能源互联网的发展趋势及前景分析

本翼资本2021-05-17
能源互联网的技术瓶颈和发展趋势分析

图一:能源互联网的未来形态

(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

一、能源互联网主要技术瓶颈

未来的能源互联网不仅仅只是实现输配电的功能,核心瓶颈其实是在能源的储存和传输方式上,要想实现能源像信息一样无处不在、随时存取的目标,就必须要在储能技术和无线能量传输技术上突破。储能技术和无线能量传输技术在能源互联网的发电侧、电网侧以及用户侧都能发挥能源存储和分配的作用。

目前中国大量使用火力发电,新能源发电的渗透率较低,但为实现碳达标、碳中和的目标,中国必将大力促进新能源发电,风电、光伏发电等可再生能源发电存在间歇性,且波动性强,不可预测性强,当新能源大量并入电网时,会增加电网的波动,或许会对电网安全造成冲击。短期内可以使用水电、火电等传统能源辅助新能源平滑并网,但在长期新能源大量接入时,传统能源不足以调节,会对电网造成冲击,因此储能技术的应用十分重要。此外,现如今能源的传输主要是采用有线的方式,传输速度相对慢,前期建设时间长,维护成本高,且不能做到无处不达,随用随取。现在在用户侧有许多短距离无线传输技术投入应用,技术在不断完善进步,未来长距离无线传输技术若能突破,在发电侧和电网侧都会有极大应用,无线能量传输才是未来的能源传输方式。

图二:中国与全球主要国家发电方式对比

(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

首先在发电侧必定会减少化石燃料的使用,更多利用清洁能源发电,其中光伏发电是最有潜力的可再生发电方式,目前光伏发电的转化效率可以达到24%,未来可以达到40%,发电并不是技术瓶颈。但太空中光伏发电能产生远多于大气中发电产生的电能,因此理想状态下,太空中光伏发电产生的电能可以用无线能量传输技术传输到地面的发电站,实现更高效率的光伏发电。

由于可再生能源具有波动性和间歇性,产生的电能难以恰好满足用电需求,此时储能技术的应用就十分必要;电网侧传统的能源传输方式都是有线的,传输效率慢、磨损率高、成本昂贵,若想做到能源无处不达、随时存取就必须要摆脱线的束缚,因此研究无线能量传输技术尤其必要。此外,在电网侧,装备储能设备对电能削峰填谷、调频调压也十分重要;在用户侧,新的应用场景(如智能汽车、智能家居等)的市场前景远大,对无线充电的需求越来越高,主要技术瓶颈就是短距离的无线传输技术,其次在用户侧装备小型储能设备对紧急备用、分时电价管理也有重要作用。

二、两种技术介绍

2.1无线能量传输技术(WPT)

WPT技术按传输机理的不同,可分为磁感应耦合式、磁耦合谐振式、微波辐射式、激光方式、电场耦合式及超声波方式等;按照收发端耦合空间位置变化可分为静态充电、准动态以及动态无线充电方式。

图三:无线电能传输技术分类

(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

2.1.1传输机理不同的无线充电传输技术

在这几种WPT技术中,受到较多关注的主要有磁感应耦合式、磁耦合谐振式、微波辐射式和激光方式。其中,微波辐射式和磁感应耦合式起步较早,技术发展得较为成熟;而激光方式和磁耦合谐振式起步较晚,仍有许多问题亟待解决。

a.基于电磁感应的短距离传输技术

感应耦合电能传输技术(Inductively Coupled Power Transmission,ICPT)是一种以感应耦合原理为基础的无线电能传输模式。主要以磁场做为电能传输的媒介,基于变压器疏松感应耦合的构造,通过电力电子技术提高磁场频率、降低气隙损耗,实现无线电能的传输。这种无线输电技术的特点是传输功率大,能达千瓦级别,在极近距离内效率很高,但传输效率会随传输距离增加和接收端位置变化而显著减小,所以该技术一般用于厘米级的短距离传输。

