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站房式锂离子电池储能电站价值探讨

2019-07-09   点击量:66

6月19—20日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合江苏省电机工程学会、全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会、中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司等单位联合召开的“第三届全国电网侧暨用户侧储能技术应用高层研讨会”在苏州市太湖假日酒店举行。来自电网公司、设计院、系统集成商、电池生产企业、投融资机构等单位的280余位嘉宾出席了本次研讨会。


会议期间,中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司配网公司副总经理陈旭海分享了主题报告《站房式锂离子电池储能电站价值探讨》,以下是演讲全文:


首先介绍一下预制舱式的电力设施,实际上预制舱式在电力系统领域早有先例,早在2013-2014年国网即开始试点,模块化智能站、新一代智能站先后开始大范围调研、示范建设、逐步推广。2015年开始35-110kV的变电站已全面推行模块化建设的模式,2017年220kV及以上变电站也开始全面推广模块化建设模式。上图是传统建设方式的智能变电站,有户内、半户内和户外三种方式。最上面的三个图就是传统的智能变电站,它一般以户内、半户内还有户外这三种主要的模式,户内就是所有的设备都放在混凝土建筑内,户外变就是只有二次设备放在户内,其他的一次设备都放在户外。中间三幅图是模块化建设模式的智能变电站,户外变采用装配式建筑+预制舱的建设方案,对于户外变电站我们一般采用装配式建筑还有预制舱两个相结合,预制舱内安装二次设备,布置在一次设备的附近。对于户内变,所有设备都是放在钢结构的站房内。装配式建筑一般是采用钢结构的建筑,外墙一般采用合金板,最大优点就可以现场没有湿法作业,大部分设备的安装、调试都是在工厂里面预制完成的。


最下面这个就是预装式变电站,现在没有做大范围的推广,只是局部的试用。


我们来看一下它主要的优缺点,模块化建设最大的优点就是它的工期短,施工环保,这是毋庸置疑的。缺点一个是照明、暖通的能耗相对比较高,扩建因为一些电距离的问题,会导致设备的全停,这也是不可避免的。舱体的下方还有电缆层的配套设施会增加一些,尤其在预制舱下面的电缆通道维护有一定的困难。如果全站采用预制舱式的安装,尤其大规模电力设施,需要多层布置,集装箱结构可能导致造价大幅增加,同样的占地面积内,很多设备就要采用紧凑型的设备,这也会导致一些设备价格上面的投资的提高。


参照国网的方案可以看到,一次设备大部分还是放在钢结构的建筑内部,二次设备大部分是推荐采用预制舱的方案,这是为什么呢?一个是刚才我们说的,一方面是考虑一次设备放在预制舱内安装有一定的限制,另外就是对设备的维护结构,舱体的生命周期上的匹配性。国网的全生命周期管理规定要求一次设备周期是50年,二次设备达到25年的要求,而预制舱能不能达到25-30年的要求,这应该已经是极限值。所以一次设备一般不会放在集装箱里面。


看看储能站的建设模式,主要也是预制舱和站房式两种方式,对应的是户内与户外布置两种方式,目前采用较多的还是预制舱方案,也就是所有储能设备全部采用集装箱布置于户外的方式。站房式方案具有代表性的有深圳宝清、比亚迪、格尔木长沙的储能电站,最后这个是我们正在建设中的晋江储能站。对于户内的电池安装,也有柜式安装和机架式安装两种方式,也各有优缺点。


总的来说,对比两种方案,我这边列了几点它的优缺点。首先我们从能耗和厂用电率方面来看。储能占的厂用电,大家做运行的同事应该都知道,厂用电决定了储能站的综合转换效率,一般储能站的综合转换效率可能85%,最高可能到90%。但是扣除了厂用电率1%到3%,可能储能站的综合转换效率又要打个折扣。


尤其是在夏季的时候,调峰的要求又很高,如果遇到南方还有水电站的汛期、枯水期的问题,水电站的调峰调频能力不够,这时候储能站也是需要在夏季进行加大调峰的能力。这个时候往往储能设备的负荷要求又很高,又是在夏季,所以设备环境的隔热性能是直接决定了储能站的综合效率。


另外在北方,其实也同样面临这样的问题,因为在南方主要是降温,北方的电池性能对它的辅热要求也是很高的。我们知道电池如果在低温的情况下是不能完全充放电的。一个2兆瓦时的40尺的集装箱可能有两到三台空调的配置,甚至有更高的工业空调保证双套备份。但是在室内的话,混凝土的建筑相对集装箱来说,它的隔热性能会比较好一些,所以它的设备方面通常两兆瓦时的可能配一台空调就已经足够了。室内暖通属于内循环,因此在房间里面整个环境温度基本不会超过30度,环境相对较好,即使一台空调停机了,也不会影响到其他的设备,电池还是可以正常运行一段时间。但是在集装箱内,比如在夏天、冬天,它在高温高寒的地方暴露在户外,一台空调要是停机的时候,可能整个预制舱里面的储能系统就要全部停机。总的来说,100兆瓦时的储能电站暖通的功率配置可以节省大概60到70千瓦,如果在极端的天气情况下每日可以节省近千度电,综合效率又可以提高2个百分点。


我们看一下土建和辅助设备综合的造价。集装箱的造价根据其工艺还有辅助设备配套的不同,一般一个集装箱是15万到40万不等,因为大家很多是设备制造商,集装箱铁皮成本本身不高,但是对于一个集装箱的防腐措施还有里面的辅助设备配套的情况,这个成本差异是非常大的。100兆瓦时的储能站一般需要60到80个集装箱,至少是一千多万的投资成本。这里面还不包含一些电缆沟、步道、基础的土建费用。我们晋江100MWh储能电站,两千多平方占地面积的电池楼可以布置150兆瓦时的储能电池。整个厂房造价也就在一千万以内,加上空调、风机、安防等等也可以共用,如果规模比较大的话,辅助设备的费用就会被总的设备成本进一步的摊薄。总的来说造价我这边不做评判,具体的工程可以具体分析造价究竟是哪种方式会更省。


