詳解鉛炭電池在儲能當中的應用

作者: | 發布日期: 2018 年 09 月 14 日 14:29 | 分類: 新能源知識

儲能行業的拐點已經來臨,鉛炭儲能電池的成本在2016年下降了30%以上,已經具備經濟性。我們寫作關于鉛炭電池的系列文章,希望大家能夠更好地認識鉛炭電池,以及鉛炭電池在儲能當中的應用。

“上游材料篇”,也就是本篇文章,側重介紹鉛炭電池最重要的原材料鉛的來源、分布、價格形成機制及交易模式等。

“中游電池篇”側重介紹鉛炭電池技術及鉛炭電池的系統結構,同時與其他幾種重要的儲能方式進行比較,突出了鉛炭電池低成本、高效率的特點。

“下游應用篇”則主要介紹鉛炭電池的實際應用,包括系統構成、應用場景的比較及財務測算等,力求說明鉛炭電池應用領域的一些重要問題。

我們認為,2017年將是儲能行業項目、收益同時爆發的元年,鉛炭電池作為技術成熟、適用范圍廣、效率高、循環次數高等多方面都具備優勢的儲能形式,將成為發電側調峰調頻及用戶側削峰填谷的重要儲能形式。

“上游材料篇”

思考的問題:

1、鉛的來源以及生產模式是什么樣的?

2、鉛近年來的價格走勢如何?

3、鉛資源下游產業鏈分析

4、鉛碳電池對鉛的使用量占比究竟有多大?

重要結論:

鉛的來源主要有鉛礦開采及再生鉛兩種,鉛品質相同,都可以滿足鉛炭電池的要求。再生鉛的成本為開采鉛的70%左右,但是成本可能因廢品價格波動而變化。鉛資源擁有成熟的定價機制及交易體系,鉛炭電池生產企業一般也都采取套期保值等措施,維持成本的穩定。能夠擁有自己的再生鉛生產企業或者鉛礦,能夠形成產業鏈閉環,穩定成本。

1、鉛的生產

鉛的生產大致分為原生和再生兩個途徑。

鉛的原生是指礦產冶煉。首先,從礦山中采集礦石,經過富集、采選等流程之后加工成為精礦粉。冶煉廠采購精礦粉作為原料進行粗煉,得到粗鉛(鉛含量在96%左右,含有金銀鋅等其他金屬);粗鉛通過火法或電解精煉得到精鉛,在此基礎上進行加工,大多數情況下原生鉛冶煉的最終產品為1#鉛(用來加工成鉛鈣、鉛銻合金或鉛粉,合金再做成蓄電池的正負極板)。

圖1、原生鉛生產示意圖

再生鉛的生產流程大致如下:回收使用過的蓄電池,進入再生鉛生產企業。經過人工剝片、破碎以及熔煉等步驟,得到還原粗鉛和還原鉛錠,最后大多加工成鉛銻合金。

圖2、再生鉛生產示意圖

圖3顯示了全球鉛礦的大致分布圖。結合圖4、圖5以及表1可以發現:澳大利亞、中國、美國和秘魯是當今世界上鉛儲量比較豐富的四個主要國家,從2006年到2015年,四國鉛總儲量占全球儲量的比例從58.48%逐步上升至70.22%。中國不僅含有位列世界第二的鉛儲量,國內鉛產量占全球產量的比例更是在2015年時高達48.83%。

圖3、世界鉛礦分布圖

圖4、主要國家鉛儲量占比走勢圖

表1、中國、澳大利亞、美國和秘魯四國鉛總儲量占全球鉛儲量比例情況表

圖5、主要國家鉛產量占比走勢圖

圖6和圖7可以看出,在2014年和2015年,我國鉛礦原生鉛的產量有了小幅的下降,但國內再生鉛的產量卻在近些年來穩步上升,在2014年達到近160萬噸。

一方面,是由于從2015年開始,針對鉛冶煉行業的環保檢查開始逐漸升級,到了2016年,更是加大了檢查的頻率和力度,使得多家煉廠及商家受到處罰,造成了原生鉛產量有所下滑,另一方面,由于循環經濟、再生產業是國家的政策導向,再生鉛的技術不斷發展成熟,成本也僅是原生鉛70%左右。

