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慈松:储能和能源互联网互相支撑、彼此促进
2017-09-25


清华大学慈松教授在9月17日举行的中国能源研究会年会2017分论坛“储能推动能源创新发展”上发表《能源互联网背景下储能应用的现状与展望》演讲,表示能源互联网区别于传统电网具有很强的服务属性,可通过芯片技术的创新和快速降本,打造一个升级版的BMS-电池能量交换系统,保证电池系统寿命可以做到和电池单体寿命一样长,投资回报率极大提高。同时储能也能有效改变负荷特性,解决用户需求的随机性、不确定性,支撑起互联网应用模式创新,进而促使能源商品属性的回归。


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以下为演讲原文:


各位领导、专家,大家上午好!我今天给大家汇报的题目是《能源互联网背景下储能应用的现状与展望》,这个题目是命题作文有点大,因此在这里结合我个人的理解,报告分三部分:第一部分简要讲一下什么是能源互联网,第二部分是储能在能源互联网的侧重点。跟电网的定位不一样,我主要讲讲储能在能源互联网,主要是指用户侧能源互联网中的应用,并展望未来储能技术的发展。第三部分汇报现在做的案例。


首先讲我们面临的挑战。挑战刚才几位专家介绍得非常多了,但从动力上来讲,从要素驱动到创新驱动是储能推动能源创新发展这个主题必然有的含义。目前最大的问题是能源资产的应用效率太低。大家想想电池在做电力储能之前都是以备用电的形式出现,每年铅酸电池将近1亿多度电的产能生产出的电池基本都是闲置的,因此资产运营效率是非常低的,类似情况包括输配电线路冗余、发电小时数等等,这些都是资产的利用效率问题。目前快速发展的共享经济就是解决此类资产效率问题的。


另一方面,我们创新能力是在提升的。新能源技术快速发展,使新能源发电成本降得很厉害,由于光伏产业符合摩尔定律,产量上去了,成本降得幅度是非常大的。此外,储能的技术处于突破的前沿。借用储能联盟的一张图,我们可以看到2015年时锂电池电池价格已经过了拐点,呈现几何级数地下降。而互联网催生出从生产为中心变成需求就是用户为中心的模式,这个模式将重新界定许多传统行业。譬如说我们讲的电网本身是一个通道,最终是用电的人把利益链最后一环实现闭环,收到电费才是电网真正的利益价值实现。云计算和大数据支撑的人工智能技术也推动了用户为中心的服务模式。


值得指出的是大数据本身不能产生价值,大数据是转移工具,可以把价值从一个行业转移到另外一个行业的工具。云计算的出现极大降低的计算成本,现在我们讲人工智能,并不是说人工智能的研究本身得到了发展,而是计算能力得到了提升。因此互联网+的个性化定制化服务模式得以出现,互联网加的是传统行业,也就是我们讲的新能源、新材料、新制造。


例如,目前有电池厂家做储能是做产品+服务的模式,不卖电池,卖产品服务。挑战+机遇催生了能源互联网发展机遇,将创造出新的价值。互联网是数字领域的事情,新能源、新材料、新制造是实体经济是物体层面的事情,我们讲新的价值是物质世界和数字世界深度融合产生的价值,大家想想共享单车等案例,我们讲的第三次工业革命,它的价值就在这个地方。


这是传统传统电网的示意图。我个人认为是生产型的系统,能量单向流动,用户侧也是封闭的,这点和互联网之前通信网络非常像。到了能源互联网时代,用户侧呈现出网状结构,配电网出现大量流动双向节点,用户从consumer变成prosumer,现在加上储能和电动汽车等新的业态,是服务型系统的定位。


我们现在讲能源互联网,更多的时候是强调它的服务性,不是要再新建一个能源互联网,这个网绝大部分要素已经在那儿了,需要我们怎么用互联网+的技术把这些要素盘活,需要做价值链的重新梳理。


储能刚才几位专家都说了确实是能源互联网的核心装备,贯穿于发输配用四个环节,李总、王总刚才介绍了在前面三个环节,如风、光电站、微网、可再生能源方面的应用,我这里主要讲用这个环节的事情,储能在用户侧到底能做什么样的事情。


这张PPT展示了未来的愿景,用户侧会有大量分布式发电,微网加上数字储能的场景,大量分布式储能贴近负荷的效率最高。储能能有效改变负荷特性,解决用户需求的随机性、不确定性。譬如说充电行为是没法调度,是个人发起的随机行为。储能可以支撑起互联网应用模式创新,进而促使能源商品属性的回归。


这是借用联盟的一张PPT,储能已经有好多政策了,刚才几位专家都提到了,这里就不细说了。


我们看到锂电池的拐点在2015年左右已经出现了,价格下降很快,质量也提高很多,现在问题在哪儿呢?储能的应用效果刚才我们都看到一个字就是“好”,问题在哪儿?就是“贵”。就这两个字基本就是储能的现状。


我们看到储能系统目前有一个很大的问题就是被电池厂主导,这个我认为是不合适的,就像做一个PC整机,换一个固态硬盘,PC性能一定能提升吗?不一定。储能是系统工程,像刚才李主任也讲过,这里面牵涉到很多系统级的技术,系统级的技术不解决,单点技术突破有意义但意义并不明显。这样我们看到储能系统单位成本应该是什么?应该是按照每次转移每度电的成本来算,现在电池厂你跟他讲都是说保你10年、20年,电池具体能用多长时间根本没有保证。我们看到采购成本很高,这就是为什么现在需要做梯次利用,换电模式。电动汽车补贴一退坡,装在车上的电池就会越来越少。从这点来讲有补贴不一定是好事。当然促进行业发展确实需要有补贴带动,这就需要智慧设计一个合理有效的机制。


