風(fēng)起 鋰電儲(chǔ)能鈦酸鋰新戰(zhàn)事
時(shí)間:2021-01-07 10:50來源:北極星儲(chǔ)能網(wǎng) 作者:風(fēng)滿樓 洛神
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隨著碳中和目標(biāo)的確立，風(fēng)光等新能源發(fā)電比例上升，儲(chǔ)能的風(fēng)口已然是越來越近，與此同時(shí)，隨著儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)集成的價(jià)格整體下降超出預(yù)期，日前還驚爆出了接近1元/Wh的地板價(jià)，向發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能商業(yè)化邁出了堅(jiān)實(shí)一步；另一方面，愈來愈多的省份開放了調(diào)頻市場(chǎng)，特別是火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻的盈利能力很強(qiáng)，根據(jù)多家上市公司所披露出來的2020上半年財(cái)報(bào)，主要布局于此的頭部企業(yè)儲(chǔ)能版塊毛利率均超過了40%！
01 調(diào)頻儲(chǔ)能開閘
調(diào)頻領(lǐng)域的儲(chǔ)能市場(chǎng)確實(shí)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(tái)調(diào)頻新政，進(jìn)一步擴(kuò)大了儲(chǔ)能調(diào)頻的市場(chǎng)，其中甘肅和廣東兩地的調(diào)頻里程申報(bào)價(jià)格上限均達(dá)到15元/MW。
表1:2020年各省發(fā)布的調(diào)頻文件
政策加碼，推動(dòng)行業(yè)前景逐漸明朗，尤其是近兩年來火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻已成長(zhǎng)為國(guó)內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)中“率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化”的領(lǐng)域；在山西、蒙西、京津唐、廣東已進(jìn)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(xiàng)目，吸引大批儲(chǔ)能企業(yè)入局。這也使得競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步加劇，同質(zhì)化項(xiàng)目的利潤(rùn)正越來越薄，甚至部分地區(qū)還有虧損的風(fēng)險(xiǎn)。
顯然，儲(chǔ)能系統(tǒng)僅滿足于“能用”已經(jīng)不合時(shí)宜，“好用”的屬性漸漸變得越來越重要。特別是于儲(chǔ)能電池而言，占據(jù)了儲(chǔ)能系統(tǒng)高達(dá)53%左右的成本，對(duì)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(jià)格迅速下降，成功坐上了市場(chǎng)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(jì)裝機(jī)規(guī)模中占比高達(dá)約88.8%。
圖1：全球儲(chǔ)能市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)規(guī)模（2000-2019）
而以調(diào)頻為典型代表的“功率型儲(chǔ)能”應(yīng)用上正在逐步提升，近日，銀隆新能源高鈦酸鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)順利落地廣東珠海橫琴區(qū)國(guó)家電投珠海橫琴熱電有限公司，通過電網(wǎng)調(diào)頻、平衡負(fù)載波動(dòng)、黑啟動(dòng)等功能，為橫琴新區(qū)提供安全高效、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、清潔低碳的綠色能源解決方案。
據(jù)了解，在該項(xiàng)目中，銀隆新能源高倍率鈦酸鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)主要作用為發(fā)電側(cè)調(diào)頻，通過對(duì)電池系統(tǒng)頻繁快速的充放電，以達(dá)到調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率的作用，而其系統(tǒng)長(zhǎng)壽命、大倍率的特性充分滿足項(xiàng)目需求，具有響應(yīng)速度快，短時(shí)功率吞吐能力強(qiáng)，且易改變調(diào)節(jié)方向等特點(diǎn)。銀隆新能源高倍率鈦酸鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)與常規(guī)調(diào)頻電源相結(jié)合，可作為輔助傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻的有效手段，進(jìn)一步提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與可靠性。
02 鈦酸鋰?yán)谐銮?/strong>
電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)，其電池并聯(lián)數(shù)量多、運(yùn)行功率大，安全風(fēng)險(xiǎn)和影響都比電動(dòng)汽車動(dòng)力電池嚴(yán)重的多。因此，安全是業(yè)主最關(guān)注指標(biāo)的第一選項(xiàng)。
表2：三種鋰離子電池技術(shù)對(duì)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(nèi)人士表示，鋰離子電池中，除了正常的充電-放電反應(yīng)外，還存在許多潛在的放熱副反應(yīng)，當(dāng)電池溫度過高或過充電時(shí)，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(huì)分解出氧分子，遇到電池中可燃的電解液、碳材料后一點(diǎn)就著，由此產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步加劇正極分解，導(dǎo)致其在極短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)爆燃。
但這樣的性能，與其說是安全，倒不如說是“危險(xiǎn)可控”。
論安全，鈦酸鋰電池?zé)o疑更具優(yōu)勢(shì)。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(xiǎn)。鈦酸鋰材料對(duì)金屬鋰的電位為1.55V，對(duì)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(fù)極的電位也不會(huì)達(dá)到鋰離子還原成金屬鋰的電位，避免了電池在過充時(shí)生成鋰枝晶，安全性更好。而鋰枝晶是刺穿隔膜導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部短接，造成電池的熱失控引發(fā)燃燒爆炸的罪魁禍?zhǔn)住?/div>
