Informe sobre tecnologías de almacenamiento de energía: ¿qué batería triunfará?
Economía del almacenamiento de energía
Aprender de la historia del desarrollo fotovoltaico y nacional tecnología de almacenamiento de energía.
La tecnología electroquímica de almacenamiento de energía abre nuevas oportunidades
Con el acceso a gran escala de nuevas fuentes de energía, para superar la intermitencia y volatilidad de la eólica y la fotovoltaica, todo el sistema eléctrico se está transformando de "fuente-red-carga" a "fuente-red-carga-almacenamiento", y la tecnología de almacenamiento de energía se convertirá en un nuevo tipo de sistema eléctrico. el cuarto elemento esencial.
En la actualidad, la tecnología de almacenamiento de energía se concentra principalmente en dos formas central de acumulación por bombeo y almacenamiento de energía con baterías de iones de litio, como la batería de iones de litio Powerwall de 51,2v 200ah：, recientemente popular.
Evolución de la tecnología fotovoltaica doméstica y de almacenamiento de energía en Alemania
Los países con mayor proporción de generación de energía eólica y solar en 2020 son Suecia (19%), Alemania (18%), Portugal (18%), Reino Unido (17%) y Finlandia (17%), etc. La cuota media en Europa es de 12-13% (los datos nacionales son inferiores a 5%).
Dado que la capacidad instalada de Portugal, Suecia y Finlandia es demasiado pequeña para tener importancia como referencia, nos centramos principalmente en Alemania y el Reino Unido, de los cuales Alemania se utiliza como referencia para la capacidad instalada de almacenamiento de energía detrás de la tabla, y el Reino Unido se utiliza como referencia para la capacidad instalada de almacenamiento de energía antes de la tabla.
El desarrollo de la tecnología fotovoltaica y de almacenamiento de energía en Alemania depende de la economía
La prosperidad de la generación de energía fotovoltaica va a la par de la orientación política, y depende en gran medida de las subvenciones. En 1990, Alemania formuló el "Plan 1000 Techos", que abrió el preludio al desarrollo de su industria fotovoltaica;
En 1998, el gobierno propuso además el "Plan de los 100.000 tejados", que estimuló enormemente la industria fotovoltaica alemana y mundial.
En 2000, Alemania aprobó la "Ley de Energías Renovables", y revisó la Ley tres veces en 2004, 2008 y 2012, clarificando la tarifa obligatoria en red para la generación de energía fotovoltaica, lo que propició el rápido crecimiento de la capacidad fotovoltaica instalada en Alemania y se convirtió de golpe en el país de referencia de la industria fotovoltaica mundial.
De 2010 a 2012, la nueva capacidad instalada de generación de energía fotovoltaica en Alemania superó los 7 GW durante tres años consecutivos. Al mismo tiempo, con el descenso del coste instalado de las centrales fotovoltaicas, el gobierno alemán también está reduciendo gradualmente las subvenciones a las tarifas de alimentación, y la tasa de crecimiento de la capacidad instalada se ha estabilizado gradualmente.
En 2018, el Gobierno fijó el objetivo de aumentar la cuota de energías renovables en la demanda total de electricidad hasta 80% en 2040, y en 2021, este objetivo se adelantó a 2030.
Con la introducción de objetivos políticos cada vez más agresivos, la escala de la nueva capacidad fotovoltaica instalada ha aumentado año tras año. A finales de 2021, la capacidad fotovoltaica instalada en Alemania alcanzará los 59,9 GW, y 5,3 GW serán de nueva instalación en 2021.
Estructura:
La nueva capacidad fotovoltaica instalada en Alemania es principalmente distribuida, y la proporción de capacidad fotovoltaica doméstica instalada va en aumento.
Capacidad alemana de almacenamiento de energía:
La proporción de la tecnología de almacenamiento de energía en el consumo eléctrico sigue aumentando, con características estructurales significativas. El avance de la tecnología de almacenamiento de energía y la reducción de los costes de inversión que conlleva la escala, combinados con las elevadas facturas de electricidad que han aumentado año tras año, han promovido el vigoroso desarrollo del mercado alemán de tecnología de almacenamiento de energía detrás del contador.
