試論家庭分布式儲能的發(fā)展前景

葉衛(wèi)國

（杭州越西客車制造有限公司，浙江 杭州 311222）

多項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，由于對化石能源的過度消耗，汽車的尾氣排放對PM2.5的產(chǎn)生負(fù)有重大責(zé)任，PM2.5是指大氣中直徑≤2.5 μm的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物，對人體健康和大氣環(huán)境有重要影響，提升空氣質(zhì)量與治理交通擁堵將矛頭共同指向機(jī)動車污染。作為應(yīng)對舉措，我國《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》（以下簡稱《規(guī)劃》）明確提出，當(dāng)前要重點(diǎn)推進(jìn)純電動汽車和插電式混合動力汽車產(chǎn)業(yè)化，規(guī)劃到2015年，純電動汽車和插電式混合動力汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量力爭達(dá)到50萬輛；到2020年，純電動汽車和插電式混合動力汽車生產(chǎn)能力達(dá)200萬輛，累計(jì)產(chǎn)銷量超過500萬輛。奧巴馬政府近日表示：“盡管目前電動車數(shù)量沒有達(dá)到預(yù)期銷量，但我們并沒有放棄這一目標(biāo)。將繼續(xù)堅(jiān)持到 2015年實(shí)現(xiàn)電動車突破 100萬輛的目標(biāo)”[1]。

電能是當(dāng)今使用最廣泛的一種能源形式，電能通過一次能源轉(zhuǎn)化而來，是生產(chǎn)、輸送、分配和使用最方便的能源。按照 2011年能源消耗量測算，全球石油、天然氣和煤炭已探明儲量僅供開采54.2年、63.6年和112年，能源需求與供給矛盾日益突出，人們將目光轉(zhuǎn)向風(fēng)電、光電等可再生能源的開發(fā)和利用。電動汽車使用電能工作，是一種零排放、低噪音的節(jié)能環(huán)保車型，擴(kuò)大電能生產(chǎn)，大力發(fā)展電動汽車，改變對石化燃料過度依賴的現(xiàn)狀，緩解日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境的雙重壓力，對促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

本文提出的家庭分布式儲能模式就是將現(xiàn)有電網(wǎng)大規(guī)模儲能方式小型化、家庭化的一種全新模式。家庭分布式儲能系統(tǒng)類似于一個個小型儲能電站，每個家庭都可以根據(jù)自身需要進(jìn)行布置，其運(yùn)行不受城市供電影響，通過吸納和消化電網(wǎng)谷電來儲存電能，在用電低谷時間，家庭儲能系統(tǒng)中的蓄電池組可自行充電，以備用電高峰或斷電時作為應(yīng)急電源使用，還可以為電動汽車充電，家庭儲能系統(tǒng)也因?yàn)槟軌蚓庥秒娯?fù)荷，從而可以節(jié)省家庭電力開支。

家庭分布式儲能裝置與家用電動汽車一樣采用鋰離子電池作為儲能單元，儲能規(guī)模的大小可以根據(jù)不同家庭的實(shí)際需要進(jìn)行配置。儲能單元中配置有電池管理系統(tǒng)（BMS）、交直流雙向變流器（PCS）和中央控制單元，系統(tǒng)自身可以實(shí)現(xiàn)交直流電源的相互轉(zhuǎn)換，也可以將電動汽車中儲存的直流電能通過家庭儲能裝置轉(zhuǎn)化為家用交流電提供給家庭使用。隨著電動汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用進(jìn)入千家萬戶，電動私家車也成為家庭分布式儲能的一個組成部分，而鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化及其成組技術(shù)的日趨成熟、成本的逐步下降，使加速發(fā)展家庭分布式儲能成為一項(xiàng)現(xiàn)實(shí)可行的技術(shù)路徑。

1 儲能技術(shù)介紹

自電能成為重要的能源形式以來，如何儲存它一直是電力行業(yè)的一個課題。電能儲存可以起到電網(wǎng)削峰填谷、調(diào)峰調(diào)頻、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)接入以及作為后備電源使用的作用。電能儲存可分為機(jī)械儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能等能量儲存形式。

