Análisis de los seis principales métodos de almacenamiento de energía

Bajo la doble promoción de la explosión de la demanda del mercado y el estímulo de las políticas, los métodos maduros de almacenamiento de energía eléctrica por bombeo y litio muestran un crecimiento explosivo, y otros nuevos métodos de almacenamiento de energía también han entrado en la vía rápida del desarrollo.

En este artículo se describen el estado de desarrollo, el coste del sistema y las perspectivas de aplicación de seis tipos de métodos de almacenamiento de energía, como el almacenamiento por bombeo y la batería de iones de litio, almacenamiento de energía de aire comprimido ion sodio, batería de flujo fluido de vanadio y batería de plomo-carbono.

Diversos métodos de almacenamiento de energía han entrado en la vía rápida del desarrollo
Según los diferentes requisitos de tiempo, los escenarios de aplicación del almacenamiento de energía pueden dividirse a grandes rasgos en cuatro categorías: tipo de capacidad (≥4h), tipo de energía (alrededor de 1-2H), tipo de potencia (≤30min) y tipo de espera (≥15min).

Los escenarios de almacenamiento de energía capacitiva incluyen el corte de picos y el llenado de valles o el almacenamiento de energía fuera de la red, etc. Existen muchos tipos de métodos de almacenamiento de energía a largo plazo, como el almacenamiento de energía por bombeo, el aire comprimido, el almacenamiento térmico, el almacenamiento en frío, el almacenamiento de hidrógeno y diversas baterías de almacenamiento de energía capacitiva (como la batería de sodio-azufre, la batería de flujo, la batería de plomo-carbono, la batería de litio en suspensión, etc.).

De 2017 a 2020, la red eléctrica respondió a la decisión de la Oficina de Energía y la Comisión de Desarrollo y Reforma de China de reducir la tasa de restricción eólica y lumínica, y aprovechó al máximo los recursos flexibles del sistema eléctrico para absorber nueva energía, de modo que la tasa de restricción eólica y lumínica disminuyó a 2%. Al mismo tiempo, la presión de la red eléctrica se ha vuelto prominente, y algunas provincias empezaron a exigir a la parte eléctrica que configurara el almacenamiento de energía. En 2021, se publicaron varios documentos de éxito de la industria de almacenamiento de energía, y el almacenamiento de energía marcó el comienzo de una oportunidad de desarrollo histórica.

Desde la perspectiva de todo el sistema eléctrico, los escenarios de aplicación del almacenamiento de energía pueden dividirse en tres grandes escenarios: lado de la generación, lado de la transmisión y distribución, y lado de la electricidad. Además, las aplicaciones también incluyen servicios auxiliares, generación distribuida y microrredes.

La tecnología de almacenamiento de energía se utiliza ampliamente en la industria eléctrica

Desde el punto de vista técnico, el método de almacenamiento de energía puede dividirse en almacenamiento de energía física, almacenamiento de energía electroquímica y almacenamiento de energía eléctrica, almacenamiento de energía térmica y método de almacenamiento de energía química.

Análisis de la trayectoria de las tecnologías de almacenamiento de energía

Entre todos los tipos de métodos de almacenamiento de energía, el almacenamiento por bombeo es la aplicación más madura. El método de almacenamiento térmico también se encuentra en fase de aplicación a gran escala, y la mayor parte de la reforma de la flexibilidad de la energía térmica en China adopta la tecnología de almacenamiento térmico; el método de almacenamiento de energía mediante baterías de iones de litio se ha aplicado rápidamente en los últimos dos años; el aire comprimido y las baterías de flujo también se han utilizado comercialmente.

Análisis de seis tipos de métodos de almacenamiento de energía

1.Almacenamiento por bombeo

Debido a que el modo de funcionamiento de la central de acumulación por bombeo es la conversión de energía entre la electricidad y la energía potencial del agua, la capacidad de almacenamiento de energía depende principalmente de la diferencia de altura entre el depósito superior e inferior y la capacidad del depósito, la pérdida debido a la evaporación del fenómeno de fuga de agua es casi insignificante.

La eficiencia del ciclo del sistema puede alcanzar 70%-80%. Al mismo tiempo, el cuerpo de la presa de la central eléctrica de bombeo y almacenamiento tras su construcción puede utilizarse durante unos 100 años, y la vida útil prevista del equipo motor es de unos 40-60 años.