Según las estadísticas, a finales de 2020, casi 70% de los proyectos alemanes de generación de energía fotovoltaica doméstica estarán equipados con sistemas de tecnología de almacenamiento de energía en baterías, y la capacidad de almacenamiento de energía doméstica instalada habrá superado las 300.000, con una escala unifamiliar de unos 8,5kWh.
Configuración del sistema de tecnología de almacenamiento de energía:
Con el aumento de la proporción de almacenamiento de energía en el lado de la electricidad, la relación entre potencia instalada y capacidad de almacenamiento electroquímico de energía en Alemania tiende a ser de 1kW/2kWh.
Según los datos de los nuevos sistemas fotovoltaicos y de tecnología de almacenamiento de energía instalados en los últimos años, las instalaciones fotovoltaicas domésticas alemanas tienden a estar equipadas con tecnología de almacenamiento de energía 10%, 2h, que es similar a la actual política china para proyectos centralizados de generación de energía fotovoltaica.
Calculada sobre la base de una superficie de tejado de 200 vatios/metro cuadrado para la fotovoltaica doméstica sobre tejado y 100 metros cuadrados/hogar, la capacidad instalada de un sistema fotovoltaico doméstico es de unos 20 kW.
La media de la tecnología de almacenamiento de energía doméstica es de 8,5kwh, lo que equivale básicamente al consumo eléctrico de un solo hogar durante el periodo de generación de energía no fotovoltaica.
El sistema doméstico de tecnología de almacenamiento de energía ocupa poco espacio y goza de gran aceptación entre los usuarios. Las instalaciones domésticas de tecnología de almacenamiento de energía y las instalaciones fotovoltaicas no están necesariamente relacionadas.
El Reino Unido lidera el mercado europeo de tecnologías de almacenamiento de energía
Basado principalmente en el rápido crecimiento de la capacidad fotovoltaica instalada
Generación de energía fotovoltaica en el Reino Unido:
En 2014, el Reino Unido publicó la "Estrategia de generación de energía fotovoltaica", centrada en el apoyo a los sistemas fotovoltaicos distribuidos (en tejados).
En abril de 2016, finalizó la subvención de la Ley de Obligación de Energías Renovables (RO) para todos los proyectos fotovoltaicos; en 2018, el Reino Unido puso fin a su apoyo a los proyectos solares sobre tejado.
Tecnología británica de almacenamiento de energía :
Tras el rápido crecimiento de la capacidad fotovoltaica instalada de 2014 a 2016, la proporción de generación de energía fotovoltaica en toda la sociedad ha aumentado significativamente, y la capacidad de almacenamiento de energía electroquímica instalada en el Reino Unido ha aumentado significativamente de 2016 a 2019.
A finales de 2020, la capacidad instalada de tecnología de almacenamiento de energía electroquímica en el Reino Unido era de casi 570MW, lo que representaba 47% de la capacidad instalada de almacenamiento de energía en Europa.
El tiempo medio de configuración de los contadores frontales de almacenamiento de energía en el Reino Unido es de casi 1 hora, lo que contribuye principalmente a mejorar la flexibilidad de la conexión a la red (desplazamiento temporal de la energía) y la estabilidad de la red (servicios auxiliares).
En 2020, la nueva capacidad instalada de almacenamiento de energía temporal y de servicios auxiliares fue de 175 MW y 62 MW, respectivamente, lo que en conjunto representó el 80,6% de la nueva capacidad instalada en el mismo año.
La economía china aporta una mayor proporción de almacenamiento de energía a la fotovoltaica distribuida
Antes de 2017, la TIR de la fotovoltaica centralizada era superior a la de la fotovoltaica distribuida, debido principalmente al factor de subvención; después de 2018, la TIR de la fotovoltaica distribuida logró superarla.
Según el historial de desarrollo de la tecnología de almacenamiento de energía fotovoltaica en Alemania, la capacidad instalada de almacenamiento de energía distribuida se basa principalmente en el consumo eléctrico de las empresas industriales y en la diferencia entre los precios pico y valle de la electricidad, reflejo de la economía.
En los primeros tiempos, más de 90% de la potencia de las instalaciones distribuidas se suministraba a las industrias circundantes con alto consumo de energía. En la etapa posterior, a medida que el coste de los componentes seguía disminuyendo, la irr de la fotovoltaica distribuida mejoró aún más. Para las industrias y comercios con bajo consumo de energía, el uso de distribuida + gran almacenamiento El modelo energético también reflejará la economía.