機(jī)械儲能和電磁儲能屬于物理儲能，機(jī)械儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等，電磁儲能主要包括超導(dǎo)儲能、超級電容儲能、高密度電容儲能。電化學(xué)儲能包括各類鉛酸、鎳氫、鎳鎘、鋰離子、液流、燃料電池儲能等，除此之外還有相變儲能、冰蓄冷儲能等。

抽水蓄能是目前應(yīng)用最為成熟的集中式物理儲能方法，它通過建立上下游兩個水庫，在電力負(fù)荷低谷時將下游水庫的水抽到上游水庫；在負(fù)荷高峰時，利用上游水庫的水來發(fā)電。抽水蓄能具有單位儲能成本低、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、使用壽命長等特點(diǎn)，是大規(guī)模儲能的主力，但也存在建設(shè)周期長、對生態(tài)環(huán)境的影響大、受地理和水源地質(zhì)條件限制等不利因素。

電化學(xué)儲能中鋰離子電池因?yàn)榫哂袃δ苊芏雀?、儲能效率高?5%）、自放電小、適應(yīng)性強(qiáng)、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，得到了快速發(fā)展。近年來，隨著鋰離子電池制造技術(shù)的完善和成本的不斷降低，許多國家已經(jīng)將鋰離子電池用于kW到MW級儲能系統(tǒng)，用于改善電能質(zhì)量、削峰填谷、電網(wǎng)調(diào)頻、新能源并網(wǎng)和電動汽車動力電池等場合。

目前，我國鋰離子電池產(chǎn)品技術(shù)水平與國外相近，已形成一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈。存在的問題是，電池成組應(yīng)用技術(shù)有待改進(jìn)、成本相對較高等，但其在性能及價格上還有巨大的改善空間，因此在儲能領(lǐng)域具有潛在的發(fā)展優(yōu)勢。

2 鋰離子電池在電動汽車上的應(yīng)用情況

電動汽車動力來源于可以儲存能量的各種動力電池，主要包括鉛酸電池、鎳氫電池、燃料電池、超級電容器和鋰離子電池等，常用動力電池的性能指標(biāo)見表1。

表1 常用動力電池性能指標(biāo) Table 1 Common battery performance

鉛酸電池成本低、技術(shù)相對成熟，但其能量密度較低、體積大、使用壽命較短，不適合在對續(xù)駛里程有較高要求的電動汽車上使用；鎳氫電池技術(shù)相對成熟，但存在初始成本太高、有記憶效應(yīng)和充電發(fā)熱等問題，且充電發(fā)熱易引發(fā)安全問題；燃料電池的比能量及能量轉(zhuǎn)化效率高，但制造成本過高且儲運(yùn)困難，商業(yè)化應(yīng)用尚需要一定時間；超級電容是一種新型高效的物理儲能器件，其特點(diǎn)是使用壽命長、效率高、充放電時間短，缺點(diǎn)是比能量低，超級電容往往需要通過與其它動力電池配合應(yīng)用作為電動汽車的動力電源，以便滿足電動汽車對功率和制動能量回收的要求，目前，國內(nèi)已自主研制出單體7500 F的世界最大功率超級電容，并已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，開始在有軌電車和城市公交車輛上應(yīng)用；鋰離子電池具有能量密度高、儲能效率高、可快速充放電、適應(yīng)性強(qiáng)、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已被國內(nèi)外主流電動汽車生產(chǎn)廠家作為動力電池使用。

目前，動力鋰電池主要分為鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池三大類，常用鋰電池性能指標(biāo)見表2[2-6]。

表2 不同材料鋰離子電池性能指標(biāo)比較 Table 2 Performance comparison of different materials for lithium ion batteries

