清華大學副研究員 戴興建
4月2-4日, '儲能國際峰會暨展覽會2018' 在北京國家會議中心舉行. 清華大學副研究員戴興建在主題論壇上做演講. 以下為演講內容:
清華大學副研究員 戴興建:
感謝儲能聯盟的邀請介紹飛輪儲能的一些基本的說法, 因為儲能各種各樣, 飛輪儲能是一個比較特殊的技術. 包括有三點, 首先介紹國內外的研究現狀和發展趨勢, 把這幾個參數和應用做一個介紹, 最後, 大家很關心成本, 我們也有一個估計, 因為做的時間也比較長了, 在儲能裡頭有一種需求, 叫高頻次, 短式高頻次. 前面介紹的充放電次數可能在一萬次, 飛輪儲能的充放電次數可以超過10萬次, 甚至更長. 飛輪儲能也要追求高性能, 包括大容量, 飛輪的單機容量可以做的很大, 我們講的功率, 幾百個飛輪並聯以後可以做到數十兆瓦, 上百兆瓦.
飛輪儲能這個技術是從國外五六十年代開始做, 做了五六十年了, 在技術指標上確實有一些突破, 我們講單機功率國外已經做三兆瓦, 清華前年做出一兆瓦的系統. 能量, 他拿鍍電衡量不是他的長項, 短時大功率. 現在國外對低速飛輪可以做到十即度電, 中低速. 三兆瓦的系統存了六十兆焦, 在比較重要的供電場合是比較合適的. 另外一組飛輪是高速飛輪, 高速飛輪轉速超過一萬轉. 這時候功率就上不去了, 我們可以看到國外最高的是330千瓦, 國內可以做到三百千瓦, 能量90兆焦大概25度電, 我們跟電池一樣. 國外的高速可以到2200轉, 國內1600轉, 並且國內也是樣機的水平. 國內從九即年開始做飛輪儲能, 最近幾年有更多的單位做這些事兒, 這是因為儲能這個行業在快速的發展, 有它的需求, 飛輪儲能針對短時高頻次, 對功率要求很高, 但是對能量要求不高的場合, 它是有它的用武之地的.
國內這些年有一些突破, 單機研製方面在縮小差距. 要做到電網用途, 我們單個可以做到幾百千瓦到幾個兆瓦, 在美國有兩個20兆瓦的儲能電站, 單個電站是200個飛輪, 這和國外還是有一些差距.
我們近期想在國家重點研發計劃裡頭做一個飛輪陣列, 並且在電網短時高頻次的用途上做一個示範應用. 單機容量, 對低速飛輪來講可以到600千瓦到三兆瓦, 高速電極功率做不到, 由於收到電機損耗 , 我們通過200到1000個單機就可以做到高功率的儲能系統. 所以我們覺得飛輪儲能還是一種短時, 他的充放電在分秒級的, 高功率.
這麼一個大的儲能系統, 我們也可以不按他的額定功率把時間延長, 比如原來堅持30秒, 就可以做到5分鐘. 剛才說的是容量, 第二個問題效率. 有的做飛輪的單位去講效率, 說99%, 98%, 我不知道他提的這個效率是什麼?對於我們搞儲能來講, 你進去多少度電, 拿出來多少度電, 這才是真正的能量效率. 充電包括兩個過程, 我們假設是98%, 放電還有兩個98%, 再加上其他的損耗, 所以我們覺得效率能做到86%到94%這個區間就是我們所說的迴圈的能量效率, 這個數字才是合理的一個區間. 如果說99%, 98%, 我不知道他說的是什麼效率.
第三個問題壽命, 因為飛輪是用金屬材料或者複合材料, 它的強度疲勞壽命, 設計可以做到10萬次以上. 電機材料也是比較成熟的, 電力電子材料和其他的做功率變換的是一樣的. 它的兩個軸承和輔助系統可以通過維護來達到長壽命. 問題是, 這麼長的壽命用在什麼地方?我們在很多參考文獻可以看到飛輪的壽命十萬次以上, 這個是靠譜的, 有科學依據的, 但是用在哪個地方, 根據我們做這麼多年的飛輪的經驗, 在車輛動能再生領域是有高頻次的. 我們在中原油田項目裡頭, 在短短4個月充放電達到1萬2千次, 對高頻次的, 我們覺得它的是有它的用武之地的, 第二個用途, 如果每天10次或者20次, 每年是幾千次, 也有它的用武之地. 還有一種想法, 用到調峰, 調峰可能這個次數就不夠了, 每天一次, 一年也就300多次, 是萬次要用多少年呢?30年, 對很多投資人難以接受, 或者不願意投那麼遠.
最後一個問題關於成本, 這張表是2015年的一個文獻, 這是我們的一個參考, 從這每千瓦的歐元數看, 和其他相比還是比較低的一個成本. 注意, 它的單位是千瓦, 不是千瓦時, 論度電它就沒有競爭力了. 要發揮它的長處, 短時高頻次, 用功率來衡量它, 它還是有優勢的. 這個是講它的維護.
在這裡頭, 最後是講的考慮到各種因素以後, 它的成本還是比較低的水平. 我們強調它在高頻次充放電的條件下, 以千瓦來衡量它的價格. 這個講的是在調頻用途裡頭, 它和鋰電池, 鉛酸電池比, 每年的迴圈價格還是比較低的一個價格. 所以如果調頻市場, 每年在幾千次的充放電市場裡頭, 應用裡頭, 我們覺得飛輪儲能還是有競爭力的, 它的競爭力還表現在它的材料是成熟的, 技術是相對成熟的, 不會從基本的材料體系開始研究.
這是美國能源部的一個數據, 也是講的飛輪儲能對於調頻這個市場. 單次調頻的成本還是比較低的.
第三, 關于飛輪儲能的應用. 幾個應用, 八九十年代針對航天應用, 車輛在歐洲發展的比較多, 主要是對公交系統的頻繁有刹車動能再生的場景, 包括起重機械也是能量回收, 加起來的市場和動態UPS, 以及新能源發電, 電網調頻都是一個小的市場. 我們剛才說幾千次充放電從美國儲能電站提供的運行的數據, 它佔到這個電網系統的調頻的容量只有10%, 但是它承擔了30%的調頻操作. 在三千到五千次電壓調頻場合裡它是有優勢的. 我們講十萬次以上要注意在我這個設備投資期或者是運行期間到底十萬次能不能用上?這個要考慮. 所以我們覺得五千次每年功率性的用途最適合飛輪儲能的.
另外一種用途, 關於能量用途, 這是2012年出的, 想跟電池競爭, 做電池型的飛輪, 他能做到0.4每千瓦時. 我們的結論是, 單機的容量可以做的很高, 效率86%到94%, 這是比較合理的區間, 壽命在10萬次以上, 它的成本我們估計在1200到2500塊錢千瓦. 比較適合高頻次的調頻應用. 謝謝!