Las políticas catalizan el desarrollo de la industria:
El apoyo de las políticas nacionales desempeña un papel importante en el desarrollo de la industria. Tanto el precio de la electricidad centralizada fotovoltaica guiada por la red como el subsidio de kWh fotovoltaico distribuido han desempeñado un gran papel en la promoción del desarrollo de la industria fotovoltaica de China en la etapa inicial. En 2018, el subsidio disminuyó, y la capacidad instalada también disminuyó en consecuencia.
En 2020, la generación de energía eólica y solar de China representa 7,5% del consumo total de electricidad de toda la sociedad, y el impacto en la red eléctrica no es grande. Se calcula que la proporción de generación de energía eólica y fotovoltaica alcanzará el límite cero de 25-30% en 2025. La política promueve el aumento de la proporción de tecnología de almacenamiento de energía de apoyo en el lado de la red y en el lado de la generación de energía.
La economía del almacenamiento de energía eléctrica en China:
Tomando como ejemplo el sistema de tecnología de almacenamiento de energía de 10MW/40MWH, la TIR del almacenamiento de energía alcanza 8,60% sin considerar los incentivos fiscales, y la TIR alcanza 10,46% cuando se consideran los incentivos fiscales.
Alto grado de solapamiento de la cadena industrial
El camino hacia la industrialización de la energía de sodio es llano
El principio de funcionamiento de las baterías de iones de sodio es el mismo que el principio de "mecedora" de las baterías de iones de litio, y se utiliza la desintercalación reversible de iones de sodio (Na+) entre materiales positivos y negativos para lograr la carga y descarga.
La batería de iones de sodio se compone principalmente de un electrodo positivo, un ánodo, un separador y un electrolito, y es básicamente compatible con los equipos de producción de las baterías de iones de litio, lo que reduce la dificultad de industrialización.
La mejor aplicación de los iones de sodio en la tecnología de almacenamiento de energía
Los precios de las materias primas del litio siguieron subiendo. En marzo de 2022, el precio del carbonato de litio para baterías, la principal materia prima, superó los 500.000 RMB por tonelada, una cifra récord.
La abundancia de litio es baja, con una abundancia en la corteza terrestre de sólo 0,006%, y la mayor parte se concentra en Sudamérica, lo que provoca inquietud en el suministro de los principales fabricantes de baterías.
Según los cálculos del líder en electricidad de sodio Zhongke Haina, el material de la batería de iones de sodio tiene una importante ventaja de coste, que es aproximadamente 1/3 inferior al de la batería de litio y fosfato de hierro.
El coste de la materia prima de la batería de iones de sodio con base de cobre es de 0,29RMB/Wh, el de la batería de fosfato de hierro y litio es de 0,43RMB/Wh y el de la batería de plomo es de 0,40RMB/Wh.
1)El recurso de sodio es abundante, el precio es bajo y estable, y el precio se mantendrá en 1000-4000 RMB/tonelada en 10 años.
2)La selección de elementos es más barata;
3) El carbono duro y el carbono blando utilizados en el ánodo requieren menos procesos, consumen menos energía y tienen un potencial de bajo coste;
4) Papel de aluminio barato para el colector de corriente del ánodo.
La densidad energética del sodio es básicamente la misma que la del fosfato de hierro y litio
La densidad energética de los iones de sodio es básicamente la misma que la del fosfato de hierro y litio, y el amplio rango de temperaturas y las prestaciones de seguridad son mejores.
La densidad energética de las baterías de iones de sodio es mejor que la de las de plomo-ácido, y es básicamente la misma que la de las de litio-fosfato de hierro.
En la actualidad, la densidad energética de las baterías comerciales de iones de sodio es de 100-160 Wh/kg, muy superior a los 30-50 Wh/kg de las baterías de plomo-ácido.
Es 10%~20% inferior a la batería madura de litio y fosfato de hierro, pero puede alcanzar los 200Wh/kg en las condiciones experimentales de la batería de iones de sodio. Amplio rango de temperaturas para ampliar los escenarios de aplicación alpina. La temperatura aplicable se amplía de -40 a 80°C. Para una comparación detallada de las dos baterías, consulte batería de litio frente a batería de sodio.
