投运规模最大,为3.5GW,同比增长288%。2018年,中国新增投运储能项目的装机规模为2.3GW,其中电化学储能的新增投运规模最大,为0.6GW,同比增长414%。
中国科学院电工研究所储能技术研究组组长/研究员陈永翀表示,各类储能技术已经开展商业或示范应用,在应用中展现了储能的优势,也逐渐暴露了一些问题,尤其是电化学储能技术,距离“低成本、长寿命、高安全、易回收”的发展目标还有相当的差距,有待技术的颠覆性创新和突破。
2月27日,在固态电池技术、智能装备与市场应用研讨会上,陈永翀发表了题为《电池储能问题与发展方向探讨》的主题演讲。陈永翀介绍说,在各类储能技术中,电池储能是发展最快、最受关注的储能技术方向。但是,目前电池储能面临四大问题:成本高、寿命短、安全差、回收难。
陈永翀介绍,表征储能电池的性能有许多特征参数,其中最为重要的是电池的功率特性和容量特性。因此,可以 根据不同储能应用场景对于电池功率容量比值(W:Wh,简称C)的不同要求,大致将储能电池分为 三种类型:容量型(≤0.5C)、能量型(≈1C)和功率型(≥2C)。比值越大,代表电池的功率密 度越高,但容量密度会低一些,单位容量的价格会更高些。
电力调峰、离网型光伏储能或用户侧的峰谷价差储能,一般需要储能电池连续充电或连续放电两个小时以上,因此适合容量型储能电池的应用;对于电力调频或平滑可再生能源波动的储能场景,则需要储能电池在秒级至分钟级的时间段快速充放电,所以比较适合功率型储能电池的应用;而在一些同时需要承担调频和调峰的应用场景,能量型储能电池会更适合些,当然,这种场景下也可以将功率型与容量型电池配合一起使用;在系统因故障而停电时, 又可以快速起到大型不间断电源(UPS)的作用,避免突然停电带来的损失。
陈永翀进一步解释说,现有储能和动力锂电池是由手机电池等微小型电池渐进式发展而来,除了将电池体积变大以外,还没有脱离小型电池粘接涂布薄膜电极结构以及内部极片并联后极耳引出的核心设计思路,这给容量型储能电池的一致性设计造成了根本性的难题。另外,电池制造成本居高不下,使用存在安全隐患,电池报废后的回收处理也非常困难。
陈永翀建议,需要结合电池结构的颠覆设计,从根本上降低储能电池生产工艺的复杂度 和生产设备的参数要求,降低储能电池的制造成本。
固态电池降本增寿及回收是难题
此外,陈永翀强调,储能电池的安全性非常重要。相对而言,水系电池如液流电池、铅酸电池等安全性较好,能够满足储能电站的安全性要求,但也需要严格控制电池的充电截止电压,以防止水溶液过压电解后的析氢爆炸;有机系锂离子电池的安全性问题较为突出,目前总体而言处于安全及格线上下的水平,有待技术突破;固态电池不含易燃的电解液,因此具有极高的安全性,在未来实现量产后有可能会首先应用到高安全要求的某些特殊场景。
在陈永翀看来,避免电池(内部或外部)短路的安全预防技术以及在电池短路发生后的应急维护技术是储能电池安全技术发展的重要方向。仅仅通过外部灭火装置进行储能锂电池的安全保护,是远远不够的,未来必须开发颠覆性的电池结构技术和安全维护技术,从电池内部彻底解决电池的安全问题,确保储能电池的安全运输和储能电站的安全运行。“当然,固态电池要规模应用于电力储能,在降本增寿方面还有相当的困难需要克服。另外,固态电池的回收处理也是一大难题。”陈永翀坦言。
锂浆料电池有望填补铅酸电池和锂离子电池的应用空白区
研讨会上,陈永翀还介绍了锂浆料电池——电池的全部或部分电极是由浆料态的储锂活性物质、导电剂和电解液构成。
锂浆料电池(Lithium Slurry Battery)的技术名称由陈永翀团队在2015年发明专利“一种锂浆料电池反应器,CN 20”中第一次正式提出。与传统锂离子电池的固定粘结电极不同,锂浆料电池具有超厚浆料电极和可维护再生两大显著的技术特征。