美國電動汽車制造商特斯拉生產(chǎn)的Model S車型定位為豪華電動汽車，對車輛的續(xù)航里程要求較高，因而選擇使用三元材料NCA鋰電池。鈷酸鋰電池的能量密度相對較高，可達(dá)到 150～160 W·h/kg；磷酸鐵鋰電池能量密度為 130 W·h/kg（2010 年數(shù)據(jù)），現(xiàn)已接近 150～160 W·h/kg；錳酸鋰電池的能量密度介于前兩者之間；由于鈷酸鋰電池的熱穩(wěn)定性較差，受到擠壓或沖擊后易著火燃燒，除特斯拉外美國其它電動汽車基本上都采用了磷酸鐵鋰動力電池；日系車企現(xiàn)今大部分采用錳酸鋰電池；國內(nèi)車企基本上走的是磷酸鐵鋰動力電池的技術(shù)路線。比亞迪E6電動車采用的是自產(chǎn)的磷酸鐵鋰動力電池。

電池的熱穩(wěn)定性是導(dǎo)致熱失控、起火的主要因素，是電動汽車安全性最重要的評價指標(biāo)之一，相比較在3種電池中磷酸鐵鋰電池?zé)岱€(wěn)定性最好，各項(xiàng)綜合性能指標(biāo)較好，因此被廣泛作為電動汽車的動力電池使用[7-8]。

我國磷酸鐵鋰動力電池生產(chǎn)所需的原材料資源優(yōu)勢突出，現(xiàn)已基本形成動力電池產(chǎn)業(yè)化的體系，電池正負(fù)極、隔膜、電解質(zhì)等關(guān)鍵材料的研發(fā)和國產(chǎn)化得到了國家的高度重視和扶持。《規(guī)劃》提出，到 2015年“動力電池模塊比能量達(dá)到 150 W·h/kg以上，成本降至2元/(W·h)以下，循環(huán)使用壽命穩(wěn)定達(dá)到2000次或10年以上；到2020年，動力電池模塊比能量達(dá)到300 W·h/kg以上，成本降至1.5元/(W·h)以下”，動力鋰電池行業(yè)的快速健康發(fā)展將會為我國電動汽車大規(guī)模推廣以及在家庭儲能技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供有力的支撐。

3 家庭分布式儲能是助力電動汽車 發(fā)展的需要

鋰離子電池以比能量高、效率最高、各項(xiàng)綜合性能指標(biāo)較好等特點(diǎn)，被作為電動汽車儲能和動力來源的首選。通常一輛家用電動汽車根據(jù)不同續(xù)航里程的需要，可以配置不同數(shù)量的動力電池組。特斯拉生產(chǎn)的Model S車型分別配置有60 kW·h和85 kW·h的動力電池組，對應(yīng)的續(xù)航里程為370 km和480 km；比亞迪 E6純電動汽車電池容量達(dá)到 60 kW·h，續(xù)航里程為300 km；上汽榮威E50純電動汽車搭載18 kW·h的磷酸鐵鋰電池組，續(xù)航里程達(dá)到180 km；江淮第四代電動車愛意為（iEV4）電動汽車搭載 19 kW·h的磷酸鐵鋰電池組，勻速 60 km/h狀態(tài)下續(xù)航里程為200 km，綜合工況下耗電為 13 kW·h/100 km。按照電動汽車日行駛 150～250 km里程計(jì)算，一般需要配置15～25 kW·h的動力電池組。

2012年我國民用汽車保有輛為 12089萬輛，其中私人汽車保有量9309萬輛，同比增長18.3%。民用轎車保有量5989萬輛，增長20.7%，其中私人轎車 5308萬輛，增長 22.8%。從世界范圍看，千人汽車保有量為128輛，而我國目前千人汽車保有量只有55輛，不到世界平均水平的一半。交通運(yùn)輸部在《交通運(yùn)輸業(yè)智能交通發(fā)展戰(zhàn)略（2012－2020年）》中預(yù)測，2020年，我國汽車保有量將超過2億輛?！吨袊嚠a(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》預(yù)測到2020年及2030年全國公交車、公務(wù)車、出租車、私家車的保有量均值為9050萬輛和19600萬輛。《規(guī)劃》提出 2020年我國各類電動汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量達(dá)到500萬輛，電動汽車推廣比例僅占預(yù)測保有量的5.5%。2030年電動汽車按照20%的推廣比例計(jì)算，即可達(dá)到3920萬輛，電動私家車及電動出租車保有比例按照上述車型總保有量的88%計(jì)算，將達(dá)到3450萬輛。

