Analyse des six principales méthodes de stockage de l'énergie
Sous la double impulsion de l'explosion de la demande du marché et de l'encouragement politique, les méthodes matures de pompage-turbinage et de stockage de l'énergie électrique au lithium connaissent une croissance explosive, et d'autres nouvelles méthodes de stockage de l'énergie se sont également engagées sur la voie rapide du développement.
Dans cet article, l'état de développement, le coût du système et les perspectives d'application de six types de méthodes de stockage de l'énergie, y compris le pompage-turbinage, la batterie lithium-ion, stockage d'énergie par air comprimé les batteries à ions sodium, les batteries à écoulement fluide au vanadium et les batteries au plomb et au carbone sont évaluées.
Diverses méthodes de stockage de l'énergie sont en cours de développement.
En fonction des différentes exigences temporelles, les scénarios d'application du stockage de l'énergie peuvent être grossièrement divisés en quatre catégories : le type de capacité (≥4h), le type d'énergie (environ 1-2H), le type de puissance (≤30min) et le type de veille (≥15min).
Les scénarios de stockage d'énergie capacitive comprennent l'écrêtage des pointes et le remplissage des vallées, le stockage d'énergie hors réseau, etc. Il existe de nombreuses méthodes de stockage de l'énergie à long terme, notamment le stockage de l'énergie par pompage, l'air comprimé, le stockage de la chaleur, le stockage du froid, le stockage de l'hydrogène et diverses batteries de stockage de l'énergie capacitive (telles que les batteries sodium-soufre, les batteries à flux, les batteries plomb-carbone, les batteries à boue de lithium, etc.)
De 2017 à 2020, le réseau électrique a répondu à la décision du Bureau de l'énergie et de la Commission chinoise du développement et de la réforme de réduire le taux de réduction de l'énergie éolienne et lumineuse, et a pleinement utilisé les ressources flexibles du système électrique pour absorber la nouvelle énergie, de sorte que le taux de réduction de l'énergie éolienne et lumineuse a diminué à 2%. Dans le même temps, la pression sur le réseau électrique est devenue importante, et certaines provinces ont commencé à exiger que le côté électricité configure le stockage de l'énergie. En 2021, un certain nombre de documents phares de l'industrie du stockage de l'énergie ont été publiés, et le stockage de l'énergie est entré dans une phase de développement historique.
Du point de vue de l'ensemble du système électrique, les scénarios d'application du stockage de l'énergie peuvent être divisés en trois grands scénarios : la production, la transmission et la distribution, et l'électricité. En outre, les applications comprennent également les services auxiliaires, la production distribuée et le micro-réseau.
La technologie du stockage de l'énergie est largement utilisée dans l'industrie de l'énergie électrique
D'un point de vue technique, les méthodes de stockage de l'énergie peuvent être divisées en stockage d'énergie physique, stockage d'énergie électrochimique et stockage d'énergie électrique, stockage d'énergie thermique et méthodes de stockage d'énergie chimique.
Analyse de trajectoire des technologies de stockage de l'énergie
Parmi tous les types de méthodes de stockage de l'énergie, le pompage-turbinage est l'application la plus mature. La méthode de stockage de la chaleur a également atteint le stade de l'application à grande échelle, et la majorité de la réforme de la flexibilité de l'énergie thermique en Chine adopte la technologie de stockage de la chaleur ; la méthode de stockage de l'énergie par batterie au lithium-ion a été rapidement appliquée au cours des deux dernières années ; l'air comprimé et les batteries d'écoulement ont également été utilisés commercialement.
Analyse de six types de méthodes de stockage de l'énergie
1. stockage par pompage
Le mode de fonctionnement de la centrale de pompage-turbinage étant la conversion énergétique entre l'électricité et l'énergie potentielle de l'eau, la capacité de stockage de l'énergie dépend principalement de la différence de hauteur entre le réservoir supérieur et le réservoir inférieur et de la capacité du réservoir, la perte due à l'évaporation du phénomène de fuite d'eau étant presque négligeable.
Le pompage-turbinage permet une extension illimitée de la période de stockage et peut s'adapter à toutes sortes d'exigences en matière de cycle de stockage de l'énergie. L'efficacité du cycle du système peut atteindre 70%-80%. En même temps, le corps du barrage de la centrale de pompage et de stockage après sa construction peut être utilisé pendant environ 100 ans, et la durée de vie prévue de l'équipement moteur est d'environ 40 à 60 ans.
