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智慧能源在儲能領(lǐng)域的應用

   2019-06-11 環(huán)境技術(shù)68770
核心提示:隨著我國能源結(jié)構(gòu)改革的推進,風能、太陽能、潮汐能等再生能源的利用比例逐年穩(wěn)步上升。在這過程中,有兩個關(guān)鍵問題限制可再生能
隨著我國能源結(jié)構(gòu)改革的推進,風能、太陽能、潮汐能等再生能源的利用比例逐年穩(wěn)步上升。在這過程中,有兩個關(guān)鍵問題限制可再生能源的進一步發(fā)展。其一,風能、太陽能等可再生能源利用具有不穩(wěn)定和不連續(xù)的特點;其二,我國電網(wǎng)峰谷差進一步拉大。隨著技術(shù)的進步,儲能已經(jīng)成為突破可再生能源利用不穩(wěn)定和不連續(xù)瓶頸和平衡電網(wǎng)峰谷差的最佳解決方案。與此同時,依靠“互聯(lián)網(wǎng)+”、“萬物互聯(lián)”領(lǐng)域的技術(shù)積累,以及在“中國智造2025”、“多能互補”、“光熱電站”示范工程等政策推動下,智慧能源作為儲能系統(tǒng)的“軟實力”,其重要性也日益凸顯。

引言

人類社會活動和經(jīng)濟發(fā)展離不開能源。18世紀60年代進入工業(yè)革命以來,以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主的世界能源消費格局逐步形成?;茉丛诶玫倪^程中會產(chǎn)生溫室氣體CO2以及S02、粉塵等,污染生態(tài)環(huán)境。特別是溫室氣體排放導致日益嚴峻的全球氣候變化,嚴重威脅人類社會的發(fā)展。1972年,在斯德哥爾摩舉行的聯(lián)合國人類環(huán)境研討會上首次提出了“可持續(xù)發(fā)展”的概念,并逐步成為國際社會共識。為了實現(xiàn)可環(huán)保綠色的可持續(xù)發(fā)展,世界各國高度重視可再生能源開發(fā)利用。

我國地域遼闊,資源豐富,太陽能、地熱能、風能、潮汐能等可再生能源具備大規(guī)模開發(fā)利用的物質(zhì)基礎(chǔ)。21世紀初,我國將開發(fā)利用可再生能源作為能源戰(zhàn)略的重要組成部分,提出了明確的可再生能源發(fā)展目標,制定了鼓勵可再生能源發(fā)展的法律和政策[1]。在政策的大力推動下,可再生能源得到迅速發(fā)展,在我國能源結(jié)構(gòu)中的比例逐年穩(wěn)步上升。由于可再生能源的不穩(wěn)定和不連續(xù)性以及電網(wǎng)峰谷差,可再生能源的消納矛盾開始凸顯出來[1]。據(jù)權(quán)威機構(gòu)統(tǒng)計,2016年我國棄風和棄光電量分別達到497億千瓦時和74億千瓦時,較2015年分別增加了46.6%和85%。與此同時,解決電網(wǎng)峰谷差的矛盾已成為國家能源局電力改革的重要方向。目前,全國每年谷電余電量高達3萬億度,平均利用率只有35%左右,嚴重影響著國家電網(wǎng)的安全和發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟效益。

為了避免可再生能源利用對電網(wǎng)的沖擊以及平衡電網(wǎng)峰谷差,儲能系統(tǒng)提供了有效的解決方案。在“互聯(lián)網(wǎng)+”、“中國智造2025”等政策推動下,智慧能源作為儲能系統(tǒng)的“軟實力”,其重要性也日益凸顯。

01 儲能技術(shù)的概況

能源的轉(zhuǎn)換利用和輸送具有即時性和波動性,常常存在供求之間在時間上和空間上不匹配的矛盾??稍偕茉床环€(wěn)定和不連續(xù)的固有特性決定了大規(guī)模開發(fā)利用可再生能源離不開發(fā)展儲能技術(shù)。儲能技術(shù)可解決能量供求在時間上和空間上不匹配的矛盾,因而是提高能源利用率的有效手段[2]。目前,在市場上占據(jù)主導地位的儲能技術(shù)大致分為4類:(一)抽水儲能;(2)儲熱;(3)電化學儲能;(4)機械儲能。從各儲能技術(shù)類型市場發(fā)育程度來看,抽水蓄能技術(shù)發(fā)展最為成熟,據(jù)美國能源部全球儲能數(shù)據(jù)庫2016年8月16日的更新數(shù)據(jù)顯示,全球累計運行的抽水蓄能項目裝機161.23GW,規(guī)模最大。儲熱技術(shù)近十年發(fā)展很快,全球儲熱累計總裝機為3.05GW,裝機規(guī)模排行第二[3]。我國太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段,尚未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。2015年,我國國家能源局頒發(fā)《關(guān)于組織太陽能熱發(fā)電示范項目建設(shè)的通知》,積極引導支持太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。隨著風力發(fā)電、太陽光伏的迅速發(fā)展,電化學儲能目前是全球發(fā)展最為迅速,增速最快的技術(shù)。