即使再生鉛也面臨著較為嚴格的環保政策,但相比于原生鉛來說,未來再生鉛潛力巨大,市場份額預計將會進一步提升。

圖6、我國鉛礦產量走勢圖

圖7、我國再生鉛產量走勢圖

2、鉛價格透明,交易渠道成熟

圖8展現了近幾年來我國鉛現貨價格的趨勢圖。可以看到,從2009年以來,我國國內鉛現貨價格基本趨于平穩,并且略微有所上升。

圖8、我國鉛現貨價格走勢圖

圖9、我國期貨鉛收盤價走勢圖

此外,我國于2011年3月24日在上海商品交易所推出鉛期貨,豐富了我國鉛市場的交易品種,使得市場參與者開始可以利用鉛期貨或是其他價格相關性較強的有色金屬期貨進行一定的風險對沖,也極大地完善了我國有色金屬期貨市場。從圖9可以看到,自推出之日起,期貨鉛的收盤價大致保持在一個比較平穩的狀態,2016年有所上升。

3、鉛資源產業鏈

圖10展示了鉛資源產業鏈的全景圖。結合圖11可以發現,在鉛的下游消費結構中,鉛蓄電池占比最高,約為80%,氧化物占比12%,其他如鉛材、鉛合金等占比總和約為8%。

所以鉛的主要消費集中在鉛蓄電池,鉛蓄電池產業的發展情況也將很大程度上影響鉛資源的價格起伏波動。

圖10、鉛資源產業鏈全景圖

圖11、鉛資源消費結構占比圖

4、總結

鉛作為鉛炭電池的重要上游產業,我們在系列報告的第一篇為進行了比較詳細的分析。總體來看,國內的鉛價格比較穩定、透明,因此作為下游行業的鉛炭電池,在原材料的采購成本上是比較穩定的。這一點對產業發展有著正向、積極的影響,也是支持鉛炭價格成本進一步降低的重要因素。

“中游電池篇”

思考的問題:

1、鉛炭電池適合的應用場景有哪些?

2、儲能項目的主要合作模式是什么?

3、目前已經在運行的項目,回報率如何?

4、鉛炭電池的未來展望

重要結論:

鉛炭電池作為由傳統鉛酸電池改進而來的電池,技術上比較成熟,上游材料供應穩定,價格透明,因此鉛炭電池的成本穩定、可控,且隨著規模效應的進一步增強,鉛炭電池成本存在進一步下降的空間。

當前階段,使用鉛炭電池儲能的項目已經具備了經濟性,商業化項目大面積鋪開,訂單量爆發。用戶側削峰填谷已經可以實現經濟效益,發電側調峰調頻,對改善棄風限電現象起到重要作用。我們認為,2017年將是鉛炭儲能電池爆發的一年,擁有核心技術、成套產品設計和生產能力的龍頭企業,將分得最大的蛋糕。

鉛炭儲能電池的應用已經具備經濟性

當前,鉛炭儲能電池應用廣泛的環節之一是用戶側儲能。用戶側儲能的主要作用是削峰填谷平滑成本,以及協助用戶改善電能質量。鉛炭電池儲能的主要優勢是效率較高、成本適中、占地面積較小、循環次數較好,比較適用在土地資源有限、充放電次數高的用戶儲能。

可以看出,在綜合各項成本,尤其是土地成本之后,鉛炭電池儲能是目前最具有經濟性的儲能方式,在削峰填谷、調峰調頻、改善電能質量為主要需求的發電側和用戶側儲能領域,擁有最好的應用前景。這也是當前階段,鉛炭電池儲能的訂單量占比最高的原因。

以20MWh的儲能電站為例,進行投資成本的測算。

下面根據以上假設,進行20MWh儲能電站的經濟性測算:

在以上這種由建設方出資建設,由業主方提供土地,并與業主方進行收益分成的合作模式中,在不計算杠桿的條件下,收益率可以達到7.66%。同時,業主也可以選擇自己建設儲能電站,同時托管給專業的運營商進行日常的運行、維護管理等。

儲能除電池外,電池管理系統(BMS)以及過程控制系統(PCS)等也非常重要。目前的儲能項目中,擁有獨立設計、制造全套的電池及控制系統能力的供應商,更能夠為客戶提供優質的服務和解決方案。

鉛二次利用價值穩定,鋰電池梯次利用尚不明確

在本系列的第一篇,鉛炭電池的上游資源中我們就已經介紹過,鉛炭電池的重要原料鉛資源,屬于大宗商品,對鉛有活躍的報價。且近年來,鉛的價格穩中有升,維持了比較好的態勢。

同時,鉛回收利用已經是非常成熟的產業,2014年我國再生鉛產量達到約160萬噸,同比增長6.7%,占鉛產量的38%。隨著鉛回收技術的進一步提升,目前鉛的回收率可以達到98%以上。

而與之相比,鋰電池目前僅有梯次利用的價值,金屬鋰的回收仍然處在探索、科研階段,沒有明確的回收價值。

結論

綜合以上對鉛炭電池應用各個環節的討論,我們不難得出以下結論:

1、鉛炭電池已經具備了一定的經濟性,項目回報率較好,在用戶側儲能領域擁有廣闊前景和市場空間。

2、目前項目的主要模式是建設方出資,用戶出土地資源,同時多種合作模式都是存在的。

下游應用篇

思考的問題

1、鉛炭儲能電池的結構、系統結構是什么樣的?