Proporción de tecnologías de almacenamiento de energía instaladas en 2021

Cálculo de costes: En la actualidad, el método de almacenamiento de energía más económico es explorar la economía de la central eléctrica de acumulación por bombeo. Hemos calculado el coste del kilovatio-hora de energía almacenada en una central de bombeo.

Supuestos básicos para el cálculo del LCOS de las centrales de acumulación por bombeo

Teniendo en cuenta que el coste de inversión inicial de una central de acumulación por bombeo está estrechamente relacionado con la selección del emplazamiento del proyecto, la economía de selección del emplazamiento de un nuevo proyecto en la fase posterior disminuye, y el coste de inversión inicial puede aumentar. Además, se supone que el número real de ciclos de la central se sitúa entre 300 y 500. Se estima que el rango LOCE de las centrales de acumulación por bombeo convencionales es de 0,23-0,34 RMB /kWh sin tener en cuenta el coste de carga.

Desde el XIV Plan Quinquenal, China ha acelerado el despliegue de proyectos de acumulación por bombeo. Para 2025, la escala total de almacenamiento por bombeo puesta en producción se duplicará en comparación con el "XIII Plan Quinquenal", alcanzando más de 62 millones de kW (según el cálculo de 6 RMB /W, la inversión debe alcanzar unos 180.000 millones de RMB);

Para 2030, la escala total de producción de almacenamiento por bombeo se duplicará de nuevo en comparación con el "14º Plan Quinquenal", alcanzando unos 120 millones de kW (basándose en el cálculo de 6 RMB /W, la inversión debe alcanzar unos 540.000 millones de RMB);Además, la lista de proyectos de almacenamiento de energía previstos publicada en agosto de 2021 ascendía a 551 proyectos, con un total de 679 millones de kW.

Capacidad instalada y planificación del almacenamiento por bombeo en China (GW)

Desde enero de 2022, 20 provincias han anunciado la lista de proyectos provinciales clave de construcción para 2022. Según las estadísticas, la capacidad instalada acumulada de almacenamiento por bombeo ha alcanzado los 104,3 GW y la inversión acumulada ha superado los 600.000 millones de RMB entre los proyectos clave anunciados por las provincias hasta la fecha.

2.Método de almacenamiento de energía en baterías de iones de litio

En 2021, las baterías de iones de litio representaron 89,7% del almacenamiento de energía electroquímica instalado en China, que es el método de almacenamiento de energía más maduro con el impulso de desarrollo más rápido, y la batería de almacenamiento de energía doméstica común de iones de litio es un batería powerwall.

La cadena industrial del almacenamiento de energía de iones de litio está formada por proveedores de equipos en fases anteriores, integradores en fases intermedias y usuarios finales en fases posteriores. Los equipos incluyen baterías, EMS (sistema de gestión de energía), BMS (sistema de gestión de baterías) y PCS (convertidor). Los integradores incluyen la integración de sistemas de almacenamiento de energía y EPC; Los usuarios finales se componen del lado de la generación, el lado de la red, el lado del usuario y el centro de comunicación/datos.

Diagrama esquemático del almacenamiento electroquímico de energía aguas arriba y aguas abajo

La batería de almacenamiento de energía es el núcleo del método electroquímico de almacenamiento de energía. En la actualidad, las principales baterías del mercado se pueden dividir en baterías de iones de litio, baterías de plomo-carbono, baterías de flujo de fluido y baterías de iones de sodio, según diferentes rutas tecnológicas.

Según las estadísticas, en 2021, el envío de China de baterías de almacenamiento de energía es de 48GWh, entre los cuales el envío de baterías de almacenamiento de energía eléctrica es de 29GWh, un crecimiento interanual de 339%; Y según el informe, el envío total mundial de baterías de almacenamiento de energía en 2021 fue de 66,3GWh, un crecimiento interanual de 132,6%, con el almacenamiento de energía del sistema de energía como la principal contribución incremental.

Envíos de baterías de almacenamiento de energía y tasa de crecimiento en China de 2017 a 2021

Análisis de costes del método de almacenamiento de energía con baterías de litio hierro fosfato
En función de los distintos materiales del cátodo, las baterías de iones de litio actuales son de dos tipos: batería ternaria de litio La densidad energética de la batería de litio-hierro-fosfato es inferior a la del material ternario y el coste también es menor. El campo del almacenamiento de energía no requiere una alta densidad energética, y las baterías de litio-hierro-fosfato con bajo coste y larga vida útil son más populares.