b.基于磁共振耦合的中距离传输技术

磁共振耦合无线输电技术(Resonant Wireless PowerTransmission,RWPT)主要是利用发射线圈与接收线圈在系统本征频率下发生强耦合现象来实现电能的高效传输。这种传输方式可以越过某些材料和金属障碍物,在线圈直径的几倍距离内,以MHz频率的磁近场传输电能。传输效率较高,而且在传输区域内接收端的位置变化对效率不会产生显著影响。由于电力电子器件的制约,传输功率提高到千瓦级别时需要牺牲传输距离,甚至无法达到传输所需的共振频率,从而影响传输效率。

c.微波能量传输

微波能量传输(Microwave Power Transmission,MPT)是无线能量传输的一种,通过能量转换装置将电能转化为微波形式,利用发射天线向目标位置定向发送微波,再经接收装置接收并整流来实现的电能传输方式。微波能量传输的目的在于不通过任何质量来完成能量的远距离传输。这种传输技术适合应用于距离较长、容量较大的电能传输场合,例如将空间太阳能电站的能量传回地面,向平流层飞艇和轨道卫星供电等。微波输电技术在对埋入式传感器和植入式医疗设备等进行电能的传输时,将对人体造成未知的影响,在功率较大的场合甚至直接造成损伤,因而微波输电技术不适用于医疗器械充电方面的电能传输。由于微波的能束有一定的功率密度,将对现有的微波系统造成一定干扰,因此这种传输方式多用于环境影响较小的场合。

由于微波无线输电技术是目前将能量从卫星传送到地球的相对成熟的技术,最适合于地面向空间或者空间向地面的大功率无线输电,因此被应用到空间太阳能电站的方案中,而且可以应用到电力中继卫星中。随着科学技术的发展,微波无线输电系统效率的提高和尺寸的减小将使该技术具有更强的竞争力。

d.激光能量传输

激光无线输电技术(Laser Power Transmission,LPT)的原理是电源为激光器供电,激光器将电能转换成激光并由光学系统准直并发射,通过瞄准与追踪系统获取目标位置并进行实时跟踪,控制发射机将激光束照射到激光电池上,激光电池将激光光能转换成电能,经过电源管理系统获得电能输入,驱动目标动力装置及电子设备或对目标上的储能装置充电。由于激光具有波长短、单色性好、方向性好、高单色亮度的特点,一般而言,LPT相比于MPT具有设备体积较小、传输距离较远、无电磁干扰的特点。

e.总结

磁感应耦合式和磁耦合谐振式利用发射线圈产生的交变磁场将电能耦合到接收线圈,从而实现对负载的无线电能传输。其中,磁感应耦合式技术发展较为成熟,传输功率较大,在较短的传输距离内传输效率较高,随着传输距离的增大,传输效率迅速变小;磁耦合谐振式是磁感应耦合式的一种特例,通过发射接收线圈的磁耦合谐振实现高效非辐射能量传输,传输距离比磁感应式要大,属于中等距离 WPT技术。微波辐射式和激光方式WPT利用电磁场远场辐射效应在自由空间进行电能传输,微波辐射式传输距离较远,传输过程中的大气损耗较小,但微波发散角大,功率密度低;而激光方式WPT具有定向性好、能量密度高等特点,但定向精度要求高,目前技术仍不够成熟。

每种传输方式都有其特点和应用场合,如下表所示。

表一:传输方式特点对比

(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

2.1.2 按收发端耦合方式空间位置不同的无线充电技术

a.静态无线充电系统

静态无线充电系统以电磁场为原理,高频电源、电磁耦合器、能量变换模块和静止负载为电能流通主路,集成检测、通信、控制和保护电路,收发端依靠高频电磁场实现为静止负载充电。其应用主要包括电子设备、智能家居和医疗器件等功率需求较小以及电动汽车和工业机器人等大功率能量传输场景。