Proportion des technologies de stockage d'énergie installées en 2021
Calcul des coûts: À l'heure actuelle, la méthode de stockage de l'énergie la plus économique consiste à explorer l'économie de la centrale de pompage-turbinage. Nous avons calculé le coût en kilowattheures de l'énergie stockée par la centrale de pompage-turbinage.
Hypothèses de base pour le calcul du LCOS des centrales de pompage-turbinage
Si l'on considère que le coût d'investissement initial d'une centrale de pompage-turbinage est étroitement lié à la sélection du site du projet, l'économie de sélection du site d'un nouveau projet à un stade ultérieur diminue et le coût d'investissement initial peut augmenter. En outre, le nombre de cycles réels de la centrale est supposé être compris entre 300 et 500 fois. On estime que la fourchette LOCE des centrales de pompage-turbinage conventionnelles est comprise entre 0,23 et 0,34 RMB/kWh, sans tenir compte du coût de la charge.
Depuis le 14e plan quinquennal, la Chine a accéléré le déploiement des projets de pompage-turbinage. D'ici 2025, l'ampleur totale de l'accumulation par pompage mise en production doublera par rapport au "13e plan quinquennal", pour atteindre plus de 62 millions de kW (selon le calcul 6 RMB /W, l'investissement doit atteindre environ 180 milliards de RMB) ;
D'ici 2030, l'échelle totale de la production de l'accumulation par pompage doublera encore par rapport au "14e plan quinquennal", pour atteindre environ 120 millions de kW (sur la base d'un calcul de 6 RMB /W, l'investissement doit atteindre environ 540 milliards de RMB) ; en outre, la liste des projets de stockage d'énergie prévus publiée en août 2021 comptait 551 projets, pour un total de 679 millions de kW.
Capacité installée et planification de l'accumulation par pompage en Chine (GW)
Depuis janvier 2022, 20 provinces ont annoncé la liste des principaux projets de construction provinciaux pour 2022. Selon les statistiques, la capacité installée cumulée de pompage-turbinage a atteint 104,3GW et l'investissement cumulé a dépassé 600 milliards de RMB parmi les projets clés annoncés par les provinces jusqu'à présent.
2. méthode de stockage de l'énergie dans une batterie lithium-ion
En 2021, les batteries lithium-ion représentaient 89,7% du stockage électrochimique de l'énergie installé en Chine. Il s'agit de la méthode de stockage de l'énergie la plus mature avec la dynamique de développement la plus rapide, et la batterie lithium-ion domestique de stockage de l'énergie est un élément essentiel de l'infrastructure de stockage de l'énergie. batterie powerwall.
La chaîne industrielle du stockage d'énergie au lithium-ion se compose de fournisseurs d'équipements en amont, d'intégrateurs en milieu de chaîne et d'utilisateurs finaux en aval. Les équipements comprennent les batteries, les systèmes de gestion de l'énergie (EMS), les systèmes de gestion des batteries (BMS) et les convertisseurs (PCS). Les intégrateurs comprennent l'intégration des systèmes de stockage d'énergie et l'EPC ; les utilisateurs finaux se composent de la production, du réseau, de l'utilisateur et du centre de communication/données.
Schéma du stockage électrochimique de l'énergie en amont et en aval
La batterie de stockage d'énergie est l'élément central de la méthode de stockage d'énergie électrochimique. À l'heure actuelle, les principales batteries disponibles sur le marché se répartissent grosso modo entre les batteries lithium-ion, les batteries plomb-carbone, les batteries à écoulement fluide et les batteries sodium-ion, en fonction de différents itinéraires technologiques.
Selon les statistiques, en 2021, la Chine expédiera 48 GWh de batteries de stockage d'énergie, dont 29 GWh de batteries de stockage d'énergie électrique, soit une croissance annuelle de 339% ; et selon le rapport, l'expédition totale de batteries de stockage d'énergie dans le monde en 2021 était de 66,3GWh, soit une croissance annuelle de 132,6%, le stockage d'énergie dans les systèmes électriques étant la principale contribution incrémentielle.
Livraisons de batteries de stockage d'énergie et taux de croissance en Chine de 2017 à 2021
Analyse des coûts de la méthode de stockage de l'énergie dans les batteries lithium-fer-phosphate
En fonction des différents matériaux de cathode, les batteries lithium-ion courantes actuelles sont de deux types : pile ternaire au lithium La densité énergétique de la batterie lithium-phosphate de fer est inférieure à celle du matériau ternaire et le coût est également inférieur. Le domaine du stockage de l'énergie n'exige pas une densité énergétique élevée, et les batteries lithium-phosphate de fer à faible coût et à longue durée de vie sont plus populaires.
