详解铅炭电池在储能当中的应用

作者: | 发布日期: 2018 年 09 月 14 日 14:29 | 分类: 新能源知识

储能行业的拐点已经来临,铅炭储能电池的成本在2016年下降了30%以上,已经具备经济性。我们写作关于铅炭电池的系列文章,希望大家能够更好地认识铅炭电池,以及铅炭电池在储能当中的应用。

“上游材料篇”,也就是本篇文章,侧重介绍铅炭电池最重要的原材料铅的来源、分布、价格形成机制及交易模式等。

“中游电池篇”侧重介绍铅炭电池技术及铅炭电池的系统结构,同时与其他几种重要的储能方式进行比较,突出了铅炭电池低成本、高效率的特点。

“下游应用篇”则主要介绍铅炭电池的实际应用,包括系统构成、应用场景的比较及财务测算等,力求说明铅炭电池应用领域的一些重要问题。

我们认为,2017年将是储能行业项目、收益同时爆发的元年,铅炭电池作为技术成熟、适用范围广、效率高、循环次数高等多方面都具备优势的储能形式,将成为发电侧调峰调频及用户侧削峰填谷的重要储能形式。

“上游材料篇”

思考的问题:

1、铅的来源以及生产模式是什么样的?

2、铅近年来的价格走势如何?

3、铅资源下游产业链分析

4、铅碳电池对铅的使用量占比究竟有多大?

重要结论:

铅的来源主要有铅矿开采及再生铅两种,铅品质相同,都可以满足铅炭电池的要求。再生铅的成本为开采铅的70%左右,但是成本可能因废品价格波动而变化。铅资源拥有成熟的定价机制及交易体系,铅炭电池生产企业一般也都采取套期保值等措施,维持成本的稳定。能够拥有自己的再生铅生产企业或者铅矿,能够形成产业链闭环,稳定成本。

1、铅的生产

铅的生产大致分为原生和再生两个途径。

铅的原生是指矿产冶炼。首先,从矿山中采集矿石,经过富集、采选等流程之后加工成为精矿粉。冶炼厂采购精矿粉作为原料进行粗炼,得到粗铅(铅含量在96%左右,含有金银锌等其他金属);粗铅通过火法或电解精炼得到精铅,在此基础上进行加工,大多数情况下原生铅冶炼的最终产品为1#铅(用来加工成铅钙、铅锑合金或铅粉,合金再做成蓄电池的正负极板)。

图1、原生铅生产示意图

再生铅的生产流程大致如下:回收使用过的蓄电池,进入再生铅生产企业。经过人工剥片、破碎以及熔炼等步骤,得到还原粗铅和还原铅锭,最后大多加工成铅锑合金。

图2、再生铅生产示意图

图3显示了全球铅矿的大致分布图。结合图4、图5以及表1可以发现:澳大利亚、中国、美国和秘鲁是当今世界上铅储量比较丰富的四个主要国家,从2006年到2015年,四国铅总储量占全球储量的比例从58.48%逐步上升至70.22%。中国不仅含有位列世界第二的铅储量,国内铅产量占全球产量的比例更是在2015年时高达48.83%。

图3、世界铅矿分布图

图4、主要国家铅储量占比走势图

表1、中国、澳大利亚、美国和秘鲁四国铅总储量占全球铅储量比例情况表

图5、主要国家铅产量占比走势图

图6和图7可以看出,在2014年和2015年,我国铅矿原生铅的产量有了小幅的下降,但国内再生铅的产量却在近些年来稳步上升,在2014年达到近160万吨。

一方面,是由于从2015年开始,针对铅冶炼行业的环保检查开始逐渐升级,到了2016年,更是加大了检查的频率和力度,使得多家炼厂及商家受到处罚,造成了原生铅产量有所下滑,另一方面,由于循环经济、再生产业是国家的政策导向,再生铅的技术不断发展成熟,成本也仅是原生铅70%左右。