“锂浆料电池性能优于铅酸,价格低于锂电。”陈永翀表示,浆料态的电极厚度可以达到毫米级的超级厚度,是普通锂离子电池涂布粘接电极厚度的10——50倍,因此更适合提供大容量的储能电力输出。
3月29日,生态环境部固体废物与化学品司司长邱启文在生态环境部例行发布会上介绍,我国已成为世界上最大铅蓄电池生产国和消费国。据统计,2017年我国铅蓄电池产量约380万吨,超过全球总产量的40%。
铅蓄电池中70%的成分是铅,具有较高的回收再利用价值。由于相关利益驱动,加之回收体系不完善等因素影响,我国废旧铅蓄电池非法回收、暴力拆解、土法冶炼案件屡打不绝,污染触目惊心。
邱启文说,废铅蓄电池非法再生工艺简单,流动性强,极易死灰复燃。含铅酸液处理难度大、成本高,造成少数企业非法拆解倾倒酸液,造成环境污染。
科学处理废铅蓄电池,实现生态效益和经济效益双赢,我国进行了诸多努力和探索。
非法处理严重污染环境
据统计,我国部分采用先进装备和工艺的优势企业,铅回收率高达99%以上,超过发达国家铅回收98%的水平。而且,一个正规拆卸提炼工厂,需要经过环评等程序,需要有废水处理工序,废水处理达标后才能排放,环保标准高。但非法冶炼的“三无企业”综合利用率低,一般仅有80%—85%,最高不超过90%。
国家环境保护铅蓄电池生产和回收再生污染防治工程技术中心主任陈中华指出,我国铅蓄电池产业的污染80%集中在回收和流通环节。
在收集环节,由于含铅酸液处理难度大、成本高,诱使少数收集者将废铅蓄电池非法拆解倾倒酸液,造成环境污染。工信部赛迪研究院、京津冀蓄电池环保产业联盟等机构此前一项联合调研显示:京津冀地区废铅蓄电池回收80%掌握在非法社会源渠道,正规再生铅企业80%的原料也来自非法渠道。
在利用环节,废铅蓄电池利用处置过程会产生废水、废气、废渣,如果处理不当会污染大气、水体和土壤;加之废铅蓄电池非法再生工艺简单、易流动、难监管,废铅蓄电池污染“大案”时有发生,引起社会广泛关注。2019年初,江苏淮安查处的一处非法铅冶炼点,4名嫌疑人一年半非法获利超过1000万元,当地恢复生态至少需要2000万元。
重典治理 破除污染困境
事实上,为了规范废旧铅酸蓄电池回收处理,近年来国家相关部门陆续出台了多种政策措施。追溯到2016年12月,国务院办公厅发布《生产者责任延伸制度推行方案》,率先对铅酸蓄电池等4类产品实施生产者责任延伸制度。《方案》明确,国家发展改革委、生态环境部负责制定发布铅酸蓄电池回收利用管理办法,落实生产者延伸责任,并于2019年底前完成。
为防控废铅蓄电池环境风险,今年初,生态环境部、国家发展改革委等九部门联合印发《废铅蓄电池污染防治行动方案》,联合开展废铅蓄电池污染防治行动,整治废铅蓄电池非法收集处理环境污染,落实生产者责任延伸制度,提高废铅蓄电池规范收集处理率。到2020年,铅蓄电池生产企业通过落实生产者责任延伸制度实现废铅蓄电池规范收集率达到40%;到2025年,废铅蓄电池规范收集率达到70%;规范收集的废铅蓄电池全部安全利用处置。此后,又联合交通运输部印发《铅蓄电池生产企业集中收集和跨区域转运制度试点工作方案》提出,到2020年,试点地区铅蓄电池集中收集和跨区域转运制度体系初步建立,有效防控废铅蓄电池环境风险,试点单位在试点地区的废铅蓄电池规范回收率达到40%以上。
“为防治废铅蓄电池污染,生态环境部将协调相关部门推动建立规范有序的收集处理体系,强化再生铅行业规范化管理,严厉打击涉废铅蓄电池违法犯罪行为,建立污染防治长效机制,推动铅蓄电池行业绿色高质量发展。”3月29日,邱启文强调。