Como componente central de todo el sistema de almacenamiento de energía, el coste de la batería representa 50% de todo el coste del sistema de almacenamiento de energía, que es un canal importante para la posterior reducción de costes del sistema de almacenamiento de energía.En 2021, la mayoría de los precios de oferta del almacenamiento de energía de batería de litio hierro fosfato en China se concentran en 1,2-1,7 RMB /Wh.

El coste global de EPC de almacenamiento de energía electroquímica en 2022 es de unos 261 dólares estadounidenses /kWh (equivalente a unos 1,66 RMB /Wh), y se espera que caiga a 203 dólares estadounidenses /kWh (equivalente a unos 1,29 RMB /Wh) en 2025. Desde 2021, un gran número de EPC se han adjudicado a precios entre 1,3-1,7 RMB /kWh.

3.Método de almacenamiento de energía en aire comprimido

El método de almacenamiento de energía en aire comprimido sigue progresando en China. Se ha investigado el almacenamiento de energía en aire comprimido (CAES), el almacenamiento avanzado de energía en aire comprimido adiabático (AA-CAES), el sistema de almacenamiento de energía en aire comprimido supercrítico (SC-CAES) y el aire comprimido líquido (LAES), entre otros. Se han completado proyectos de demostración de almacenamiento de energía en aire comprimido de 500 kW, 1,5 MW y 10 MW de capacidad.

La central comercial de almacenamiento de energía de aire comprimido de Hantford (Alemania), construida en 1978, y la de Alabama (EE.UU.), construida en 1991, son centrales comerciales. En China se han llevado a cabo proyectos de investigación y desarrollo de almacenamiento de energía de aire comprimido, aire comprimido supercrítico y aire comprimido líquido.

Entre ellos, el primer proyecto de demostración de almacenamiento avanzado de energía de aire comprimido de 100 MW de Zhangjiakou International se conectó con éxito a la red a finales de 2021, y el proceso general de investigación y desarrollo y el rendimiento del sistema se encuentran en el nivel líder internacional.

Análisis de costes del almacenamiento de energía en aire comprimido
La mejora de la eficiencia del sistema y la disminución del coste son la base del desarrollo comercial del almacenamiento de energía en aire comprimido. En la actualidad, según los proyectos terminados y en construcción, la eficiencia del sistema a nivel de megavatios puede alcanzar los 52,1%.

La eficiencia del sistema de 10 megavatios puede alcanzar 60,2%, la eficiencia de diseño del sistema de 100 megavatios y más puede llegar a 70%, y la eficiencia del sistema avanzado de almacenamiento de energía en aire comprimido puede aproximarse a 75%. Con el aumento de la escala del sistema, el coste de inversión unitario también sigue disminuyendo, y el coste unitario puede reducirse en unos 30% cuando la escala del sistema aumenta en un orden de magnitud.

Supuestos básicos del cálculo del LCOS para el sistema de almacenamiento de energía en aire comprimido

El cambio de la inversión inicial y las horas de utilización tiene un gran impacto en el coste del KWH, y con el progreso tecnológico, la inversión inicial todavía tiene margen para disminuir. Las horas de utilización dependen principalmente de la tasa de utilización de la central eléctrica en funcionamiento real. En un sistema de 100MW/400MWh, con una inversión inicial de 5-6 RMB /W y un ciclo anual de 450-600 veces, el coste del kWh oscila entre 0,252-0,413 RMB /kWh.

En conclusión, se espera que el almacenamiento de energía por aire comprimido se convierta en un complemento importante del almacenamiento por bombeo en el campo de las plantas de almacenamiento de energía a gran escala una vez que se mejore la eficiencia energética.

4.Método de almacenamiento de energía de iones de sodio

Los factores clave que determinan si el almacenamiento electroquímico de energía puede aplicarse en grandes superficies son la seguridad, la disponibilidad de recursos materiales, el rendimiento a altas y bajas temperaturas, la vida útil, el coste de la inversión, etc.

Tras su aplicación a gran escala, se espera que el coste de la batería de iones de sodio sea inferior al de la batería de hierro-litio, y puede utilizarse ampliamente en el almacenamiento electroquímico de energía a gran escala, en vehículos eléctricos de baja velocidad y en otros campos. Se espera que constituya un sustituto complementario y eficaz de la batería de iones de litio.