La cadena de la industria eléctrica del sodio toma forma
La disposición de la cadena industrial de las baterías de sodio hereda la de las baterías de litio, lo que favorece la rápida introducción de la industrialización. La cadena industrial china de las pilas de iones de sodio está aún en pañales, y la disposición industrial todavía no ha madurado.
La estructura de la cadena industrial de las pilas de iones de sodio es similar a la de las pilas de litio, incluyendo empresas de recursos en fases anteriores, materiales para pilas en fases intermedias y empresas de pilas.
Las empresas de baterías se han ido instalando una tras otra, y la era Ningde ha promovido la formación de la cadena industrial. En la actualidad, muchas empresas como CATL, Zhongke Haina, Nai Innovation Energy, Penghui Energy y Sunwoda han desplegado baterías de iones de sodio.
La diferencia de ánodo
Los materiales de carbono duro se consideran los materiales anódicos con mayor potencial comercial para las baterías de iones de sodio debido a su alta capacidad específica (unos 300 mAh/g), baja tensión de almacenamiento de sodio (la tensión de meseta es de unos 0,1 V), larga vida de ciclo y una amplia gama de fuentes. .
En la actualidad, los ánodos utilizados en las baterías comerciales de iones de sodio son casi todos de carbono duro. El carbono duro es más fácil de sintetizar que el grafito. En el proceso de aplicación comercial, el carbono duro se enfrenta al problema de la baja eficiencia coulómbica en la primera semana, y su eficiencia coulómbica en la primera semana en electrolitos basados en ésteres es principalmente de alrededor de 50-80%.
Por lo tanto, es necesario reducir sus defectos internos mejorando los precursores, mejorando las condiciones de síntesis, etc., para preparar carbones duros con baja porosidad y menos defectos.
Entre los Las 5 principales empresas de materiales para ánodos de baterías de iones de litio en China, Bettray ha realizado los progresos más rápidos, logrando la producción en serie de ánodos de carbono duro y carbono blando. Empresas de ánodos como Shanshan Co., Ltd., Putailai y Xiangfenghua han desarrollado sucesivamente materiales de ánodos de sodio, que han entrado sucesivamente en el mercado chino. fase de prueba.
La capacidad específica de los materiales de ánodo de carbono duro y carbono blando de Bertray ha alcanzado los 400mAh/g, superando el límite teórico del ánodo de grafito, con un excelente rendimiento a baja temperatura, tasa, ciclo y seguridad, pero todavía hay margen de mejora en la eficiencia de la primera semana, y la vibración La baja densidad no favorece la mejora de la densidad energética de la batería.
Debido a la temprana industrialización de los ánodos de carbono duro y carbono blando, las opciones de materias primas de los fabricantes nacionales y extranjeros siguen tendiendo a diversificarse.
Salvo que Zhongke Hai Na utiliza antracita de Huayang Co., Ltd. para preparar carbón blando, los ánodos de carbón blando que se han suministrado por lotes utilizan principalmente materias primas de coque, y los fabricantes de ánodos para baterías de litio pueden confiar en los proveedores de coque existentes para realizar la disposición de los ánodos para baterías de sodio.
Factores determinantes del coste de producción después de la escala: precio de la materia prima, tasa de carbón residual (consumo unitario), coste de la electricidad (temperatura y tiempo). En general, el coste del carbón duro debería ser inferior al del grafito artificial, y el del carbón blando debería ser inferior cuando se utiliza antracita.
Precios de las materias primas: En el pasado, los materiales anódicos de alta calidad utilizaban principalmente materias primas importadas (principalmente coque de aguja importado). Desde 2021, los precios de las principales materias primas para materiales anódicos en China han mostrado una tendencia al alza.
La demanda descendente sigue creciendo, y la subida de los precios de las materias primas en el juego de la oferta y la demanda es una conclusión inevitable. El coste de los fabricantes de material anódico está bajo presión.
Que la presión pueda transmitirse a los fabricantes de baterías en sentido descendente depende del poder de negociación de las empresas en función de las barreras técnicas y los recursos de los clientes.
Material del ánodo de grafito:
El consumo unitario de grafito natural es relativamente seguro, y el consumo unitario de grafito artificial fluctúa mucho. Según los datos divulgados por el fabricante del material anódico, el consumo unitario oscila entre 1,21 y 2,28.