中國電力科學(xué)研究院李武峰[9]2010年的研究數(shù)據(jù)顯示，我國電網(wǎng)平均峰谷差率約為1︰0.4，每天的低谷電總量近10億千瓦時；據(jù)國家能源局發(fā)布的統(tǒng)計(jì)資料顯示，截止2013年底我國發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘恳呀?jīng)達(dá)到12.47億千瓦，電網(wǎng)面臨的調(diào)峰任務(wù)和壓力日趨嚴(yán)峻。

家庭儲能市場最早誕生于德國，1997年，德國政府為應(yīng)對“棄核政策”，大力發(fā)展風(fēng)能、光伏等可再生能源，實(shí)施了“百萬屋頂計(jì)劃”，對民間使用光伏電力給予高額度的補(bǔ)貼，大部分德國民眾也因此實(shí)現(xiàn)了家庭電力的自給自足。面對多余的電量，德國民眾選擇將其儲存起來，這也導(dǎo)致了德國乃至歐洲家庭儲能市場的興起。2013年、2014年德國政府計(jì)劃投資5000萬歐元，對新購買儲能系統(tǒng)的用戶直接進(jìn)行補(bǔ)貼，將會推動家庭儲能市場快速發(fā)展。

此外，2011年受日本大震災(zāi)影響，在電力供給不足的背景下，日本國內(nèi)家庭對儲能電池的需求也在不斷增長，日本政府因此將家庭儲能作為產(chǎn)業(yè)的扶持重點(diǎn)，2012年 4月出臺了對家庭儲能系統(tǒng)補(bǔ)助金政策，補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)為所購新能源裝置總價值的1/3，最高為 100萬日元（按照當(dāng)前匯率計(jì)算，約合60660元人民幣）[10]。

另據(jù)網(wǎng)易汽車報道，2011年日本通過與我國鋰電池制造商比亞迪公司合作，在日本推出了儲能電池容量為2.4 kW·h、售價798000日元（按照當(dāng)前匯率計(jì)算，約合48407元人民幣）的家庭儲能單元。這種儲能單元用普通家庭的插座就可以對其充電，大約11 h就可以充滿，停電的時候可以來驅(qū)動電器產(chǎn)品，如在給一個容量500 L的冰箱和42英寸超薄電視供電的情況下，大約可以使用12 h。日本索尼公司也開發(fā)了一款型號為ESSP-2000的UPS電池組，主要服務(wù)于農(nóng)場和小型數(shù)據(jù)中心，內(nèi)置的鋰電池容量為2.4 kW·h，可以在2 h內(nèi)完成95%的充電，最大功率1500 W，擁有6個AC 100 V輸出接口，重198磅（1磅=0.45359237 kg），高2.5英尺（1英尺=0.3048 m），它在工作時可以給10臺100 W的設(shè)備連續(xù)供電2.4 h，設(shè)計(jì)壽命長達(dá)10年，售價25750美元（按照當(dāng)前匯率計(jì)算，約合 160278元人民幣）。

圖1為BYD公司生產(chǎn)的一款容量為660 W·h的小型磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)，支持市電、光伏、汽車電源對其進(jìn)行充電，可對外輸出額定功率 1 kW、220 V/50 Hz的交流電用于各類型的負(fù)載，還可以輸出5 V、12 V的直流電，為各種消費(fèi)類電子產(chǎn)品和車輛供電。電池組循環(huán)壽命可達(dá)到3000次（100%DOD、25 ℃，容量不小于初始值的80%），該裝置外形尺寸為 560 mm×420 mm×164 mm，質(zhì)量約為 22 kg（圖 1）。