即使再生铅也面临着较为严格的环保政策,但相比于原生铅来说,未来再生铅潜力巨大,市场份额预计将会进一步提升。

图6、我国铅矿产量走势图

图7、我国再生铅产量走势图

2、铅价格透明,交易渠道成熟

图8展现了近几年来我国铅现货价格的趋势图。可以看到,从2009年以来,我国国内铅现货价格基本趋于平稳,并且略微有所上升。

图8、我国铅现货价格走势图

图9、我国期货铅收盘价走势图

此外,我国于2011年3月24日在上海商品交易所推出铅期货,丰富了我国铅市场的交易品种,使得市场参与者开始可以利用铅期货或是其他价格相关性较强的有色金属期货进行一定的风险对冲,也极大地完善了我国有色金属期货市场。从图9可以看到,自推出之日起,期货铅的收盘价大致保持在一个比较平稳的状态,2016年有所上升。

3、铅资源产业链

图10展示了铅资源产业链的全景图。结合图11可以发现,在铅的下游消费结构中,铅蓄电池占比最高,约为80%,氧化物占比12%,其他如铅材、铅合金等占比总和约为8%。

所以铅的主要消费集中在铅蓄电池,铅蓄电池产业的发展情况也将很大程度上影响铅资源的价格起伏波动。

图10、铅资源产业链全景图

图11、铅资源消费结构占比图

4、总结

铅作为铅炭电池的重要上游产业,我们在系列报告的第一篇为进行了比较详细的分析。总体来看,国内的铅价格比较稳定、透明,因此作为下游行业的铅炭电池,在原材料的采购成本上是比较稳定的。这一点对产业发展有着正向、积极的影响,也是支持铅炭价格成本进一步降低的重要因素。

“中游电池篇”

思考的问题:

1、铅炭电池适合的应用场景有哪些?

2、储能项目的主要合作模式是什么?

3、目前已经在运行的项目,回报率如何?

4、铅炭电池的未来展望

重要结论:

铅炭电池作为由传统铅酸电池改进而来的电池,技术上比较成熟,上游材料供应稳定,价格透明,因此铅炭电池的成本稳定、可控,且随着规模效应的进一步增强,铅炭电池成本存在进一步下降的空间。

当前阶段,使用铅炭电池储能的项目已经具备了经济性,商业化项目大面积铺开,订单量爆发。用户侧削峰填谷已经可以实现经济效益,发电侧调峰调频,对改善弃风限电现象起到重要作用。我们认为,2017年将是铅炭储能电池爆发的一年,拥有核心技术、成套产品设计和生产能力的龙头企业,将分得最大的蛋糕。

铅炭储能电池的应用已经具备经济性

当前,铅炭储能电池应用广泛的环节之一是用户侧储能。用户侧储能的主要作用是削峰填谷平滑成本,以及协助用户改善电能质量。铅炭电池储能的主要优势是效率较高、成本适中、占地面积较小、循环次数较好,比较适用在土地资源有限、充放电次数高的用户储能。

可以看出,在综合各项成本,尤其是土地成本之后,铅炭电池储能是目前最具有经济性的储能方式,在削峰填谷、调峰调频、改善电能质量为主要需求的发电侧和用户侧储能领域,拥有最好的应用前景。这也是当前阶段,铅炭电池储能的订单量占比最高的原因。

以20MWh的储能电站为例,进行投资成本的测算。

下面根据以上假设,进行20MWh储能电站的经济性测算:

在以上这种由建设方出资建设,由业主方提供土地,并与业主方进行收益分成的合作模式中,在不计算杠杆的条件下,收益率可以达到7.66%。同时,业主也可以选择自己建设储能电站,同时托管给专业的运营商进行日常的运行、维护管理等。

储能除电池外,电池管理系统(BMS)以及过程控制系统(PCS)等也非常重要。目前的储能项目中,拥有独立设计、制造全套的电池及控制系统能力的供应商,更能够为客户提供优质的服务和解决方案。

铅二次利用价值稳定,锂电池梯次利用尚不明确

在本系列的第一篇,铅炭电池的上游资源中我们就已经介绍过,铅炭电池的重要原料铅资源,属于大宗商品,对铅有活跃的报价。且近年来,铅的价格稳中有升,维持了比较好的态势。

同时,铅回收利用已经是非常成熟的产业,2014年我国再生铅产量达到约160万吨,同比增长6.7%,占铅产量的38%。随着铅回收技术的进一步提升,目前铅的回收率可以达到98%以上。

而与之相比,锂电池目前仅有梯次利用的价值,金属锂的回收仍然处在探索、科研阶段,没有明确的回收价值。

结论

综合以上对铅炭电池应用各个环节的讨论,我们不难得出以下结论:

1、铅炭电池已经具备了一定的经济性,项目回报率较好,在用户侧储能领域拥有广阔前景和市场空间。

2、目前项目的主要模式是建设方出资,用户出土地资源,同时多种合作模式都是存在的。

下游应用篇

思考的问题

1、铅炭储能电池的结构、系统结构是什么样的?