Rendimiento comparación entre batería de plomo-ácido, batería de ión-litio y batería de ión-sodio

Estudios relacionados muestran que el coste de material de la batería de iones de sodio es de unos 370 RMB /kWh, y con la madurez de la cadena industrial, se espera que el coste de material siga explorando, combinado con el coste de las piezas estructurales y las piezas eléctricas, se espera que la inversión de capacidad inicial se controle en 500-700 RMB /kWh;En términos de rendimiento, con la inversión continua en investigación y desarrollo y la iteración tecnológica, se espera que la vida útil del ciclo de la batería supere las 8000 veces.

La ventaja del coste de material de las baterías de iones de sodio es obvia

Desde 2010, el mundo académico y la industria de China y otros países se han interesado ampliamente por las baterías de iones de sodio, y su investigación relacionada ha experimentado un crecimiento explosivo. Muchas empresas de China y otros países están llevando a cabo activamente el diseño pertinente de la industrialización de la batería de iones de sodio. Entre ellas se encuentran FARADION, NatronEnergy, Tiamat, Kishida Chemical, Toyota, Panasonic, Mitsubishi Chemical, así como las empresas chinas Hinabattery,CATL, natriumenergy y otras.

En la actualidad, la labor de China en materia de investigación, desarrollo y fabricación de productos de baterías de iones de sodio, formulación de normas y promoción de la aplicación comercial se está llevando a cabo de forma integral. La batería de iones de sodio está a punto de entrar en la fase de aplicación comercial, y el trabajo relacionado ha estado a la vanguardia del mundo.

Análisis de costes de las baterías de iones de sodio Sistema de almacenamiento de energía con baterías de iones de sodio Supuestos básicos para el cálculo de LCOS

Suponiendo que el coste de inversión inicial es de 0,9-1,2 RMB /Wh, la vida útil es de 10 años y el ciclo de vida es de 2000-6000 veces, se realiza un análisis de sensibilidad de la batería de ión sodio. Si el coste es inferior a 1,1 RMB /Wh y el ciclo de vida es superior a 3000 veces, el coste en KWH estará entre 0,270-0,662 RMB, lo que es mejor que la batería de hierro litio.

5.Pila de flujo de vanadio completa para el almacenamiento de energía

La energía eléctrica de la batería de vanadio en forma de energía química almacenada en el ion de vanadio de valencia diferente de ácido sulfúrico en el electrolito, apilados hidráulica electrolítica en la batería a través de un cuerpo de la bomba externa, bajo la influencia de la energía mecánica.

En el tanque de almacenamiento diferentes y el ciclo de media célula en el flujo de bucle cerrado, utilizando membrana de intercambio de protones como diafragma de la batería, la solución de electrolito en paralelo a través de la superficie del electrodo y la reacción electroquímica, Recoger y conducir la corriente a través de la placa de doble electrodo, de modo que la energía química almacenada en la solución se convierte en energía eléctrica.este proceso de reacción reversible permite que la batería de vanadio para ser cargado con éxito, descarga y recarga.

Batería de flujo líquido tiene las características de larga vida, buena seguridad, gran potencia de salida, gran capacidad de almacenamiento de energía y fácil de ampliar, la vida de 15-20 años, en comparación con otros métodos de almacenamiento de energía, con el hardware del parque eólico tiene el más alto grado de coincidencia, especialmente adecuado para el almacenamiento de energía de la planta de energía eólica, para satisfacer su carga frecuente y descarga, gran capacidad, almacenamiento de energía a largo plazo needs.Of supuesto, la batería de flujo líquido todo vanadio tiene baja densidad de energía, mucho mayor volumen y masa que otras baterías, y requiere un entorno de temperatura de 5-40 °.

Ventajas del método de almacenamiento de energía por flujo líquido de vanadio

Desde 2010, los proyectos de demostración de baterías de flujo líquido totalmente de vanadio de megavatios de China han comenzado a llevarse a cabo sucesivamente. Desde 2019, los proyectos de demostración de almacenamiento de energía de batería de flujo líquido de China están acelerando la construcción.

La primera fase del "Proyecto de Demostración Nacional de la Central Eléctrica de Almacenamiento de Energía de Flujo Líquido de Dalian de 200MW/800MWh", una central eléctrica de almacenamiento de energía de flujo líquido de vanadio de 100MW/400MWh, ha completado la construcción de la ingeniería principal y ha entrado en la fase de puesta en servicio del módulo de monómero. Se espera que finalice la puesta en servicio de la red en junio, siendo el mayor proyecto de almacenamiento de energía de flujo líquido de vanadio del mundo.