2、鉛炭電池的成本分析

3、鉛炭電池可以運用于哪些領域?

4、鉛炭電池的優勢和現在存在的問題有哪些?

重要結論

鉛炭電池通過對傳統鉛酸電池負極的改性,及與超級電容器相配合,提高了電池的循環次數、充放電倍率,從而提升了效率。目前,鉛炭電池的每Wh成本已經降低至0.6元左右,且隨著規模效應影響提升,成本有進一步降低的趨勢。與蓄水儲能相比,鉛炭電池受環境等客觀因素限制較小,與鋰電池儲能相比,鉛炭電池成本僅為鋰電成本的約1/3,經濟性明顯。

1.鉛炭電池儲能技術

在電網規模儲能應用和混合動力汽車等領域,通常電池需要在高電流密度條件下循環,即高倍率充放電操作,使得鉛酸電池常常由于負極硫酸鹽化而失效,從而極大地影響鉛酸電池的使用壽命。而鉛炭電池就是在傳統鉛酸電池的基礎上加入碳,極大地提高了鉛酸電池的壽命。

1.1鉛炭電池的構成

鉛炭電池是一種特殊的電容型鉛酸電池,傳統的鉛酸蓄電池單體是由一個二氧化鉛正極板和一個海綿狀鉛負極板組成,而不對稱超級電容器則是由二氧化鉛正極板和碳負極板組成。由于二者有共同的正極板,因此可以將二者復合在同一電池體系內,即形成所謂的鉛炭電池。圖1展示了從傳統鉛酸電池到鉛炭電池兩者結構上的發展與變化。

從圖1可以看出,相比于傳統鉛酸電池,鉛炭電池在負極加入了碳材料。碳材料的加入加速了轉化過程中活性物質的轉化,活性炭表面形成了新的活性中心,降低了極板充電過程中的極化,并抑制硫酸鉛顆粒長大,有利于硫酸鉛的還原。所以在鉛酸蓄電池中加入適量的碳能夠有效抑制硫酸鉛晶體在負極表面的積累,減緩硫酸鹽化的趨勢,使得電池循環的壽命顯著增加。

同時,與在高倍率充放電過程中,超級電容器能夠快速提供和吸收電荷,發揮緩沖器的作用。因此與超級電容器的配合提高了電池的功率,延長了電池循環壽命。

1.2儲能系統構成

儲能系統中,除了電池的應用以外,還涉及到了電池管理系統(BMS)以及過程控制系統(PCS)等。BMS主要用于估測動力電池組的荷電狀態,即電池剩余電量;在電池充放電過程中進行動態監測等,是電池能量管理系統中的一項關鍵技術。圖2展示了儲能電站運營管理系統的示意圖。

當儲能電站配合光伏并網發電時,光伏組件首先利用太陽能電池板的光伏效應將光能轉換為電能,之后對電池組進行充電,通過逆變器將直流電轉換為交流電對負載進行供電;BMS根據日照強度與負載的變化,實時調節蓄電池組的充放電狀態,使整個系統保持了連續性和穩定性。

電池組在整個儲能系統中起到了能量調節和平衡負載的重大作用。它在用電低谷時將電能轉化為化學能儲存起來,以備供電不足時使用。而鉛炭電池本身更好的充放電接收能力(100%深度放電后,以2.35V/單位恒壓限流0.15C10(A)充電10小時,充電量在放出電量的98%以上);極低的自放電;以及70%DOD預期循環壽命4000次、可回收的特性,使得鉛炭電池相對于儲能系統相比于傳統的鉛酸電池更具有優勢。

2.鉛炭電池成本分析

由第一部分分析可知,鉛炭電池是由傳統的鉛酸電池與超級電容器結合產生的新型鉛酸電池,另外,在實踐中,由于因此鉛炭電池的成本與價格受到一系列要素價格的影響,包括:活性炭價格與供給量、鉛價格波動、電容器價格以及其他因素例如添加劑石墨烯等。

從圖4中可以看到,2016年下半年,活性炭價格先有一個明顯下跌,之后緩慢回升。此系列的上一篇報告中分析可以知道,近些年來鉛資源的價格大體呈先較為穩定的狀態,但在近半年價格有一定幅度的提升,具體走勢圖見圖5。