2、铅炭电池的成本分析

3、铅炭电池可以运用于哪些领域?

4、铅炭电池的优势和现在存在的问题有哪些?

重要结论

铅炭电池通过对传统铅酸电池负极的改性,及与超级电容器相配合,提高了电池的循环次数、充放电倍率,从而提升了效率。目前,铅炭电池的每Wh成本已经降低至0.6元左右,且随着规模效应影响提升,成本有进一步降低的趋势。与蓄水储能相比,铅炭电池受环境等客观因素限制较小,与锂电池储能相比,铅炭电池成本仅为锂电成本的约1/3,经济性明显。

1.铅炭电池储能技术

在电网规模储能应用和混合动力汽车等领域,通常电池需要在高电流密度条件下循环,即高倍率充放电操作,使得铅酸电池常常由于负极硫酸盐化而失效,从而极大地影响铅酸电池的使用寿命。而铅炭电池就是在传统铅酸电池的基础上加入碳,极大地提高了铅酸电池的寿命。

1.1铅炭电池的构成

铅炭电池是一种特殊的电容型铅酸电池,传统的铅酸蓄电池单体是由一个二氧化铅正极板和一个海绵状铅负极板组成,而不对称超级电容器则是由二氧化铅正极板和碳负极板组成。由于二者有共同的正极板,因此可以将二者复合在同一电池体系内,即形成所谓的铅炭电池。图1展示了从传统铅酸电池到铅炭电池两者结构上的发展与变化。

从图1可以看出,相比于传统铅酸电池,铅炭电池在负极加入了碳材料。碳材料的加入加速了转化过程中活性物质的转化,活性炭表面形成了新的活性中心,降低了极板充电过程中的极化,并抑制硫酸铅颗粒长大,有利于硫酸铅的还原。所以在铅酸蓄电池中加入适量的碳能够有效抑制硫酸铅晶体在负极表面的积累,减缓硫酸盐化的趋势,使得电池循环的寿命显著增加。

同时,与在高倍率充放电过程中,超级电容器能够快速提供和吸收电荷,发挥缓冲器的作用。因此与超级电容器的配合提高了电池的功率,延长了电池循环寿命。

1.2储能系统构成

储能系统中,除了电池的应用以外,还涉及到了电池管理系统(BMS)以及过程控制系统(PCS)等。BMS主要用于估测动力电池组的荷电状态,即电池剩余电量;在电池充放电过程中进行动态监测等,是电池能量管理系统中的一项关键技术。图2展示了储能电站运营管理系统的示意图。

当储能电站配合光伏并网发电时,光伏组件首先利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能,之后对电池组进行充电,通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电;BMS根据日照强度与负载的变化,实时调节蓄电池组的充放电状态,使整个系统保持了连续性和稳定性。

电池组在整个储能系统中起到了能量调节和平衡负载的重大作用。它在用电低谷时将电能转化为化学能储存起来,以备供电不足时使用。而铅炭电池本身更好的充放电接收能力(100%深度放电后,以2.35V/单位恒压限流0.15C10(A)充电10小时,充电量在放出电量的98%以上);极低的自放电;以及70%DOD预期循环寿命4000次、可回收的特性,使得铅炭电池相对于储能系统相比于传统的铅酸电池更具有优势。

2.铅炭电池成本分析

由第一部分分析可知,铅炭电池是由传统的铅酸电池与超级电容器结合产生的新型铅酸电池,另外,在实践中,由于因此铅炭电池的成本与价格受到一系列要素价格的影响,包括:活性炭价格与供给量、铅价格波动、电容器价格以及其他因素例如添加剂石墨烯等。

从图4中可以看到,2016年下半年,活性炭价格先有一个明显下跌,之后缓慢回升。此系列的上一篇报告中分析可以知道,近些年来铅资源的价格大体呈先较为稳定的状态,但在近半年价格有一定幅度的提升,具体走势图见图5。