图四:静态无线充电系统工作原理图

(资料来源:微信公众号“马少爷”,本翼资本整理)

b.动态无线供电系统

动态无线供电系统是以电磁场为原理,高频电源、电磁耦合器、能量变换模块和移动负载为电能流通主路,集成检测、传感、通信、控制和保护电路,收发端依靠高频动态电磁场实现为移动负载实时供电。其与静态无线电能传输系统相比,原理采用感应耦合与电磁谐振协同工作方式,最大差异在于电磁耦合系统结构设计、补偿拓扑和控制策略方面,并且动态供电系统在系统复杂程度、技术成熟度以及建造经济性等方面均需要进一步提升。该系统主要应用于高铁列车、有轨电车和电动汽车等场景。下图为电动汽车动态无线供电系统结构框图。这种供电方式可保证移动受电体实时获取电能,有效避免了电池续航能力弱和充电时间长的弊端,同时也极大地减轻了受电体的质量。

图五:动态无线充电系统工作原理图

(资料来源:微信公众号“马少爷”,本翼资本整理)

2.1.3 总结

感应式与谐振式无线充电的传输距离短,主要应用在家用电子、医疗设备、交通运输、物联网、水下探测设备的充电上,无法满足电网 传输配电的距离长的要求;而激光虽然传输距离长,但目前技术尚未突破,经过大气层会严重降低传输效率所以主要应用场景是在太空中,短期内可能无法应用在电网输配电上;微波无线能量传输可能是近年来最有可能应用在电网 传输能源的无线输电方式,但是传输功率过小,只能作为特高压电网的补充。长期来看,激光无线能量传输传输功率足够,若能突破聚光及接收技术将会比微波更有潜力。

表二:无线能量传输技术应用及技术成熟度对比

(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

2.2能源储存方式

由于能源危机与环境问题,全球能源的消耗正逐渐从传统化石能源转向其它清洁高效能源。高效清洁能源的存储是电动汽车和智能电网的关键技术,对新能源、新材料和新能源汽车国家战略新兴产业的发展具有重要意义。锂离子电池是目前广泛应用的一种能源存储器件。电动汽车和智能电网对能量密度、功率密度、循环寿命和成本等方面的要求越来越高,传统的锂离子电池面临巨大挑战,发展下一代能源存储技术迫在眉睫。

一般将储能分为电力储能,热与冷储能,一次、二次燃料储能等。其中,电力储能包含电物理储能、电化学储能、电磁储能。电物理储能是采用水、空气等作为储能介质,电化学储能是利用化学元素作为储能介质,电磁储能主要利用超级电容、超导作为储能介质。氢储能也是一种十分有潜力的技术手段。

2.2.1 现状

从技术路线来看,抽水储能的装机容量是所有储能技术方案中所占比例最大的,其次是电化学储能方式,其中锂离子电池在该方式的装机容量最大,电化学储能中86.2%是锂离子电池,如图6所示。从地域分布上看,美国的累计装机占比最大,为31%;中国和日本分列第二、三位,占比达到24.3%和19.7%。从发展历程来看,国际市场中电力公司、公用事业公司、电网公司正在加大力度部署储能项目。

图六: 全球各类型储能技术所占比重

(资料来源:《全球能源互联网中的储能技术及应用》,本翼资本整理)

现已商用或示范电池储能技术主要有铅蓄电池、锂离子电池、钠基电池、液流电池以及超级电容器、镍基电池、锌空气电池等。

图七:已商用或示范电池储能技术

(资料来源:《电池储能技术发展现状》,本翼资本整理)

