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風起 鋰電儲能鈦酸鋰新戰(zhàn)事

時間:2021-01-07 10:50來源:北極星儲能網(wǎng) 作者:風滿樓 洛神
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       隨著碳中和目標的確立，風光等新能源發(fā)電比例上升，儲能的風口已然是越來越近，與此同時，隨著儲能成本的下降，商業(yè)模式單一的“阿喀琉斯之踵”正在變得越來越小。
 
       一方面，儲能系統(tǒng)集成的價格整體下降超出預期，日前還驚爆出了接近1元/Wh的地板價，向發(fā)電側儲能商業(yè)化邁出了堅實一步；另一方面，愈來愈多的省份開放了調頻市場，特別是火儲聯(lián)合調頻的盈利能力很強，根據(jù)多家上市公司所披露出來的2020上半年財報，主要布局于此的頭部企業(yè)儲能版塊毛利率均超過了40%！
 
       01 調頻儲能開閘
 
       調頻領域的儲能市場確實是不一樣了。
 
       2020以來，蒙西、甘肅、云南、廣東、山東、山西六省分別出臺調頻新政，進一步擴大了儲能調頻的市場，其中甘肅和廣東兩地的調頻里程申報價格上限均達到15元/MW。
表1:2020年各省發(fā)布的調頻文件
 
       政策加碼，推動行業(yè)前景逐漸明朗，尤其是近兩年來火儲聯(lián)合調頻已成長為國內電化學儲能產(chǎn)業(yè)中“率先實現(xiàn)商業(yè)化”的領域；在山西、蒙西、京津唐、廣東已進入產(chǎn)業(yè)爆發(fā)期，在江西、上海、甘肅、江蘇等地也開始陸續(xù)落地項目，吸引大批儲能企業(yè)入局。這也使得競爭進一步加劇，同質化項目的利潤正越來越薄，甚至部分地區(qū)還有虧損的風險。
 
       顯然，儲能系統(tǒng)僅滿足于“能用”已經(jīng)不合時宜，“好用”的屬性漸漸變得越來越重要。特別是于儲能電池而言，占據(jù)了儲能系統(tǒng)高達53%左右的成本，對其性能和成本的綜合考量將變得愈發(fā)苛刻。
 
       在過去的幾年里，鋰離子電池價格迅速下降，成功坐上了市場的頭把交椅。根據(jù)CNESA數(shù)據(jù)顯示，截止到2019年底，鋰電池在全球累計裝機規(guī)模中占比高達約88.8%。
圖1：全球儲能市場累計裝機規(guī)模（2000-2019）
 
       而以調頻為典型代表的“功率型儲能”應用上正在逐步提升，近日，銀隆新能源高鈦酸鋰儲能系統(tǒng)順利落地廣東珠海橫琴區(qū)國家電投珠海橫琴熱電有限公司，通過電網(wǎng)調頻、平衡負載波動、黑啟動等功能，為橫琴新區(qū)提供安全高效、經(jīng)濟環(huán)保、清潔低碳的綠色能源解決方案。
 
       據(jù)了解，在該項目中，銀隆新能源高倍率鈦酸鋰儲能系統(tǒng)主要作用為發(fā)電側調頻，通過對電池系統(tǒng)頻繁快速的充放電，以達到調節(jié)電網(wǎng)頻率的作用，而其系統(tǒng)長壽命、大倍率的特性充分滿足項目需求，具有響應速度快，短時功率吞吐能力強，且易改變調節(jié)方向等特點。銀隆新能源高倍率鈦酸鋰儲能系統(tǒng)與常規(guī)調頻電源相結合，可作為輔助傳統(tǒng)機組調頻的有效手段，進一步提高電網(wǎng)運行的安全性與可靠性。
 
       02 鈦酸鋰利刃出鞘
 
       電化學儲能系統(tǒng)廣泛應用于電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)，其電池并聯(lián)數(shù)量多、運行功率大，安全風險和影響都比電動汽車動力電池嚴重的多。因此，安全是業(yè)主最關注指標的第一選項。
表2：三種鋰離子電池技術對比
 
       三元鋰電池過去的敗退，正是緣于其看起來 “不那么安全”。
 
       業(yè)內人士表示，鋰離子電池中，除了正常的充電-放電反應外，還存在許多潛在的放熱副反應，當電池溫度過高或過充電時，容易被引發(fā)。而三元鋰電池組熱穩(wěn)定性較差，不到300℃就會分解出氧分子，遇到電池中可燃的電解液、碳材料后一點就著，由此產(chǎn)生的熱量進一步加劇正極分解，導致其在極短的時間內就會爆燃。
 
       但這樣的性能，與其說是安全，倒不如說是“危險可控”。
 
       論安全，鈦酸鋰電池無疑更具優(yōu)勢。與其它鋰離子電池相比，鈦酸鋰電池幾乎不形成穩(wěn)定性差的SEI膜，避免了電池因過熱而起火的危險。鈦酸鋰材料對金屬鋰的電位為1.55V，對鋰金屬的電位更高，即使在充電后期、低溫或高倍率充電的情況下，此負極的電位也不會達到鋰離子還原成金屬鋰的電位，避免了電池在過充時生成鋰枝晶，安全性更好。而鋰枝晶是刺穿隔膜導致鋰離子電池內部短接，造成電池的熱失控引發(fā)燃燒爆炸的罪魁禍首。
 