從各項原材料影響程度來看,理論上鉛炭電池價格很大程度是由鉛價格來決定的,對于鉛的需求彈性較小,鉛價的波動很可能造成鉛炭電池成本的增加。但另一方面,通常公司對下游客戶存在價格聯動,有時間差,所以鉛價的波動也有可能給雙方帶來盈利。至于導電性、延展性能都很好的石墨烯,相比于活性炭而言,由于其高昂的價格,使得鉛炭電池目前對于石墨烯的需求彈性較大,在加工過程中,更為普遍的做法是加入一定量的活性炭來對傳統鉛酸電池性能進行改善。

3.應用

由于使用了鉛炭技術,鉛炭電池的性能遠遠優于傳統的鉛酸蓄電池,同時又具有與傳統鉛酸電池相近的低廉價格優勢及成熟的工業制造基礎,在各種應用領域有著極強的競爭力優勢。

3.1對比

在目前的儲能領域中,運用和關注度較廣的化學儲能方式除了鉛炭電池外,還有鋰離子電池。除此以外,抽水儲能是當今世界上運用最廣、技術最成熟的一種物理儲能方式。接下來對這三種儲能方式進行對比分析。

3.1.1鉛碳電池

由于鉛炭電池是在傳統的鉛酸電池上發展起來的,它具有很多優勢:一是充電快,提高8倍充電速度;二是放電功率提高了3倍;三是循環壽命提高到6倍,循環充電次數達2000次;四是性價比高,比鉛酸電池的售價有所提高,但循環使用的壽命大大提高了;五是使用安全穩定,可廣泛地應用在各種新能源及節能領域。隨著產量增高,鉛炭電池的成本隨著規模效應提升而進一步下降,未來的應用前景更加廣闊。

3.1.2鋰離子電池

與鉛炭電池相對應的另一種化學儲能方式就是鋰離子電池。鋰離子電池具有能量密度大,循環壽命長,自放電率低且環保等優點,主要應用于現今筆記本和手機兩大產業。由于其自身的優勢,鋰離子電池同樣也是未來大規模儲能系統的一個理想選擇。

在未來的應用中,鋰離子電池在安全性、循環壽命、成本和工作溫度范圍方面仍然存在問題。與其它充電電池不同,鋰離子電池的容量會緩慢衰退,與使用次數有關,也與溫度有關。這種衰退的現象可以用容量減小表示,也可以用內阻升高表示。

盡管隨著動力電池應用的推廣,鋰電池技術、成本都有很大提升,但是目前鋰電池成本仍然是鉛炭電池的3倍以上。在儲能領域,除了高端數據中心及對儲能電池重量有嚴格限制的使用場景外,目前運用鋰電池進行儲能的商業項目非常少。

3.1.3抽水儲能

抽水儲能是當今世界上運用率最廣,技術最成熟的一種儲能方式,它屬于物理儲能。抽水儲能是在電力負荷低谷期將水從下池水庫抽到上池水庫時將電能轉化成重力勢能儲存起來的形式,綜合效率在70%到85%之間,應用在電力系統的調峰填谷、調頻、調相、緊急事故備用等。但抽水儲能的建立很大程度上得依靠地理位置的選擇,因此,使其在未來進一步的發展應用中受到了一定的限制。

3.2、儲能管理平臺構想——南都電源

一個12MWh的儲能電站,每天谷電時間充電8小時,充放電深度按照80%計算,平均日充電量為9300kWh,累計充放電維持平穩。峰電時期放電8小時,平均日放電量為8400kWh,充放電效率達到90.51%,財務上按照85%計算。峰時電價1.05分,谷時電價0.31元,每天收益5938.03元,每年按照360天計算,年收益為2,137,691元。

實際運行的數據全面達到了設計數據標準,目前儲能電池放電深度為70%,但電池完全可以滿足80%DOD運行,按此計算,每天谷電時期充電8小時,平均日充電量為10666.7kWh;峰電時期放電8小時,平均日放電量為9600kWh;充放電效率為90%。結合現有峰谷電價差,平均每天收益約為6773.33元,比70%充放電,收益提高了14%;按照每年運行360天計算,年收益約為243.84萬元,收益提高14%。

預期的收益提高,主要是充放電效率的提升。充電次數目前在6000次內,無明顯衰減,70%的DOD已經考慮到衰減的可能性,未來縮小了之后仍然未達到極限。80%為壽命終止,滿足國際標準。

文章來源:興業電新

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