电池厂家讲的循环寿命通常是单体电芯的循环寿命,钛酸锂电芯目前标称3万次20年了,大规模储能系统可能是有上百万个单体的电池系统,这个系统系统还能用到3万次吗?这里有很多系统级的问题要解决。按照现在电池厂的报价来看,每次转移每度电的成本,即便度电成本是6000元,3万次的电芯每次成本就是2毛钱,电芯每次度电成本已经很低了,可事实恰恰相反。问题出在哪儿?电池单体的差异性,系统寿命目前差不多是单体寿命的三分之一。


另外是运维成本。运维成本现在看起来并不是一个很突出的问题,未来在用户侧部署,这部分成本会非常高,所有做C端产品运维成本都是必须要考虑的,如果还是依赖目前靠人的模式肯定是不行的。此外,用户的需求复杂而多变,早晨需要功率型的,晚上需要容量型的,某些产品可能需要蓄冷蓄热,多种储能技术的综合运用也是必须的。


最重要的是如何形成不依赖于补贴的商业运营模式。前面岳芬讲了美国的模式和德国模式等,储能在国外是按照跟电网一样的模式收费的。储能系统既然作为一个电源来看,就必须有按度电计量收费的模式。


但是电池本身是电化学反应装置,是模拟系统,我们怎么精确估计电化学装置的能力呢?这里有很多问题。因此计量收费手段不解决,储能应用就会很粗放。


在这里我们讲讲电池应用系统里面的问题。电池系统在300多年是固定串并联,而每个电芯是不一样的,固定连接在一起,部分电芯就会有过充和过放的现象,就会有系统短板效应。


我们看电池厂还是追求一致性,这个是很有必要的,但是公差是物理极限,再怎么提高一致性,公差还是在的,短板效应还是有的。既然都知道电池有差异性,业界有两种态度,一个是接纳差异性,第二是避免差异性。特斯拉的方案是避免差异性的典型,即便选了18650,每个18650外面加一个液冷的装置,依然无法避免系统短板效应的发生。这是另外一个例子,5000次的电芯、100个这样的电芯简单串联组成系统,测出来结果是1500次。因此,按电芯算的度电成本和按系统算的度电成本是3倍的关系,即便用钛酸锂做依然没有经济性,每次度电成本从2毛就变6毛了,因此短板问题是制约储能这个行业的系统级问题。


能量信息化技术屏蔽电芯差异性。既然电芯这一级不能消除系统短板效应,就有必要引入屏蔽单体差异性技术体系,这也是为什么把互联网的技术体系引入电池成组,说简单一些就是需要把电池做格式化,如同以前用磁盘的时候,买回来第一件事是格式化磁盘,要不然系统就不知道精准容量,里面能装多少东西。如果是旧磁盘,就重新格式化,坏到坏区全甩掉,容量可以重新标定。目前我们需要对电池容量做一个数字标定,电池容量标定是电芯与系统或网络交互的基础。进行标定以后,物理和化学差异性也就屏蔽掉了,如硬盘格式化为数字比特,500M和1T的硬盘就可以在一起用了。


从管控成本上考虑,无论是宽禁带电子半导体还是VLSI控制器都是符合摩尔定律的,单位成本下降非常快。


电池能量交换系统可以保证单体电池不过充不过放,因此系统寿命可以做到和单体寿命一样长,投资回报率极大提高。这样传统BMS就会变成数字化电池能量交换系统。其最大区别就是BMS上面不走大功率,能量交互系统是串接设备走大功率,是能量数字化信息化的装置。


有了这个装置以后,我们可以根据应用场景和储能介质的特性,把多种不同储能介质无缝整合到一个软件定义的复合型储能系统里。


我们看一个视频,这是用开关来人为模拟电芯短路和断路的过程。这里面所要表达的事情是什么?在我们这个系统里,人为模拟短路和断路的动态过程对系统输出的影响被屏蔽掉了,这是由于单体电池是有微秒级的能量流上的管控。


这样我们就可以用这种技术去解决电池差异性比较大的场景,如梯次利用和高能量密度的电芯等。


这是基站闲散电池加上能量网卡,电池的容量在云平台上可见可控,可以通过互联网实现双向管控电池单体或模组的能量流。与BMS不一样,BMS是测量但无法对单体进行管控和故障单体隔离。


这是电池自动巡检平台,大规模储能上来以后,单体电芯的管控能力可以将巡检和运维成本控制住,这就需要通过互联网+的能力来实现。


我们认为通过部署加装能量网卡的能源互联网ready的储能单元,我们可以快速构建虚拟电厂(VPP),这样弥漫在社会各个角落分布式闲散电池资源就会被盘活利用,实现共享经济模式的电池uber。电池会像当年的PC一样,插上网卡就可以在迅雷上去看电影,大家可以共享带宽和存储资源。因此,用户侧售电和定制电力服务的模式就成立了。现在第三方售电企业跟电网争通道这件事情是需要重新思考商业模式。需要考虑我们怎么围绕用户需求做能量服务,这也是我们发展能源互联网的应有之意。


我就讲到这。谢谢大家!