En tant qu'élément central de l'ensemble du système de stockage de l'énergie, le coût de la batterie représente 50% du coût total du système de stockage de l'énergie, ce qui constitue un canal important pour la réduction ultérieure du coût du système de stockage de l'énergie.En 2021, la plupart des prix de l'offre de stockage de l'énergie par batterie lithium-fer-phosphate en Chine sont concentrés entre 1,2 et 1,7 RMB /Wh.
Le coût mondial de l'EPC pour le stockage de l'énergie électrochimique en 2022 est d'environ 261 dollars US /kWh (équivalent à environ 1,66 RMB /Wh), et devrait tomber à 203 dollars US /kWh (équivalent à environ 1,29 RMB /Wh) en 2025. Depuis 2021, un grand nombre d'EPC ont été attribués à des prix compris entre 1,3 et 1,7 RMB/kWh.
3. méthode de stockage de l'énergie par air comprimé
La méthode de stockage de l'énergie par air comprimé continue de progresser en Chine. Le stockage d'énergie à air comprimé (CAES), le stockage d'énergie à air comprimé adiabatique avancé (AA-CAES), le système de stockage d'énergie à air comprimé supercritique (SC-CAES), l'air comprimé liquide (LAES), etc. ont fait l'objet de recherches. Des projets de démonstration de stockage d'énergie à air comprimé d'une capacité de 500 kW, de 1,5 MW et de 10 MW ont été menés à bien.
Les centrales électriques commerciales de stockage d'énergie à air comprimé de Hantford (Allemagne), construites en 1978, et d'Alabama (États-Unis), construites en 1991, sont des centrales commerciales. Des projets de recherche et développement sur le stockage d'énergie à air comprimé, à air comprimé supercritique et à air comprimé liquide ont été menés en Chine.
Parmi eux, le premier projet de démonstration de stockage d'énergie à air comprimé avancé de 100 MW de Zhangjiakou International a été connecté avec succès au réseau à la fin de 2021, et l'ensemble du processus de recherche et de développement ainsi que les performances du système se situent à un niveau de pointe international.
Analyse des coûts du stockage de l'énergie dans l'air comprimé
L'amélioration de l'efficacité du système et la réduction des coûts sont à la base du développement commercial du stockage d'énergie à air comprimé. Actuellement, selon les projets achevés et en cours de construction, l'efficacité du système au niveau du mégawatt peut atteindre 52,1%.
Le rendement du système au niveau de 10 mégawatts peut atteindre 60,2%, le rendement de conception du système au niveau de 100 mégawatts et plus peut atteindre 70%, et le rendement du système avancé de stockage de l'énergie à air comprimé peut approcher 75%. Avec l'augmentation de l'échelle du système, le coût d'investissement unitaire continue également à diminuer, et le coût unitaire peut diminuer d'environ 30% lorsque l'échelle du système augmente d'un ordre de grandeur.
Hypothèses de base du calcul du LCOS pour le système de stockage d'énergie à air comprimé
Le changement de l'investissement initial et des heures d'utilisation a un impact important sur le coût du KWH, et avec le progrès technologique, l'investissement initial a encore une marge de diminution.Les heures d'utilisation dépendent principalement du taux d'utilisation de la centrale en fonctionnement réel. Dans un système de 100MW/400MWh, avec un investissement initial de 5-6 RMB /W et un cycle annuel de 450-600 fois, le coût du kWh est compris entre 0,252 et 0,413 RMB /kWh.
En conclusion, le stockage d'énergie par air comprimé devrait devenir un complément important du stockage par pompage dans le domaine des centrales de stockage d'énergie à grande échelle après l'amélioration de l'efficacité énergétique.
4. méthode de stockage de l'énergie par ions sodium
Les facteurs clés qui déterminent si le stockage électrochimique de l'énergie peut être appliqué dans de vastes domaines comprennent la sécurité, la disponibilité des ressources matérielles, les performances à haute et basse température, la durée de vie, le coût d'investissement, etc.
Après une application à grande échelle, le coût de la batterie sodium-ion devrait être inférieur à celui de la batterie fer-lithium, et elle peut être largement utilisée dans le stockage d'énergie électrochimique à grande échelle, dans les véhicules électriques à faible vitesse et dans d'autres domaines. Elle devrait constituer un remplacement complémentaire et efficace de la batterie lithium-ion.