圖(一) 全球儲能比例分布


1.1 抽水蓄能

抽水蓄能是發(fā)展最早和最成熟的儲能技術(shù)。19世紀70年代,世界上第一座抽水蓄能電站在瑞士開始建設(shè)和成功投運。抽水蓄能電站設(shè)備具有儲能規(guī)模大、轉(zhuǎn)換效率高、、運行方式靈活、負荷調(diào)節(jié)響應快速等特點,因而得到了快速發(fā)展和廣泛應用。據(jù)統(tǒng)計,至2009年底我國投產(chǎn)的抽水蓄能電站共22座,總?cè)萘?1545MW。抽水蓄能電站的建設(shè)地理選址條件非常嚴格,以及受到新興儲能技術(shù)的市場沖擊,近十年來抽水蓄能裝機增長逐漸趨緩。

1.2 儲熱

儲熱的具體原理是將利用其他形式能量轉(zhuǎn)換為熱能并將熱量傳遞給蓄熱器內(nèi)的蓄熱介質(zhì),蓄熱介質(zhì)在保溫良好的條件下將熱能儲存起來,當需要利用時再通過換熱把所儲存的熱量提取出來輸送給熱負荷。儲熱,根據(jù)蓄熱介質(zhì)的狀態(tài)可以分為顯熱儲能和相變儲能。相變材料儲熱具有較大的儲能密度,因而發(fā)展?jié)摿Ω?。由于材料成本的限制,目前儲熱市場仍然以顯熱儲能為主。隨著新型儲熱材料的研發(fā)應用和配套設(shè)備制造工藝的提升,儲熱技術(shù)應用的成本逐年下降,越來越多商業(yè)化工程應用得到推廣。

1.3 電化學蓄能

電化學儲能的應用場景比較廣泛,主要包括3類:(1)可再生能源發(fā)電并網(wǎng);(2)分布式微網(wǎng);(3)用戶側(cè)。據(jù)統(tǒng)計,截至2016年底全球投運電化學儲能項目的累計裝機規(guī)模達1769.9MW,同比增長56%,而且呈加速發(fā)展之勢。截至2016年底,我國投運的電化學儲能項目的累計裝機規(guī)模達243MW,同比增長72%;2016年新增投運規(guī)模101.4MW,同比增長299%,發(fā)展?jié)摿Υ蟆?jù)預測,到2020我國電化學儲能累計裝機規(guī)模將達2GW,約為2015年底累計裝機量的15倍[4]。

電化學儲能具有多種技術(shù)路線,包括鋰離子電池、鈉硫電池、鉛酸電池、液流電池等。截止2017年,中國電化學儲能格局中鋰電池占有其中60%的市場份額,鉛酸電池占35%,液流電池占4%。

(二) 電化學儲能比例分布


02 智慧能源的研究現(xiàn)狀

深圳市愛能森科技有限公司希望以愛能森核心儲能技術(shù)為主,盡量利用現(xiàn)有清潔能源供暖技術(shù)的優(yōu)勢,同時解決其存在的部分問題,開發(fā)出一種投資少、供暖成本低、適用范圍廣、零碳排、零污染、安全穩(wěn)定、啟動反應迅速的清潔能源供暖技術(shù),儲能技術(shù)基本原理如下圖所示。

“大數(shù)據(jù)云計算”、“互聯(lián)網(wǎng)+”在能源領(lǐng)域具有廣闊前景,并逐步形成智慧能源的發(fā)展趨勢。隨著科學技術(shù)的進步,能源網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)之間信息設(shè)施的連接與深度融合,能源系統(tǒng)運行狀態(tài)的數(shù)字化感知以及數(shù)據(jù)化管控已經(jīng)開始得到了應用。一個完整的智慧能源系統(tǒng)至少應當包含感知層和管理層。歸根到底,智慧能源的研究主要還是在于傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)在感知層和管理層的開發(fā)、整合和提升。

