中國儲能網(wǎng)訊：隨著全球電力系統(tǒng)脫碳進程加速，風電、光伏等新能源裝機及電量占比不斷提高，電力系統(tǒng)對可靠電力支撐的時長需求不斷增加。2021年，長時儲能開始進入大眾視線，并迅速引發(fā)技術(shù)研究和資本投資的熱潮。
1、什么是長時儲能？
迄今為止，長時儲能還屬于新生事物，國內(nèi)外針對長時儲能還沒有統(tǒng)一的定義。
2021年1月，美國桑迪亞國家實驗室發(fā)布的《長時儲能簡報》（Issue Brief – Long-duration energy storage）認為，長時儲能是持續(xù)放電時間不低于4小時的儲能技術(shù)。美國能源部2021年發(fā)布支持長時儲能的相關(guān)報告，把長時儲能定義為持續(xù)放電時間不低于10小時，且使用壽命在15-20年的儲能技術(shù)。更有學者在期刊發(fā)文，把長時儲能定義為跨日至跨季節(jié)的儲能技術(shù)。而為了區(qū)別于我國目前大規(guī)模建設的2小時儲能系統(tǒng)，也有從業(yè)人員將4小時及以上的儲能技術(shù)歸為長時儲能。
2、為什么要發(fā)展長時儲能？
解釋這個問題，首先要從為什么發(fā)展儲能說起。
沒有儲能的電力系統(tǒng)，就像沒有調(diào)節(jié)水庫的徑流式水電站，來水發(fā)電，沒水罷工。這在目前以火電為主的電源結(jié)構(gòu)下游刃有余，因為隨用隨發(fā)的火電能保證“河里始終有水”，電力系統(tǒng)始終有可靠電力支撐。但未來隨著雙碳戰(zhàn)略的深入實施，波動性極大的可再生能源（主要是太陽能和風能）占比提高到一定程度，無風無光的夜晚就會出現(xiàn)電能供不應求。發(fā)展配套儲能，如同給水電站加裝水庫，目的是提高電力系統(tǒng)的可靠性。在風電、光伏發(fā)電高峰時段消納新能源電量，并在無風無光時段支撐系統(tǒng)安全運行，真正變成“清潔電量的搬運工”。
那么，為什么要發(fā)展長時儲能呢？
舉個例子，如果水電站調(diào)節(jié)水庫的蓄水量只夠放兩個小時，那后半夜依然得在黑暗中度過；即使水庫蓄水量夠用十個小時，我們還得祈禱第二天是晴天或刮風，若是無風的陰天持續(xù)兩三天，我們就得準備更大的水庫，也就是長時儲能。
當然，未來的電力系統(tǒng)也會有風光之外的其他電源，考慮到電源的發(fā)電互補特性，再配上適當時長的長時儲能，電力系統(tǒng)就變成了完全調(diào)節(jié)水電站，可保常年無憂。
麥肯錫預測，到2040年全球范圍內(nèi)將部署850-1400億千瓦時容量的長時儲能。這約等于我國2021年全社會用電量的1.5%，該規(guī)模儲能若用于供應我國全社會用電負荷，可支撐5-6天。
儲能應用于削峰填谷示意圖
3、我國使用了哪些長時儲能技術(shù)？
按照技術(shù)類型，長時儲能可以分為機械型、電化學型、儲熱型和化學型。除了化學型儲能技術(shù)外，其他類型長時儲能技術(shù)我國均有示范工程建設或投運，為“十四五”期間長時儲能技術(shù)示范應用奠定基礎。
（1）抽水蓄能
抽水蓄能有上下兩個水庫，儲能時用電能抽水至上水庫，將電能轉(zhuǎn)換為重力勢能；發(fā)電時放水至下水庫推動水輪機，將重力勢能轉(zhuǎn)換為電能。抽水蓄能電站建設規(guī)模大、建設周期長，屬于電力系統(tǒng)“大型充電寶”。當前抽水蓄能電站單機容量在30-40萬千瓦，總裝機在30-360萬千瓦，儲能時長一般4-10小時。如裝機容量世界第一的河北豐寧抽水蓄能電站，其總裝機360萬千瓦，12臺機組滿發(fā)利用小時數(shù)為10.8小時。
抽水蓄能示意圖
（2）液流電池
液流電池電解液與電堆分別布置，通過正、負極電解液流過電堆時發(fā)生可逆化學反應，實現(xiàn)電能與化學能的相互轉(zhuǎn)換。液流電池建設周期較短，可通過調(diào)整電堆或電解液容量實現(xiàn)發(fā)電功率和儲能容量的放大。當前液流電池裝機在10-100兆瓦，儲能時長一般2-6小時。如大連液流電池調(diào)峰電站國家示范項目，其一期總裝機100兆瓦，儲能時長4小時。
全釩液流電池示意圖
（3）熔鹽儲熱
熔鹽儲熱通過加熱熔鹽實現(xiàn)能量存儲，釋能時高溫熔鹽換熱產(chǎn)生高溫高壓蒸汽推動汽輪機發(fā)電。熔鹽儲熱建設規(guī)模大、使用壽命長，現(xiàn)階段主要用于光熱電站。當前熔鹽儲熱裝機在10-100兆瓦，儲能時長一般5-15小時。如中國能建投資建設的哈密塔式光熱電站，其總裝機50兆瓦，熔鹽儲熱時長13小時。
（4）壓縮空氣儲能