2.2.2 未来发展趋势

主流储能技术成熟度如图8所示。锂离子电池凭借自身能量密度大、功率性能高、响应速度快等优势,目前已成为应用最广泛的一种储能电池技术;铅蓄电池是具有较长发展历史的一种化学储能技术,由于性能稳定、成本低廉,在分布式发电和微网领域有大量应用案例;液流电池和钠硫电池由于具有储能时间长、容量大、循环周期长等优势,目前已经成为先进大容量电化学储能技术的代表,备受大规模可再生能源并网示范项目的青睐;超级电容和高速飞轮储能已在轨道交通、制动能量回收等非电力系统领域中得到成熟应用,在电力系统中通常会与能量型储能技术配合应用,以充分发挥其功率性能优势;抽水蓄能和传统压缩空气储能技术相对成熟,适合百兆瓦及以上规模的储能应用,并已实现商业化应用;超导储能技术在电力系统中的应用还不成熟,距离规模化应用仍需要一定的时间。

图八:主流储能技术的技术成熟度对比

(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

超级电容器的特点:电容量大、可以大电流放电、免维护而且环保、充放电寿命长、工作温度范围宽、可任意并联增加电容量、快速充电。超导储能系统具有效率高、功率密度高、响应速度快、循环次数无限等优点。

表三:主流储能技术的特点对比

(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

储能系统作为泛在电力物联网的关键支撑,可有效弥补风电、光伏等间歇式新能源并网时给电网安全稳定运行带来的挑战,不但能提高系统运行的稳定性,同时还能够优化系统结构。通过在发电侧配置储能,可以有效解决风电、光伏等可再生能源的波动性和间歇性,显著提高风能、光能的消纳水平;在负荷侧配置储能,可以有效实现需求侧管理,提高供电质量,降低用户的用电成本;在输配电侧配置储能,可以为系统提供无功支持,缓解线路阻塞,延缓输配电设备的扩容升级。此外,储能还可以参与电力系统辅助服务,为系统提供调峰、调频、电压支持和备用容量等服务。

目前储能参与电网调峰的研究主要集中在储能系统的容量配置和控制策略等方面。调频辅助服务主要是通过调节电网中的有功出力,实现对电网频率及联络线功率的控制,以解决区域电网的短时随机功率不平衡问题。

储能技术在能源互联网的应用可以在发电侧、电网侧以及用户侧。在发电侧及电网侧的储能系统主要功能就是削峰填谷,促进可再生能源的消纳使能源能平滑输出,所以对储能技术的要求不仅需要容量大更需要响应速度快、循环次数高,所以未来超级电容以及超导储能在发电侧和电网侧的应用可能大幅上升。其他的化学储能方式响应速度都是百毫秒级,尤其是锂离子电池正处于黄金发展期,未来能量密度可能会更大,短期内锂离子电池储能项目占比可能会继续领跑,其他金属离子电池以及金属空气电池也将随着技术的不断成熟在储能领域有一席之地,尤其是钠离子电池以及锌空气电池、锂空气电池等。抽水储能虽然技术成熟成本低,但是安全性差,响应时间长、效率不高、体积大,在未来可能占比会逐渐下降,而随着氢储能技术的不断成熟,氢燃料电池可能会逐步替代抽水储能的地位。

图九:储能多元应用场景

(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

三、能源互联网的发展趋势

传统能源供应体系由能源生产端到能源传输端再到能源消费端,能源流(发、输、变、配、用)单向不可逆。能源生产端的发电方式主要有风电、水电、火电、光伏、核电;能源传输端主要包括输电、变电、配电;能源消费端主要有楼宇、汽车、燃气、照明、取暖等。

能源电力领域中能源产生、能源消费、能源传输等环节正在发生着变化,能源互联网逐步形成。能源产生:一次能源向绿色、清洁、可再生转变;能源运输:电网向高电压大电网、广域互连发展,配电网柔性自适应、潮流多向。能源消费:电能替代和再电气化成为趋势,新兴负荷(电动汽车、分布式新能源等)涌现;

3.1 发电侧:降低火电比例,提高清洁能源利用,可能利用无线能量传播技术发电,并在发电侧装备储能

化石能源使用带来的环保问题也愈发严峻,为实现碳达峰和碳中和的目标,必须加大清洁能源的使用,减少火力发电的占比。可再生能源(风能和太阳能)最为显著的问题在于其不稳定性和间歇性。因此,风能和太阳能有必要与储能结合以达到平滑电能输出、吸收过剩的新能源发电以减少“弃风弃光”。