       此外，為了保證產(chǎn)品的安全性，銀隆已經(jīng)在其實驗室里，將鈦酸鋰電池先后進行了電鉆、切割、針刺、和高溫烘焙等花式虐待，但鈦酸鋰電池均未發(fā)生冒煙起火爆炸等現(xiàn)象。石家莊公交公司技術設備部孟部長稱：“安全性是我們最關心的問題，鈦酸鋰的優(yōu)點就是電池的安全性高，石家莊公交現(xiàn)在運行的銀隆鈦酸鋰車，沒有發(fā)現(xiàn)過冒煙著火的情況。”據(jù)最新數(shù)據(jù)顯示，在投放市場的裝載銀隆鈦酸鋰電池的銀隆車中，因電池誘發(fā)的安全故數(shù)為零。
 
       其次是長壽命，銀隆鈦酸鋰電池可循環(huán)充放高達3萬次，按照每年循環(huán)1000次計算，使用壽命長達30年，遠高于其他兩種技術。這主要是由于鈦酸鋰材料結構穩(wěn)定，在充放電過程中，鋰離子嵌入和脫嵌不會造成鈦酸鋰晶型結構的變化，被稱為零應變材料。充放電過程中，鈦酸鋰材料的晶格參數(shù)僅從0.836埃米增加到0.837埃米（1納米=10埃米），體積變化僅0.3%，具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
 
       傳統(tǒng)鋰電池一般采用石墨做負極材料，石墨為二維層狀結構，鋰離子脫嵌過程當中，體積變化率達到了±10%，嚴重降低了二者的循環(huán)壽命。要知道，大型儲能項目運營起來便是以數(shù)十年甚至百年計，如果儲能電池壽命只有短短幾年，更換過于頻繁，不僅增加運營成本，而且容易增加性能不穩(wěn)定的風險，鈦酸鋰的長壽命特性正好解決問題。
 
       另一方面，鈦酸鋰的三維鋰離子通道，可以實現(xiàn)鋰離子快速脫嵌。與其他負極材料相比，鈦酸鋰有著較高的鋰離子擴散系數(shù)，電化學反應速度快，滿足大倍率快速充放電的需求，且不會形成阻礙鋰離子擴散的SEI膜，充放電穩(wěn)定。央視《經(jīng)濟半小時》播放的報道《新能源跑出“加速度”》顯示，銀隆公交車在頂充設備之下，充電三分多鐘，剩余電量就由33%上升到60%以上，僅僅8分鐘，銀隆公交車的電量就充滿了，顯示為99%。
圖2：6min電池快充曲線圖
 
        另外一個很重要的性能指標就是耐寬溫。鈦酸鋰結構穩(wěn)定，其尖晶石結構具有三維的鋰離子擴散通道，且表面不形成固液界面鈍化膜，在低溫下各項動力學性能仍能保持常溫時的狀態(tài)，充電不會導致短路或出現(xiàn)使負極惡化的鋰枝晶。據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示，銀隆生產(chǎn)的鈦酸鋰具備在-50℃~60℃的超寬溫范圍完全充放電的能力。
圖3：鈦酸鋰電池低溫充放電性能
 
       以上即為鈦酸鋰電池“好用”的部分，那么，是什么耽誤了鈦酸鋰電池“能用”呢？
 
       兩個字：成本！
 
       絕大多數(shù)的儲能應用場景其實都是商業(yè)場景，客戶購買儲能產(chǎn)品歸根到底是為了賺錢或者省錢，在當前以“實現(xiàn)商用”為目標的電化學儲能行業(yè)中，似乎成本成了鈦酸鋰電池最大的局限。
 
       但，這個成本是真的高嗎？成本高是單純從初始投資的角度來看的，在調頻電站的長周期內，若考慮全生命周期的里程成本，則有著不同的結果。
 
       03 瞄準里程成本
 
       里程成本指在功率型調頻儲能電站的生命周期內，平均到單位調頻里程的電站投資成本。而最大功率決定了調頻里程的上限，是評價儲能電站參與電網(wǎng)一次或二次調頻經(jīng)濟性的重要指標。AGC調頻的補償收益如果不考慮競價方面的因素，主要取決于儲能系統(tǒng)的最大功率。
 
       鈦酸鋰電池的充放電倍率遠超其它鋰電池，一般鋰電池的倍率只有2C，銀隆鈦酸鋰電池倍率則可以達到4C，甚至更高，是一般鋰電池的兩倍以上，再加上其與其它鋰離子電池相比高出三倍以上的壽命，在相同裝機體量的前提下，其調頻里程可達到其它鋰離子電池的六倍以上。
 
       換言之，理論上來講，鈦酸鋰電池儲能的初始投資成本只要不超過其他鋰電池儲能的6倍，其在性價比上都是具有優(yōu)勢的。而銀隆的目標是將初始投資成本壓縮在其它鋰離子的2倍以下，此時，其里程成本僅為其他離子電池的1/3，競爭優(yōu)勢凸顯。
 
       以典型的2C調頻項目為例，其回收期不到四年，相比一般鋰離子電池可以縮短1.45年，且初期電池配置少，整體投入降低20%，中途無需更換電池。
圖4：鈦酸鋰儲能及一般鋰離子儲能項目年末未回收成本對比
 
       誠然，在整個儲能產(chǎn)業(yè)的視角下，調頻等功率型儲能領域，銀隆高功率鈦酸鋰儲能系統(tǒng)擁有最低的里程成本，且具有極高的安全特性，可以說是調頻領域更適合的應用。鈦酸鋰之于儲能電池，就像是轉子發(fā)動機之于往復式發(fā)動機一樣，雖然不是現(xiàn)階段的市場主流，但在賽車領域卻成為了無冕之王，未來可期。
 
(責任編輯：子蕊)
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