圖1 一款小型家用儲能系統(tǒng) Fig.1 Small household energy storage system

本文所述家庭分布式儲能的具體實(shí)施方案，就是利用每個電動車擁有者家庭的車庫或室內(nèi)外的空間建設(shè)一個可以儲存 15～25 kW·h的儲能單元（按照通常一般家庭平均每天用電量約在 5～10 kW·h之間、家用電動汽車日平均行駛里程80 km，耗電約為10 kW·h；家庭用電負(fù)荷以白天及傍晚時段為主，晚間即可采用常規(guī)家用220 V交流電以16 A的電流對家庭儲能單元進(jìn)行補(bǔ)充充電，充電功率為 3.5 kW，儲能單元完全充滿電所需的時間約為4.3～7.1 h，所儲存的電能即可滿足日常家庭生活用電及電動汽車日行駛里程基本用電需要），儲能單元中布置有 BMS、PCS和中央控制單元，接入交流市電后通過系統(tǒng)中配置的雙向變流裝置將其轉(zhuǎn)化為直流電為電池組進(jìn)行充電，電池組中儲存的電能可通過系統(tǒng)中自帶的交直流雙向變流器向外部輸出220 V/50 Hz交流電，可為電動汽車提供快速充電所需的直流電。上述規(guī)格的儲能單元所需空間僅相當(dāng)于一個普通雙門電冰箱大小，按照目前鋰離子電池價格計(jì)算，該儲能單元造價約為4萬～6萬元。依靠現(xiàn)有技術(shù)就完全可以實(shí)現(xiàn)。

實(shí)際上家庭儲能規(guī)模的大小可以根據(jù)家庭用電的需求靈活進(jìn)行設(shè)定，家庭分布式儲能裝置體積不大、占用室內(nèi)的空間較小，在已有地下車庫的家庭中更加易于布置和實(shí)現(xiàn)。也可以像空調(diào)室外機(jī)那樣將其布置在室外，不像大規(guī)模儲能電站那樣需要有專人值守，也不需要另外鋪設(shè)送配電線路，符合能量就地、就近儲存和使用的原則，相比較建設(shè)大規(guī)模抽水蓄能電站和其它類型的大型儲能電站，成本更低，更易于實(shí)現(xiàn)。

家庭分布式儲能單元不僅能夠消化吸納掉電網(wǎng)的波谷電能，同時還可以作為家庭分布式發(fā)電系統(tǒng)（如光伏發(fā)電）的儲能單元使用，所儲存的電能除能夠滿足一般家庭白天日常用電的需要之外，還可以用來為電動汽車進(jìn)行快速充電以及作為家庭備用應(yīng)急電源使用。將來還可以通過與智能電網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的雙向能量流動，起到配合電網(wǎng)調(diào)峰、利用波谷電價差來降低家庭用電成本的作用。

據(jù)北極星智能電網(wǎng)在線 2014年 4月 3日報道[11]，電動汽車動力電池性能下降后，不再適合作為電動汽車的動力電池使用時，將其應(yīng)用于家庭儲能系統(tǒng)是儲能技術(shù)領(lǐng)域所面臨的一項(xiàng)新課題，已經(jīng)引起業(yè)界眾多研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，研究者都在試圖通過回收電動汽車動力蓄電池，來建立更為廉價的家庭儲能系統(tǒng)。該文中預(yù)測：“到2020年，家庭儲能市場的規(guī)模將達(dá)到 300 MW，按照鋰離子電池345美元/kW的安裝成本計(jì)算，鋰離子電池家庭儲能系統(tǒng)的市場價值在1億美元左右”，“更值得注意的是，在這一市場領(lǐng)域，目前來看還不存在其它儲能技術(shù)參與競爭的可能性，鋰離子電池有望獨(dú)霸家庭儲能市場”。