图十:储能技术将大幅降低弃能率,并提高发电利用效率

(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

无线能量传输:未来的能源互联网在发电侧主要应用的无线能量传输方式可能是微波和激光无线能量传输,在太空中光伏发电,将电转化为微波或激光,定向传输到地面的接收站上。

储能技术:①在新能源并网方面,通过风能、光伏发电进行制氢,并结合燃料电池进行集中发电或建设分布式电站是一种极具应用前景的新能源消纳手段。这种策略的优势在于利用储氢这一中间途径作为缓冲,缓解风能、太阳能发电的不稳定性,通过燃料电池发电提供稳定的电力输出,减少了调控电站的投入。同时,与新能源结合的电化学储能装置需要大容量、高功率、能够长期不间断循环的电池系统,这对目前以锂离子电池为代表的二次电池而言是较为严峻的技术难题,而通过燃料电池电堆的设计恰恰能够实现不间断地大功率电能输出。②在发电侧调频方面,传统的装机结构以火电和水电机组为主,尤其是装机规模最大的火电机组,存在响应速度慢、爬坡时间长的问题。频繁地调节发电机组的输出功率还会加重机组的磨损,降低工作寿命。化学电源及电磁储能系统具有响应迅速、功率高、配置灵活等优点。化学电源响应速度快,能够达到毫秒级,且可以快速转换调节方向。与发电机输出功率变化会额外增加燃料消耗和机械结构磨损不同,电池系统在充放电过程中没有上述损耗。因此采用电化学或者电磁储能系统通过功率的吸收、释放调节频率能够有在有效提高调频效率的同时降低机组的故障率。

3.2 电网侧:特高压电网与储能结合,化学电池具有应用前景

清洁能源在全国范围大规模开发后,需要通过配置与使用平台,使清洁能源在全国范围内流动,我国具有资源与负荷中心呈逆向分布、清洁能源的生产集中在西部与北部地区(包含67%的水能、90%的风能和80%的太阳能资源)、距离东部与中部负荷中心1000-4000公里的特点。这些客观条件决定了我国必须构建以特高压骨干网为核心的资源优化配置平台,构建能源互联网,才能将西部与北部地区生产的清洁能源长距离地输送到东部与中部负荷中心。

无线能量传输:因为磁感应和磁共振无线能量传输传输距离短、输出功率低,在电网侧应用不大。微波和激光无线能量传输若能攻克在大气中的能量损耗问题,将会在输配电中发挥重要作用,真正做到随用随取、动态分配。

储能技术:电网侧的储能主要为电网提供削峰填谷、调频调压等服务。虽然抽水蓄能具有容量高、响应迅速等优点,但其建设受限于地理条件,且投资成本高、建设周期长,在一定程度上限制了抽水储能的进一步应用。相比之下,化学电源储能具有地势要求小、容量配置灵活、易于模块化和建设周期短的优点,在调压调频、应急响应方面极具应用前景。

3.3 用户侧:短距离无线能量传输大量应用,电化学储能、电磁储能替代铅蓄电池

用户侧的负荷向清洁、智能转变,出现智能汽车、智能楼宇、智能家居、光伏空调等新的应用场景。

无线能量传输:用户侧的无线能量传输目前主要是手机的无线充电,电动汽车的无线充电站,以及其他终端的无线充电。未来应用磁感应与磁共振无线能量传输可能会实现住户无插座,真正的无线充电。

储能技术:早期的用户侧储能多采用价格低、稳定性高的铅蓄电池以实现经济效益的最大化。不过随着技术的进步和制造工艺的逐渐成熟,近年来锂离子电池的装机容量迎来爆发式增长。得益于能量密度大、清洁、响应速度快等优势,未来电化学储能和电磁储能将在用户侧大量应用。

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