从各项原材料影响程度来看,理论上铅炭电池价格很大程度是由铅价格来决定的,对于铅的需求弹性较小,铅价的波动很可能造成铅炭电池成本的增加。但另一方面,通常公司对下游客户存在价格联动,有时间差,所以铅价的波动也有可能给双方带来盈利。至于导电性、延展性能都很好的石墨烯,相比于活性炭而言,由于其高昂的价格,使得铅炭电池目前对于石墨烯的需求弹性较大,在加工过程中,更为普遍的做法是加入一定量的活性炭来对传统铅酸电池性能进行改善。

3.应用

由于使用了铅炭技术,铅炭电池的性能远远优于传统的铅酸蓄电池,同时又具有与传统铅酸电池相近的低廉价格优势及成熟的工业制造基础,在各种应用领域有着极强的竞争力优势。

3.1对比

在目前的储能领域中,运用和关注度较广的化学储能方式除了铅炭电池外,还有锂离子电池。除此以外,抽水储能是当今世界上运用最广、技术最成熟的一种物理储能方式。接下来对这三种储能方式进行对比分析。

3.1.1铅碳电池

由于铅炭电池是在传统的铅酸电池上发展起来的,它具有很多优势:一是充电快,提高8倍充电速度;二是放电功率提高了3倍;三是循环寿命提高到6倍,循环充电次数达2000次;四是性价比高,比铅酸电池的售价有所提高,但循环使用的寿命大大提高了;五是使用安全稳定,可广泛地应用在各种新能源及节能领域。随着产量增高,铅炭电池的成本随着规模效应提升而进一步下降,未来的应用前景更加广阔。

3.1.2锂离子电池

与铅炭电池相对应的另一种化学储能方式就是锂离子电池。锂离子电池具有能量密度大,循环寿命长,自放电率低且环保等优点,主要应用于现今笔记本和手机两大产业。由于其自身的优势,锂离子电池同样也是未来大规模储能系统的一个理想选择。

在未来的应用中,锂离子电池在安全性、循环寿命、成本和工作温度范围方面仍然存在问题。与其它充电电池不同,锂离子电池的容量会缓慢衰退,与使用次数有关,也与温度有关。这种衰退的现象可以用容量减小表示,也可以用内阻升高表示。

尽管随着动力电池应用的推广,锂电池技术、成本都有很大提升,但是目前锂电池成本仍然是铅炭电池的3倍以上。在储能领域,除了高端数据中心及对储能电池重量有严格限制的使用场景外,目前运用锂电池进行储能的商业项目非常少。

3.1.3抽水储能

抽水储能是当今世界上运用率最广,技术最成熟的一种储能方式,它属于物理储能。抽水储能是在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库时将电能转化成重力势能储存起来的形式,综合效率在70%到85%之间,应用在电力系统的调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用等。但抽水储能的建立很大程度上得依靠地理位置的选择,因此,使其在未来进一步的发展应用中受到了一定的限制。

3.2、储能管理平台构想——南都电源

一个12MWh的储能电站,每天谷电时间充电8小时,充放电深度按照80%计算,平均日充电量为9300kWh,累计充放电维持平稳。峰电时期放电8小时,平均日放电量为8400kWh,充放电效率达到90.51%,财务上按照85%计算。峰时电价1.05分,谷时电价0.31元,每天收益5938.03元,每年按照360天计算,年收益为2,137,691元。

实际运行的数据全面达到了设计数据标准,目前储能电池放电深度为70%,但电池完全可以满足80%DOD运行,按此计算,每天谷电时期充电8小时,平均日充电量为10666.7kWh;峰电时期放电8小时,平均日放电量为9600kWh;充放电效率为90%。结合现有峰谷电价差,平均每天收益约为6773.33元,比70%充放电,收益提高了14%;按照每年运行360天计算,年收益约为243.84万元,收益提高14%。

预期的收益提高,主要是充放电效率的提升。充电次数目前在6000次内,无明显衰减,70%的DOD已经考虑到衰减的可能性,未来缩小了之后仍然未达到极限。80%为寿命终止,满足国际标准。

文章来源:兴业电新

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