今后，當(dāng)電動汽車上的動力鋰電池性能下降至80%以下，不適合繼續(xù)作為車用動力電池使用時，可以對其進(jìn)行二次開發(fā)利用，將其應(yīng)用于家庭儲能系統(tǒng)。同時由于儲能裝置主要利用夜間進(jìn)行補(bǔ)充充電，可充分利用波谷電價差，進(jìn)一步降低家庭儲能裝置的單位建造成本和電力的使用成本（由于目前國家尚未出臺電動汽車用電的具體電價，各地波谷電價及時段也不盡一致；現(xiàn)已投入運(yùn)行的電動汽車運(yùn)行時間還較短，動力電池未到更換周期，對更換下來的動力電池的殘值如何計(jì)算等缺少實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)，因而本文對動力電池二次開發(fā)利用可以節(jié)約的儲能裝置的建造成本及使用波谷電能所帶來的 家庭及電動汽車用電成本降低的幅度未進(jìn)行具體計(jì)算）。

即使按照《規(guī)劃》提出的目標(biāo)，到2020年實(shí)現(xiàn)各類電動汽車產(chǎn)銷500萬輛，其中家庭用電動汽車按照80%的比例保守計(jì)算，400萬個擁有電動汽車家庭的儲能設(shè)施建設(shè)所需的投資規(guī)模就可達(dá)到1600億～2400億元，家庭儲能規(guī)模可達(dá)到0.6億～ 1億千瓦時；到 2030年家庭電動汽車總規(guī)模將達(dá)到3450萬輛，家庭儲能設(shè)施建設(shè)所需的投資規(guī)模將會達(dá)到1.38萬億～2.07萬億元，家庭儲能規(guī)?？蛇_(dá)到5.175億～8.625億千瓦時，其儲能規(guī)模已經(jīng)接近目前我國波谷電量10億千瓦時的總和。進(jìn)一步將這種儲能方式逐步推廣應(yīng)用到我國2.7億個家庭中，所需投資及家庭儲能的規(guī)模將更加可觀，對我國的能源儲存方式及能源安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有十分重要的戰(zhàn)略意義[12]。

隨著電動汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用，利用電動汽車儲能已引起業(yè)內(nèi)專家的重視，如前所述，家用電動汽車儲能是鋰離子電池儲能方式小型化、家庭化、分散化、機(jī)動化的另一種特殊方式，是家庭分布式儲能的一個重要組成部分。

除了電動私家車、出租車以外，公共服務(wù)領(lǐng)域使用的各種電動公交車、電動環(huán)衛(wèi)車、電動郵政車等車輛，也是分布式儲能的一個組成部分。

家庭分布式儲能和電動汽車儲能作為新的儲能體系的兩個支點(diǎn)，無論從其儲能規(guī)模、可行性以及滿足電動汽車快速發(fā)展的需求來看，都具有不可估量的發(fā)展前景[13]。

4 結(jié) 語

本文基于“藏電于民”的儲能理念，拋磚引玉、提出了“家庭分布式儲能”的儲能理念和建設(shè)模式。如上所述，電動汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用必將會對現(xiàn)有電網(wǎng)儲能方式產(chǎn)生重大的影響，發(fā)展和建立家庭分布式儲能體系是將大規(guī)模儲能方式小型化的一種可行的儲能技術(shù)解決方案，可以節(jié)約建設(shè)大規(guī)模儲能電站所需的巨額投資，有利于電動汽車進(jìn)入千家萬戶，改善環(huán)境和空氣質(zhì)量，有助于電動汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，因此建議國家相關(guān)部門組織電力、新能源汽車運(yùn)用的相關(guān)單位對其進(jìn)行深入的研究和論證，盡快制定電動汽車用電的優(yōu)惠價格，推動“家庭分布式儲能”方案的盡快實(shí)施。

“家庭分布式儲能”或?qū)瓞F(xiàn)有大規(guī)模儲能方式的一場巨大變革。

[1] 國發(fā)[2012]22號.國務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012―2020 年）的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/zwgk/2012- 07/09/content_2179032.htm.

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