El consumo unitario puede variar con la diferencia en la proporción de coque de petróleo y coque de aguja. Excepto en el caso del grafito artificial de gama alta, que utiliza principalmente coque de aguja, se desconoce la proporción específica del consumo de materias primas de otros materiales negativos de distintas calidades.
Ánodo de carbono duro y carbono blando:
Las moléculas de resina fenólica contienen un gran número de anillos aromáticos, y la tasa de carbono residual es superior a la de otras macromoléculas.
La tasa de carbono residual de las materias primas de biomasa puede ser sólo de 20%; la tasa de carbono residual de la antracita es de unos 50-80%, pero el rendimiento del carbono blando es más débil que el del carbono duro.
Tasa de tramitación:
Tanto si se trata de carbono blando como de carbono duro, dado que sus requisitos de temperatura y tiempo son muy inferiores a los del grafito artificial, la estructura de costes puede referirse a la del grafito natural, y el coste de fabricación (incluido el consumo de electricidad y energía, etc.) tras la industrialización a gran escala puede ser ligeramente superior al del grafito natural (la fabricación El coste es de 0,22RMB/tonelada).
El vanadio y el hidrógeno buscan un terreno común
Batería de flujo para la tecnología de almacenamiento de energía
Principales ventajas: evitan fundamentalmente la deflagración - seguridad; vida útil extremadamente larga - durabilidad.
Además de las ventajas generales de las baterías de flujo, existen tres ventajas:
(1) Respetuosa con el medio ambiente La batería de flujo de redox de vanadio está totalmente cerrada y funciona con emisiones casi nulas.
(2) Alto valor residual El elemento de vanadio en el electrolito no se pierde, y el valor residual es de aproximadamente 70%.
(3) Cómoda recuperación El electrolito sólo contiene un metal de transición, que es fácil de extraer. Pila de flujo miniaturizada totalmente de vanadio para uso con energía fotovoltaica doméstica. El volumen es de 3 a 7 veces el de las pilas de litio.
Isosistema de hidrógeno de vanadio
La pila es el núcleo de la estructura modular
La estructura y el principio de la pila de flujo redox totalmente de vanadio son similares a los de la pila de combustible de hidrógeno. La pila es el componente central del sistema, donde se produce la reacción electroquímica y se genera la electricidad. El electrolito o hidrógeno se almacena en un depósito externo.
Dada la escasa potencia de salida de una sola célula de batería, en la práctica, la potencia de salida global suele mejorarse apilando varias células en serie para formar una pila.
Tomando como ejemplo la pila de combustible de hidrógeno, la pila es un conjunto compuesto de placas bipolares y electrodos de membrana apilados alternativamente, con juntas incrustadas entre los monómeros, y las placas delantera y trasera están prensadas y sujetas con tornillos.
Las pilas de combustible de hidrógeno son el valor central de los sistemas de pilas de combustible, y las pilas eléctricas chinas tienen carencias en cuanto a falta de materiales básicos y tecnologías clave.
Entre los materiales compartidos de vanadio-hidrógeno, la placa bipolar de grafito se ha producido básicamente en China, y la membrana de intercambio de protones y la capa de difusión de gas siguen siendo principalmente importadas.
Solución de hidrógeno de vanadio
Capa de difusión de gas (GDL):
Situada entre la capa del campo de flujo de gas y la capa catalítica, está formada principalmente por papel/tela de carbono tras un tratamiento hidrófobo y un revestimiento de capa microporosa.
La calidad de la capa de difusión de gas depende principalmente del sustrato de papel de carbono, y la calidad del sustrato depende de la fibra de carbono anterior.
En la preparación del papel de carbono, la dificultad técnica se refleja principalmente en el eslabón refinado/batido. En este eslabón, es necesario controlar el grado de batido para garantizar que la longitud de corte de la fibra de carbono sea moderada. La selección del material y la proporción de soluciones como aglutinantes y dispersantes afectarán a las propiedades del papel de carbono.
Panorama competitivo:
Las empresas líderes son Toray en Japón, SGL en Alemania y AvCarb en Estados Unidos, entre las cuales Toray y SGL forman parte de la cadena industrial de la fibra de carbono.