建设周期方面,站房式方案一般6个月,设计施工交叉,设计贯穿建设始终。但前期配合多、厂内集成工作量多、现场1-2个月。但实际全过程下来,可能只有1-2个月的差异,因为只是将原先现场的工作量转移到工厂和前期设计配合的工作量上。


从工程质量的角度我们来考虑,两种模式对应的是设计主导和设备主导,预制舱方案,更多的是在设备集成设计、工艺的优劣决定了项目质量。前者则更多依靠设计水平。预制舱更多的还是在设备集成商,它的工艺优化上是决定整个项目的质量。


使用寿命上,站房式使用寿命可达50年甚至更久,但预制舱式设备的寿命目前还没有超过6年的大范围运行经验。当然,这是由项目的投资回报率决定的,可能有的项目五六年年内就已经盈利,那么采用哪种方案则决定了五六年后的收益,最终也决定整个项目的收益率。


在运输方面,根据《超限运输车辆行驶公路管理规定》,长度小于2.5米,长度小于14米不属于超限运输。站房式的储能不存在这个问题,因为设备都是单独运输的。对于集装箱,电池能量密度比较大,集装箱重量体积各方面都会有一些限制,这可能是在设计前期就需要注意的,有可能会关系到一个项目的可行性。


占地面积,预制舱基本上是单层布置,站房式可以做到三层四层,甚至更高层。根据公开报道,长沙芙蓉站整个储能站的占地面积大概993平方,52兆瓦时,综合算下来它的占地面积只有预制舱占地面积的六分之一。预制舱的方式,它的容量密度大概15度电每平方,晋江储能站房式的做法可以达到64度电每平方的能量密度。


站房式的运维便利性也比较明显,集装箱空间比较狭小,运维方面存在不便利的地方。如果按照现在电力设施的相关标准,一些维护通道实际上是很难达到运行规范还有电力的规范要求,所以说从运维便利性来看,站房式还是相对较优一些。


运维成本,刚才说的能耗还有集装箱的防火措施,电柜更换的便利性等等都有一些影响。


再说到消防,是大家比较敏感的话题,目前争议也是比较多,但是实际上从耐火时间来看,储能楼墙体采用加气混凝土砌块,耐火时间可以达到8小时。集装箱的耐火时间参数一般在3小时左右。关于火灾蔓延的问题,在站房式设计的时候相对要考虑一些电池的分区,还有电池之间的防火墙隔离,甚至设置卷帘门,自动灭火装置的集中布置也能保证分区内的持续灭火时间,还保证消防设备不受火灾的影响。


耐腐蚀与隔热方面就不再细说了,集装箱包括它的三层结构,外面的一层是两毫米的钢板,中间要做一个岩棉层,是根据隔热性能来计算的,内部还有一个墙板,耐火极限也要达到3小时,这些都会增加集装箱的成本,所以从十几万到四十几万的成本,集成商都应该考虑这些因素。


综合以上的优点可以总结两种方案的适用场景,对于能耗要求高还有高温、高寒的地区,投资回收期又很长,项目的寿命要求很长,单组电柜多,能量密度大,布置受限的情况,尤其在有短期更换电池或者改扩建需要的场景,我们会推荐站房式的储能,因为它的布置方式比较灵活。


对于建设周期要求比较短,比如我们江苏的项目可能只有几个月的时间项目必须从前期到后面投运,我们会采用预制舱的储能电站。还有像设备集成商主导的项目他可能会更推荐采用预制舱的方式。


我给大家看一下,深圳宝清电站,是2011年一二期投运,总共16兆瓦时,二期2兆瓦时。深圳比亚迪是40兆瓦时,里面采用的是层架式的电池布置方式。青海格尔木储能站可能考虑到那边的气侯情况,所以用的是站房式,单层建筑,格尔木在占地能量密度方面没有那么大的优势。长沙的芙蓉站是2018年刚刚投运的,52兆瓦时,占地面积只有994平方,而且整个建设模式就是按照国网模块化建设,建筑结构是钢结构,外墙采用合金板。


这是晋江的储能站,在晋江的安海镇,项目规模100兆瓦时,储能楼占地面积只有2300平方,上面再加上一层,达到150兆瓦时的容量。


我简单说一下站房式的储能技术方案,从设计的角度,在规模方面我们会结合负荷曲线还有运行策略进行分析得到储能站的规模配置,做热力学有限元仿真分析,包括设备采用分布式、集中式还是设备双备份的方案,还有暖通设备与储能设备之间的联动控制,这个是决定了后面厂用电功耗的情况。消防方面刚才也说了,它的耐火时间相对比较久,在传感器的布置、风道还有防火墙等等这些环形道路上面都是我们设计站房式储能上面需要考虑的问题。还有电池干扰,部分的通信电缆最好采用槽盒的屏蔽措施。运维方面要设置一些吊物孔,一个电柜通常都是一到两吨甚至三吨,电柜的搬运是需要考虑的。安装的时候同样也有一些施工的搬运工具需要合理化的定制。运行环境相对比较灵活,可以根据业主的要求独立设置。无功补偿这块,我们为了降低整个项目的投资我们会采用两级无功补偿,兼顾投资还有它的实用性。在设备选型方面我们要结合运行仿真,合理选用设备,保证设备的选型能让整个储能电站在它最经济的运行方式下运行。


钜大特种电池工程研究院

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