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风起 锂电储能钛酸锂新战事

储能世界网讯:随着碳中和目标的确立,风光等新能源发电比例上升,储能的风口已然是越来越近,与此同时,随着储能成本的下降,商业模式单一的“阿喀琉斯之踵”正在变得越来越小。

一方面,储能系统集成的价格整体下降超出预期,日前还惊爆出了接近1元/Wh的地板价,向发电侧储能商业化迈出了坚实一步;另一方面,愈来愈多的省份开放了调频市场,特别是火储联合调频的盈利能力很强,根据多家上市公司所披露出来的2020上半年财报,主要布局于此的头部企业储能版块毛利率均超过了40%!

01调频储能开闸

调频领域的储能市场确实是不一样了。

2020以来,蒙西、甘肃、云南、广东、山东、山西六省分别出台调频新政,进一步扩大了储能调频的市场,其中甘肃和广东两地的调频里程申报价格上限均达到15元/MW。

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表1:2020年各省发布的调频文件

政策加码,推动行业前景逐渐明朗,尤其是近两年来火储联合调频已成长为国内电化学储能产业中“率先实现商业化”的领域;在山西、蒙西、京津唐、广东已进入产业爆发期,在江西、上海、甘肃、江苏等地也开始陆续落地项目,吸引大批储能企业入局。这也使得竞争进一步加剧,同质化项目的利润正越来越薄,甚至部分地区还有亏损的风险。

显然,储能系统仅满足于“能用”已经不合时宜,“好用”的属性渐渐变得越来越重要。特别是于储能电池而言,占据了储能系统高达53%左右的成本,对其性能和成本的综合考量将变得愈发苛刻。

在过去的几年里,锂离子电池价格迅速下降,成功坐上了市场的头把交椅。根据CNESA数据显示,截止到2019年底,锂电池在全球累计装机规模中占比高达约88.8%。

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图1:全球储能市场累计装机规模(2000-2019)

而以调频为典型代表的“功率型储能”应用上正在逐步提升,近日,银隆新能源高钛酸锂储能系统顺利落地广东珠海横琴区国家电投珠海横琴热电有限公司,通过电网调频、平衡负载波动、黑启动等功能,为横琴新区提供安全高效、经济环保、清洁低碳的绿色能源解决方案。

据了解,在该项目中,银隆新能源高倍率钛酸锂储能系统主要作用为发电侧调频,通过对电池系统频繁快速的充放电,以达到调节电网频率的作用,而其系统长寿命、大倍率的特性充分满足项目需求,具有响应速度快,短时功率吞吐能力强,且易改变调节方向等特点。银隆新能源高倍率钛酸锂储能系统与常规调频电源相结合,可作为辅助传统机组调频的有效手段,进一步提高电网运行的安全性与可靠性。

02钛酸锂利刃出鞘

电化学储能系统广泛应用于电力系统各个环节,其电池并联数量多、运行功率大,安全风险和影响都比电动汽车动力电池严重的多。因此,安全是业主最关注指标的第一选项。

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表2:三种锂离子电池技术对比

三元锂电池过去的败退,正是缘于其看起来 “不那么安全”。

业内人士表示,锂离子电池中,除了正常的充电-放电反应外,还存在许多潜在的放热副反应,当电池温度过高或过充电时,容易被引发。而三元锂电池组热稳定性较差,不到300℃就会分解出氧分子,遇到电池中可燃的电解液、碳材料后一点就着,由此产生的热量进一步加剧正极分解,导致其在极短的时间内就会爆燃。

但这样的性能,与其说是安全,倒不如说是“危险可控”。

论安全,钛酸锂电池无疑更具优势。与其它锂离子电池相比,钛酸锂电池几乎不形成稳定性差的SEI膜,避免了电池因过热而起火的危险。钛酸锂材料对金属锂的电位为1.55V,对锂金属的电位更高,即使在充电后期、低温或高倍率充电的情况下,此负极的电位也不会达到锂离子还原成金属锂的电位,避免了电池在过充时生成锂枝晶,安全性更好。而锂枝晶是刺穿隔膜导致锂离子电池内部短接,造成电池的热失控引发燃烧爆炸的罪魁祸首。

此外,为了保证产品的安全性,银隆已经在其实验室里,将钛酸锂电池先后进行了电钻、切割、针刺、和高温烘焙等花式虐待,但钛酸锂电池均未发生冒烟起火爆炸等现象。石家庄公交公司技术设备部孟部长称:“安全性是我们最关心的问题,钛酸锂的优点就是电池的安全性高,石家庄公交现在运行的银隆钛酸锂车,没有发现过冒烟着火的情况。”据最新数据显示,在投放市场的装载银隆钛酸锂电池的银隆车中,因电池诱发的安全故数为零。