Membrana de intercambio de protones (PEM):
La tecnología dominante es la membrana de intercambio protónico de ácido perfluorosulfónico. Las PEM tienden a ser más finas gradualmente, de decenas de micras a decenas de micras, reduciendo la polarización óhmica de la transferencia de protones para lograr un mayor rendimiento.
Panorama competitivo:
Chemours y Gore en Estados Unidos, esta última con la serie de productos más abundante y los casos de aplicación más prácticos, son los líderes del mercado de pilas de combustible para automóviles. China es principalmente el futuro de Dongyue, que se caracteriza por una cadena completa de industria química fina que contiene flúor.
Placa bipolar (BP):
Según el material, puede dividirse en placa bipolar de grafito, placa bipolar metálica y placa bipolar compuesta. En la actualidad, las pilas de combustible de hidrógeno utilizan principalmente placas de grafito o placas metálicas, y las pilas de flujo de vanadio redox tienden a ser de placas compuestas.
El grado de producción china:
Placa bipolar de grafito>placa bipolar de metal>placa bipolar de material compuesto.
Pila de combustible de hidrógeno:
En 2020, el tamaño del mercado chino de placas bipolares para pilas de combustible de hidrógeno alcanzará los 310 millones de yuanes, y la cuota de mercado de las placas de grafito (incluidas las placas compuestas de carbono y plástico) y las placas metálicas será de 65% y 35%, respectivamente. Las placas tienden a dividirse por igual.
Los datos muestran que en 2021, los envíos de placas bipolares metálicas H1 representaron 45,0% del total de envíos de placas bipolares (36,0% en el mismo periodo de 2020).
Pila de flujo de vanadio:
La placa metálica se ignora básicamente, e incluso la placa metálica revestida es difícil de trabajar de forma estable durante mucho tiempo en un entorno de líquido ácido. Las placas bipolares de grafito (mecanizadas) no se ven favorecidas debido al complejo y costoso proceso de mecanizado.
Las baterías de flujo redox de vanadio utilizan principalmente placas compuestas de carbono y plástico, porque sus procesos termoplásticos o de moldeo son relativamente sencillos de mecanizar, pero el aumento de la resistividad causado por las resinas poliméricas mezcladas sigue siendo un problema que hay que resolver.
Placa de grafito:
Debido a su alta resistencia a la corrosión, su gran durabilidad y sus barreras técnicas relativamente bajas, es el primero en lograr la producción china, y está demostrado en el campo de los vehículos especiales y los vehículos comerciales, menos sensibles al volumen pero sí a la durabilidad.
Sin embargo, no se pueden ignorar las desventajas del largo ciclo de producción, las malas propiedades mecánicas, la gran dificultad de procesamiento y el elevado coste de producción de las placas bipolares de grafito.
Cada vez más empresas del mercado han desarrollado con éxito placas bipolares de grafito ultrafinas y ultrafinas, superando el requisito nacional de 1,5 mm de grosor para un solo grupo de placas bipolares de grafito antes de 2025, y la densidad de potencia ha empezado a acercarse a la de la primera generación de Toyota de metal El nivel de la placa bipolar.
Placa de metal:
Su escasa resistencia a la corrosión y su corta vida útil son obstáculos para su aplicación. Sin embargo, con los continuos avances y progresos del proceso de revestimiento, se espera que alcance la misma vida útil que la placa de grafito.
Gracias a sus excelentes propiedades mecánicas, alta densidad de potencia en volumen, bajo coste y fácil producción en serie, las placas bipolares metálicas se pondrán al día en el proceso de aplicación a gran escala en turismos.
El grado de densificación, la relación de aspecto del canal de flujo es mayor, y el diseño es más pequeño, lo que puede permitir que la placa única soporte una mayor densidad de potencia, y reducir el número de placas necesarias por kW, reduciendo así la dificultad y el coste de la integración de la pila.
En la actualidad, las pilas de 100 kW suelen necesitar entre 350 y 400 celdas de un solo núcleo, mientras que Ballard ha conseguido que las pilas de alta potencia de 140 kW sólo necesiten 309 celdas, lo que reduce enormemente el número de placas bipolares y mejora la densidad de potencia de la pila.
Toyota Motor Corporation fue pionera en el uso de placas y revestimientos bipolares metálicos en su vehículo de pila de combustible Mirai, abordando una serie de problemas como la corrosión, el coste y la conductividad eléctrica.