(責(zé)任編輯：子蕊)
此外，為了保證產(chǎn)品的安全性，銀隆已經(jīng)在其實(shí)驗(yàn)室里，將鈦酸鋰電池先后進(jìn)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(shù)設(shè)備部孟部長(zhǎng)稱：“安全性是我們最關(guān)心的問題，鈦酸鋰的優(yōu)點(diǎn)就是電池的安全性高，石家莊公交現(xiàn)在運(yùn)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(chǎng)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(zhǎng)壽命，銀隆鈦酸鋰電池可循環(huán)充放高達(dá)3萬次，按照每年循環(huán)1000次計(jì)算，使用壽命長(zhǎng)達(dá)30年，遠(yuǎn)高于其他兩種技術(shù)。這主要是由于鈦酸鋰材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在充放電過程中，鋰離子嵌入和脫嵌不會(huì)造成鈦酸鋰晶型結(jié)構(gòu)的變化，被稱為零應(yīng)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(fù)極材料，石墨為二維層狀結(jié)構(gòu)，鋰離子脫嵌過程當(dāng)中，體積變化率達(dá)到了±10%，嚴(yán)重降低了二者的循環(huán)壽命。要知道，大型儲(chǔ)能項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)起來便是以數(shù)十年甚至百年計(jì)，如果儲(chǔ)能電池壽命只有短短幾年，更換過于頻繁，不僅增加運(yùn)營(yíng)成本，而且容易增加性能不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，鈦酸鋰的長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)鋰離子快速脫嵌。與其他負(fù)極材料相比，鈦酸鋰有著較高的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)，電化學(xué)反應(yīng)速度快，滿足大倍率快速充放電的需求，且不會(huì)形成阻礙鋰離子擴(kuò)散的SEI膜，充放電穩(wěn)定。央視《經(jīng)濟(jì)半小時(shí)》播放的報(bào)道《新能源跑出“加速度”》顯示，銀隆公交車在頂充設(shè)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(gè)很重要的性能指標(biāo)就是耐寬溫。鈦酸鋰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其尖晶石結(jié)構(gòu)具有三維的鋰離子擴(kuò)散通道，且表面不形成固液界面鈍化膜，在低溫下各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能仍能保持常溫時(shí)的狀態(tài)，充電不會(huì)導(dǎo)致短路或出現(xiàn)使負(fù)極惡化的鋰枝晶。據(jù)有關(guān)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(gè)字：成本！
絕大多數(shù)的儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景其實(shí)都是商業(yè)場(chǎng)景，客戶購(gòu)買儲(chǔ)能產(chǎn)品歸根到底是為了賺錢或者省錢，在當(dāng)前以“實(shí)現(xiàn)商用”為目標(biāo)的電化學(xué)儲(chǔ)能行業(yè)中，似乎成本成了鈦酸鋰電池最大的局限。
但，這個(gè)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(diào)頻電站的長(zhǎng)周期內(nèi)，若考慮全生命周期的里程成本，則有著不同的結(jié)果。
03 瞄準(zhǔn)里程成本
里程成本指在功率型調(diào)頻儲(chǔ)能電站的生命周期內(nèi)，平均到單位調(diào)頻里程的電站投資成本。而最大功率決定了調(diào)頻里程的上限，是評(píng)價(jià)儲(chǔ)能電站參與電網(wǎng)一次或二次調(diào)頻經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。AGC調(diào)頻的補(bǔ)償收益如果不考慮競(jìng)價(jià)方面的因素，主要取決于儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大功率。
鈦酸鋰電池的充放電倍率遠(yuǎn)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(dá)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(jī)體量的前提下，其調(diào)頻里程可達(dá)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(chǔ)能的初始投資成本只要不超過其他鋰電池儲(chǔ)能的6倍，其在性價(jià)比上都是具有優(yōu)勢(shì)的。而銀隆的目標(biāo)是將初始投資成本壓縮在其它鋰離子的2倍以下，此時(shí)，其里程成本僅為其他離子電池的1/3，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)凸顯。
以典型的2C調(diào)頻項(xiàng)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(chǔ)能及一般鋰離子儲(chǔ)能項(xiàng)目年末未回收成本對(duì)比
誠(chéng)然，在整個(gè)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的視角下，調(diào)頻等功率型儲(chǔ)能領(lǐng)域，銀隆高功率鈦酸鋰儲(chǔ)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(diào)頻領(lǐng)域更適合的應(yīng)用。鈦酸鋰之于儲(chǔ)能電池，就像是轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)之于往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，雖然不是現(xiàn)階段的市場(chǎng)主流，但在賽車領(lǐng)域卻成為了無冕之王，未來可期。
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