其次是长寿命,银隆钛酸锂电池可循环充放高达3万次,按照每年循环1000次计算,使用寿命长达30年,远高于其他两种技术。这主要是由于钛酸锂材料结构稳定,在充放电过程中,锂离子嵌入和脱嵌不会造成钛酸锂晶型结构的变化,被称为零应变材料。充放电过程中,钛酸锂材料的晶格参数仅从0.836埃米增加到0.837埃米(1纳米=10埃米),体积变化仅0.3%,具有优异的循环稳定性。

传统锂电池一般采用石墨做负极材料,石墨为二维层状结构,锂离子脱嵌过程当中,体积变化率达到了±10%,严重降低了二者的循环寿命。要知道,大型储能项目运营起来便是以数十年甚至百年计,如果储能电池寿命只有短短几年,更换过于频繁,不仅增加运营成本,而且容易增加性能不稳定的风险,钛酸锂的长寿命特性正好解决问题。

另一方面,钛酸锂的三维锂离子通道,可以实现锂离子快速脱嵌。与其他负极材料相比,钛酸锂有着较高的锂离子扩散系数,电化学反应速度快,满足大倍率快速充放电的需求,且不会形成阻碍锂离子扩散的SEI膜,充放电稳定。央视《经济半小时》播放的报道《新能源跑出“加速度”》显示,银隆公交车在顶充设备之下,充电三分多钟,剩余电量就由33%上升到60%以上,仅仅8分钟,银隆公交车的电量就充满了,显示为99%。

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图2:6min电池快充曲线图

另外一个很重要的性能指标就是耐宽温。钛酸锂结构稳定,其尖晶石结构具有三维的锂离子扩散通道,且表面不形成固液界面钝化膜,在低温下各项动力学性能仍能保持常温时的状态,充电不会导致短路或出现使负极恶化的锂枝晶。据有关数据显示,银隆生产的钛酸锂具备在-50℃~60℃的超宽温范围完全充放电的能力。

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图3:钛酸锂电池低温充放电性能

以上即为钛酸锂电池“好用”的部分,那么,是什么耽误了钛酸锂电池“能用”呢?

两个字:成本!

绝大多数的储能应用场景其实都是商业场景,客户购买储能产品归根到底是为了赚钱或者省钱,在当前以“实现商用”为目标的电化学储能行业中,似乎成本成了钛酸锂电池最大的局限。

但,这个成本是真的高吗?成本高是单纯从初始投资的角度来看的,在调频电站的长周期内,若考虑全生命周期的里程成本,则有着不同的结果。

03瞄准里程成本

里程成本指在功率型调频储能电站的生命周期内,平均到单位调频里程的电站投资成本。而最大功率决定了调频里程的上限,是评价储能电站参与电网一次或二次调频经济性的重要指标。AGC调频的补偿收益如果不考虑竞价方面的因素,主要取决于储能系统的最大功率。

钛酸锂电池的充放电倍率远超其它锂电池,一般锂电池的倍率只有2C,银隆钛酸锂电池倍率则可以达到4C,甚至更高,是一般锂电池的两倍以上,再加上其与其它锂离子电池相比高出三倍以上的寿命,在相同装机体量的前提下,其调频里程可达到其它锂离子电池的六倍以上。

换言之,理论上来讲,钛酸锂电池储能的初始投资成本只要不超过其他锂电池储能的6倍,其在性价比上都是具有优势的。而银隆的目标是将初始投资成本压缩在其它锂离子的2倍以下,此时,其里程成本仅为其他离子电池的1/3,竞争优势凸显。

以典型的2C调频项目为例,其回收期不到四年,相比一般锂离子电池可以缩短1.45年,且初期电池配置少,整体投入降低20%,中途无需更换电池。

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图4:钛酸锂储能及一般锂离子储能项目年末未回收成本对比

诚然,在整个储能产业的视角下,调频等功率型储能领域,银隆高功率钛酸锂储能系统拥有最低的里程成本,且具有极高的安全特性,可以说是调频领域更适合的应用。钛酸锂之于储能电池,就像是转子发动机之于往复式发动机一样,虽然不是现阶段的市场主流,但在赛车领域却成为了无冕之王,未来可期。

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