壓縮空氣儲能一般借助鹽穴或容器儲存高壓空氣，儲能時壓縮機將空氣壓縮并儲存，將電能轉(zhuǎn)換為空氣內(nèi)能；釋能時高壓空氣推動渦輪機發(fā)電，將空氣內(nèi)能轉(zhuǎn)換為電能。壓縮空氣儲能電站建設周期較長、安全性高，屬于機械型儲能技術(shù)。當前壓縮空氣儲能電站裝機在10-300兆瓦，儲能時長一般4-10小時。如國家示范項目金壇鹽穴壓縮空氣儲能電站，其一期總裝機60兆瓦，儲能時長5小時。
鹽穴壓縮空氣儲能示意圖
此外，還可以用鹽穴或容器來儲存氫氣，實現(xiàn)跨周甚至跨季節(jié)的化學物質(zhì)儲能。
4、還有哪些腦洞大開的長時儲能技術(shù)？
很多長時儲能前沿技術(shù)仍處于中早期研發(fā)示范階段，比如鐵-空氣電池儲能、熱巖儲能、二氧化碳電池儲能、熔融鋁儲能等。
（1）鐵-空氣電池儲能
鐵-空氣電池是金屬-空氣電池的一種，其基本原理是基于鐵的可逆氧化（生銹）。當鐵-空氣電池放電時，空氣中的氧氣會使鐵生銹；當它被充電時，鐵銹通過電流的作用被還原為鐵。這個過程排放的唯一物質(zhì)是氧氣。發(fā)明該技術(shù)的美國Form Energy公司聲稱，采用這種電池的儲能系統(tǒng)持續(xù)放電時間長達100小時，其成本與現(xiàn)有化石燃料發(fā)電廠相當，該公司將在美國明尼蘇達建設全球首個1兆瓦/150兆瓦時的鐵-空氣電池儲能系統(tǒng)試點。
（2）熱巖儲能
丹麥的Stiesdal存儲技術(shù)公司正在研究將電能以熱能的形式儲存在石頭中的技術(shù)，被稱為GridScale。GridScale儲能由一套或多套裝滿碎石的鋼罐組成。碎石是壓碎成豌豆大小的玄武巖，可以承受反復加熱。充電和放電是通過一個壓縮機和渦輪機系統(tǒng)完成，充電時將裝滿冷石頭的儲罐中的熱能，泵到裝滿熱石頭的儲罐中。冷罐里的石頭變得更冷，而熱罐里則變得更熱，溫度可達600攝氏度。能量可以在石頭中儲存很多天，當電網(wǎng)需要電力時，熱能通過渦輪機從熱罐返回到冷罐，從而產(chǎn)生電力。由于能量損失小，這是一個高效率的儲能方案，并可根據(jù)所需的儲存時間和容量選擇儲罐的數(shù)量。GridScale示范電站將成為丹麥最大的電力儲存設施，容量為10兆瓦時。
熱巖儲能示意圖
（3）二氧化碳電池儲能
意大利的Energy Dome公司聲稱其研制的二氧化碳電池能提供快速響應、廉價的電網(wǎng)級儲能。其原理類似壓縮空氣儲能系統(tǒng)，發(fā)電機把二氧化碳壓縮成液體并存儲，同時存儲壓縮氣體產(chǎn)生的廢熱；當需要支援電網(wǎng)時，便以先前存儲的廢熱將液態(tài)二氧化碳蒸發(fā)，驅(qū)動第二組渦輪機發(fā)電，二氧化碳氣體返回“圓頂”氣囊。
二氧化碳電池儲能示意圖
Energy Dome表示，全尺寸二氧化碳電池容量可達25兆瓦，并存儲100～200兆瓦時能量，最佳充電/放電周期為4到24小時，非常適合日常和日間循環(huán)；其轉(zhuǎn)換效率達75%，電池使用壽命預計在25年左右，平準化成本（LCOS）可以在幾年內(nèi)低至50～60美元/兆瓦時。Energy Dome將其技術(shù)與壓縮空氣儲能(CAES)和液態(tài)空氣儲能(LAES)進行了比較，結(jié)論是二氧化碳電池的能量存儲密度是CAES的10～30倍，盡管只有LAES的三分之二，但它不需要低溫，可以儲存在環(huán)境溫度。
（4）熔融鋁儲能
瑞典初創(chuàng)公司Azelio的試點技術(shù)熔融鋁儲能，已安裝在580兆瓦的摩洛哥Noor Ouarzazate太陽能綜合體（510兆瓦的光熱和70兆瓦的光伏）項目中。該技術(shù)采用一種由再生鋁合金制成的相變材料作為儲熱介質(zhì)，一種方式是使用電力通過電阻加熱器將再生鋁加熱到600°C，另一種方式是通過聚光太陽能光熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量來熔化鋁合金，從而將能量以熱能的方式儲存起來。當需要釋能時，合金冷卻并重新凝固，釋放出的熱量使用傳熱流體輸送到斯特林發(fā)動機發(fā)電。溫度為65°C的廢熱也可以出售給工業(yè)用戶或當?shù)氐膮^(qū)域供熱系統(tǒng)。
根據(jù)Azelio的說法，當同時使用電力和廢熱時，該過程具有90%的往返效率；該技術(shù)可以實現(xiàn)長達13個小時的電力儲存，可以模塊化安裝并可以按需提供熱量，在炎熱或寒冷的氣候條件下均可使用，預計系統(tǒng)壽命可達30年。同時，該方案可以從100千瓦擴展到100兆瓦級別；且再生鋁存儲介質(zhì)可以一次又一次地重復使用，而不會隨著時間的推移降低容量。
總而言之，目前儲能的藍海中正百家爭鳴，千帆競技，長時儲能的出路，尚在漫漫而修遠的求索中。為了更充足更長久的能源，為了更綠色更從容的未來，人類一直在努力。