感知層包含感知對象、感知單元和傳感網(wǎng)絡(luò)。感知層與人體結(jié)構(gòu)中皮膚和五官的作用類似,主要功能是識別物體、采集信息,以及信息傳遞。它首先通過傳感器、攝像頭等設(shè)備,采集外部物理世界的數(shù)據(jù),然后通過RFID、藍牙、以太網(wǎng)等傳輸技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)[5]。

圖(三) 感知層架構(gòu)


管理層是智慧能源系統(tǒng)的“頂層設(shè)計”,對感知層采集的數(shù)據(jù)信息進行計算、處理和知識挖掘,從而實現(xiàn)對物理世界的實時控制、精確管理和科學決策。機器是不會“說話”的,管理層同時也扮演著連接人與機器對話的“橋梁”的角色,是實現(xiàn)人機交互的平臺,而這個平臺體現(xiàn)的形式是多種多樣的。

圖(四) 管理層架構(gòu)


03 智慧能源在儲能的利用

儲能技術(shù)作為提高能源利用率的有效手段,不僅能夠解決能量供求在時間和空間上不匹配的矛盾,而且可以通過“峰谷電價”杠桿降低能源利用成本。在實際應用中為了適應能源供求隨機性和波動性的特點,最大化能源利用效益,智慧能源方案在儲能系統(tǒng)中主要解決以下3個問題:(一)什么情況開始儲存能量;(2)儲存多少能量;(3)如何合理利用儲存的能量。

以冰蓄冷中央空調(diào)為例,簡單闡述一下智慧能源在儲能領(lǐng)域的應用。冰蓄冷中央空調(diào)是利用夜間電網(wǎng)谷電制冰儲存在蓄冰裝置中,白天融冰將所儲存冷量釋放出來。冰蓄冷中央空調(diào)是屬于儲熱技術(shù)的衍生產(chǎn)品,是未來中央空調(diào)的發(fā)展的趨勢。冰蓄冷系統(tǒng)是20世紀70年代出現(xiàn)的新型儲能系統(tǒng),具備良好的節(jié)能潛力,但一直沒有大范圍商業(yè)推廣。其中,能源智能管理的缺失正是限制冰蓄冷技術(shù)發(fā)展的主要短板之一。進入21世紀,萬物可聯(lián),隨著智慧能源的推廣應用,冰蓄冷技術(shù)重新煥發(fā)蓬勃生機。

圖(五) 冰蓄冷工藝流程簡圖


為了最大化節(jié)能效益,冰蓄冷系統(tǒng)具有多種運行工況。峰平谷電價時段、外界大氣氣候條件、負荷需求變化是影響智慧能源決策運行工況切換的3個主要因素。根據(jù)預設(shè)的峰平谷時段以及感知元件探測物理世界的變化因素,如大氣溫度、濕度、蓄冰液位、冷凍水給水回水溫度等,智慧能源系統(tǒng)模擬負荷需求的變化曲線,然后下達執(zhí)行指令遠程控制設(shè)備的啟停、閥門的開閉,從而實現(xiàn)運行工況的切換。為了更直觀的體現(xiàn)智慧能源系統(tǒng)的工作原理,接下來以制冰工況的切換為例進行簡述。從節(jié)能效益來說,冰蓄冷系統(tǒng)在谷電時段進行儲能的運行成本是最低的。但在實際上,這只是智慧能源系統(tǒng)在進行工況切換決策的眾多條件之一,此處不再贅述。

圖(六) 冰蓄冷工況切換簡圖


(表一)

04 應用前景

2016年,我國棄風和棄光電量分別達到497億千瓦時和74億千瓦時,較2015年分別增加了46.6%和85%[6]。緩解可再生清潔能源消納矛盾已經(jīng)刻不容緩。為了平衡能源的供給和需求,目前很多光伏電站和風力電站都配套了儲能模塊。2018年我國通過審批的20個光熱電站全部要求配置儲能系統(tǒng)。近年來,我國“多能互補”示范工程在多個省市開工建設(shè),風能、太陽能、空氣能、地熱能等多種可再生能源因地制宜與儲能系統(tǒng)耦合利用,其技術(shù)核心就是“儲能”+“智慧能源”。隨著可再生能源在我國能源結(jié)構(gòu)中的比例逐年穩(wěn)步上升,儲能大規(guī)模普及,智慧能源系統(tǒng)將會迎來發(fā)展的春天。

05 結(jié)語

實現(xiàn)能源的數(shù)據(jù)化管理是21世紀的能源革命的趨勢。智慧能源作為能源革命其中重要的一環(huán),相關(guān)技術(shù)的研究和工程應用已經(jīng)引起行業(yè)的重視。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模普及,智慧能源勢必引領(lǐng)21世紀能源革命的潮流。 
 
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