Proyectos de almacenamiento de energía en flujo líquido de vanadio previstos o construidos en China en los últimos años

En la actualidad, el problema del coste sigue siendo el mayor desafío para la aplicación comercial a gran escala de las baterías de vanadio. Debido a la falta de escala comercial, y limitado por el equipo, la capacidad y la alta inversión inicial, en referencia a la licitación del equipo del sistema de almacenamiento de energía de batería de flujo de vanadio Datang 10MW/40MWh y la situación de la inversión del proyecto de demostración nacional de la central eléctrica de pico de almacenamiento de energía de batería de flujo de Dalian, se espera que el coste inicial de la batería de vanadio sea aproximadamente 3 veces el de la batería de litio.

Supuestos básicos para el cálculo del LCOS de un sistema de almacenamiento de energía con batería de flujo totalmente de vanadio

El cambio de la inversión inicial y las horas de utilización tiene un gran impacto en los KWH, pero con el progreso tecnológico, la inversión inicial todavía tiene margen para disminuir. Las horas de utilización dependen principalmente de la tasa de utilización de la central en funcionamiento real. En un sistema de 100 MW/400 MWh, cuando la inversión inicial es de 11-13 RMB/W y el número de ciclos anuales supera las 600 veces, el coste del kWh de almacenamiento de energía oscila entre 0,44 y 0,69 RMB/kWh.
Análisis de sensibilidad de LCOS para batería de flujo de vanadio (RMB /kWh)

6.Método de almacenamiento de energía en baterías de plomo-carbono

La batería de plomo-carbono es una batería capacitiva de plomo-ácido, una tecnología que ha evolucionado a partir de la batería de plomo-ácido tradicional. Si el material activo negativo Pb se sustituye por carbón activado, la batería de plomo-ácido ordinaria se convierte en un condensador híbrido, y si el carbón activado se mezcla con el material activo negativo Pb, la batería de plomo-ácido ordinaria se convierte en una batería de plomo-carbono.

Progreso del método de almacenamiento de energía de plomo-carbono
Axion, una empresa estadounidense, estableció una línea de producción de baterías de plomo-carbono en 2006 y comenzó a vender baterías de plomo-carbono a granel en 2009.Las principales fábricas de baterías de ácido de China han llevado a cabo la investigación y el desarrollo y la producción de baterías de plomo-carbono, por ejemplo, las acciones Shengyang y Japón Furuhe firmaron un acuerdo de cooperación en 2014, autorizó las acciones Shengyang en China fábrica de baterías de plomo-carbono de producción localizada;

Nandu Power ha desarrollado segmentos de proyectos de almacenamiento de energía como Linan 2MWh, Zhejiang Luxidao 4MWh micro red de almacenamiento de energía, Zhuhai Wanshan Island 6MWh;En 2018, el proyecto "batería de plomo-carbono 2V1000 para almacenamiento de energía" de Sunway Group ganó el segundo premio de Progreso Científico y Tecnológico de la provincia de Zhejiang;Tianeng Power dijo que su batería de plomo-carbono de alto rendimiento es un nuevo tipo de batería desarrollada de forma independiente con un nivel tecnológico líder internacional.

En diciembre de 2020, ganó el premio más alto en el campo industrial de China aprobado por El Consejo de Estado - China Industry Award Project Award. El análisis de sensibilidad de la batería de plomo-carbono muestra que el coste de inversión inicial es de 0,8-1 RMB /W y el rango de coste del kilovatio-hora de almacenamiento de energía de la batería de plomo-carbono es de 0,52-0,747 RMB /kWh cuando el número de ciclos anuales alcanza más de 500 veces. Mediante cálculos y comparaciones, se comprueba que, aunque el coste de inversión inicial de la batería de plomo-carbono es bajo, su profundidad de descarga es inferior a la de otros métodos de almacenamiento de energía, por lo que la ventaja del coste del kilovatio-hora no es evidente.

Además, si se tiene en cuenta el coste de la pérdida de energía en el uso real, las baterías de plomo-carbono estarán en cierta desventaja debido a su menor eficiencia energética en comparación con las baterías de litio-hierro. Con las nuevas condiciones de almacenamiento de energía, también se espera que las baterías de plomo-carbono consigan mejorar la eficiencia energética y reducir los costes gracias al progreso tecnológico.

¿Cuál de los seis métodos de almacenamiento de energía prefiere?