Performance comparaison des batteries plomb-acide, lithium-ion et sodium-ion
Des études connexes montrent que le coût des matériaux de la batterie sodium-ion est d'environ 370 RMB/kWh, et qu'avec la maturité de la chaîne industrielle, le coût des matériaux devrait continuer à s'améliorer. Combiné au coût des pièces structurelles et des pièces électriques, l'investissement initial dans la capacité devrait être contrôlé à 500-700 RMB/kWh ; en termes de performance, avec l'investissement continu dans la recherche et le développement et l'itération technologique, la durée de vie du cycle de la batterie devrait dépasser 8000 fois.
L'avantage des batteries sodium-ion en termes de coût des matériaux est évident
Depuis 2010, les universités et l'industrie chinoises et étrangères s'intéressent de près à la batterie à ions sodium, et la recherche dans ce domaine a connu une croissance explosive. De nombreuses entreprises chinoises et étrangères travaillent activement à la mise en place de l'industrialisation des batteries sodium-ion. Il s'agit notamment de FARADION, NatronEnergy, Tiamat, Kishida Chemical, Toyota, Panasonic, Mitsubishi Chemical, ainsi que des entreprises chinoises Hinabattery, CATL, natriumenergy et d'autres encore.
À l'heure actuelle, les travaux de la Chine en matière de recherche, de développement et de fabrication de produits de batteries sodium-ion, de formulation de normes et de promotion de l'application sur le marché sont menés de manière globale. Les batteries sodium-ion sont sur le point d'entrer dans la phase d'application commerciale, et les travaux y afférents sont à l'avant-garde mondiale.
Analyse des coûts de l'ion sodium Système de stockage d'énergie par batterie ion sodium Hypothèses de base du calcul LCOS
En supposant que le coût d'investissement initial soit de 0,9-1,2 RMB /Wh, que la durée de vie soit de 10 ans et que le cycle de vie soit de 2000-6000 fois, l'analyse de sensibilité de la batterie sodium-ion est effectuée. Si le coût est inférieur à 1,1 RMB /Wh et que le cycle de vie est supérieur à 3000 fois, le coût du KWH sera compris entre 0,270-0,662 RMB, ce qui est meilleur que la batterie lithium-fer.
5.Batterie à flux complet au vanadium pour le stockage de l'énergie
L'énergie électrique de la batterie au vanadium sous forme d'énergie chimique stockée dans les différentes valences de l'ion vanadium de l'acide sulfurique dans l'électrolyte, l'hydraulique électrolytique empilée dans la batterie par le biais d'un corps de pompe externe, sous l'influence de l'énergie mécanique.
Dans les différents réservoirs de stockage et le cycle de demi-cellule en boucle fermée, en utilisant la membrane d'échange de protons comme diaphragme de la batterie, la solution d'électrolyte parallèle à travers la surface de l'électrode et la réaction électrochimique, recueillir et conduire le courant à travers la plaque d'électrode double, de sorte que l'énergie chimique stockée dans la solution est convertie en énergie électrique.ce processus de réaction réversible permet à la batterie au vanadium d'être chargé, déchargé et rechargé avec succès.
La batterie à flux liquide présente les caractéristiques suivantes : longue durée de vie, bonne sécurité, grande puissance de sortie, grande capacité de stockage d'énergie et facilité d'extension, durée de vie de 15 à 20 ans, comparée à d'autres méthodes de stockage d'énergie, le matériel du parc éolien présente le plus haut degré d'adéquation, particulièrement adapté au stockage d'énergie de la centrale éolienne, pour répondre à ses besoins de charge et de décharge fréquentes, de grande capacité, de stockage d'énergie sur une longue durée.Bien sûr, la batterie à flux liquide tout vanadium a une faible densité énergétique, un volume et une masse beaucoup plus importants que les autres batteries, et nécessite un environnement de température de 5 à 40°.
Avantages de la méthode de stockage de l'énergie par flux liquide de vanadium complet
Depuis 2010, les projets de démonstration de batteries à flux liquide au vanadium de plusieurs mégawatts en Chine ont commencé à être mis en œuvre successivement. Depuis 2019, les projets de démonstration de stockage d'énergie par batterie à flux liquide en Chine accélèrent la construction.
La première phase du projet national de démonstration de la centrale électrique de pointe de stockage d'énergie par batterie à flux liquide de Dalian, d'une capacité de 200 MW/800 MWh, et d'une capacité de 100 MW/400 MWh de stockage d'énergie par batterie à flux liquide au vanadium, a achevé la construction technique principale et est entrée dans la phase de mise en service du module monomère. La mise en service du réseau devrait avoir lieu en juin. Il s'agit du plus grand projet de stockage d'énergie à flux liquide de vanadium au monde.
Projet de stockage d'énergie par écoulement de liquide de vanadium planifié ou construit en Chine ces dernières années
En raison du manque d'échelle commerciale et des limites imposées par l'équipement, la capacité et l'investissement initial élevé, en se référant à l'appel d'offres de Datang pour un système de stockage d'énergie par batterie au vanadium de 10MW/40MWh et à la situation de l'investissement dans le projet national de démonstration de la centrale électrique de pointe de Dalian, on s'attend à ce que le coût initial de la batterie au vanadium soit environ trois fois supérieur à celui de la batterie au lithium.
Hypothèses de base pour le calcul du LCOS d'un système de stockage d'énergie par batterie à flux de vanadium
Le changement de l'investissement initial et des heures d'utilisation a un impact important sur le KWH, mais avec le progrès technologique, l'investissement initial a encore une marge de diminution.Les heures d'utilisation dépendent principalement du taux d'utilisation de la centrale en fonctionnement réel. Dans un système de 100MW/400MWh, lorsque l'investissement initial est de 11-13 RMB /W et que le nombre de cycles annuels atteint plus de 600 fois, la fourchette de coût du kWh de stockage d'énergie est de 0,44-0,69 RMB /kWh.
Analyse de sensibilité du LCOS pour la batterie à flux tout vanadium (RMB /kWh)
6. méthode de stockage de l'énergie dans une batterie plomb-carbone
La batterie plomb-carbone est une batterie plomb-acide capacitive, qui est une technologie issue de la batterie plomb-acide traditionnelle. La matière active positive de la batterie plomb-acide ordinaire est l'oxyde de plomb (PbO2), et la matière active négative est le plomb (Pb). Si la matière active négative Pb est remplacée par du charbon actif, la batterie plomb-acide ordinaire devient un condensateur hybride. Si le charbon actif est mélangé à la matière active négative Pb, la batterie plomb-acide ordinaire devient une batterie plomb-carbone.
Progrès de la méthode de stockage de l'énergie plomb-carbone
Axion, une société américaine, a établi une ligne de production de batteries plomb-carbone en 2006 et a commencé à vendre des batteries plomb-carbone en vrac en 2009.Les principales usines chinoises de batteries acides ont effectué la recherche et le développement et la production de batteries plomb-carbone, par exemple, Shengyang shares et Japan Furuhe ont signé un accord de coopération en 2014, autorisé Shengyang shares dans l'usine chinoise de batterie plomb-carbone de production localisée ;
Nandu Power a développé des segments de projets de stockage d'énergie tels que Linan 2MWh, Zhejiang Luxidao 4MWh micro grid energy storage, Zhuhai Wanshan Island 6MWh;En 2018, le projet "lead carbon battery 2V1000 for Power storage" du groupe Sunway a remporté le deuxième prix du progrès scientifique et technologique de la province de Zhejiang;Tianeng Power a déclaré que sa batterie plomb-carbone haute performance est un nouveau type de batterie développé indépendamment avec un niveau de technologie de pointe international.
En décembre 2020, elle a remporté la plus haute récompense dans le domaine industriel chinois, approuvée par le Conseil d'État, le prix China Industry Award Project Award. L'analyse de sensibilité de la batterie plomb-carbone montre que le coût d'investissement initial est de 0,8-1 RMB /W et que la fourchette de coût du stockage d'énergie de la batterie plomb-carbone est de 0,52-0,747 RMB /kWh lorsque le nombre de cycles annuels atteint plus de 500 fois. Les calculs et les comparaisons ont permis de constater que, bien que le coût d'investissement initial de la batterie plomb-carbone soit faible, sa profondeur de décharge est inférieure à celle des autres méthodes de stockage de l'énergie, de sorte que l'avantage en termes de coût du KWH n'est pas évident.
En outre, si l'on tient compte du coût de la perte d'énergie lors de l'utilisation réelle, les batteries plomb-carbone seront désavantagées par leur efficacité énergétique inférieure à celle des batteries lithium-fer. Dans le cadre du nouveau stockage de l'énergie, les batteries au carbone-plomb devraient également améliorer leur efficacité énergétique et réduire leurs coûts grâce au progrès technologique.
Parmi les six méthodes de stockage de l'énergie, laquelle préférez-vous ?
