中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著全球電力系統(tǒng)脫碳進(jìn)程加速，風(fēng)電、光伏等新能源裝機(jī)及電量占比不斷提高，電力系統(tǒng)對(duì)可靠電力支撐的時(shí)長(zhǎng)需求不斷增加。2021年，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能開始進(jìn)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(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能？
迄今為止，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能還屬于新生事物，國(guó)內(nèi)外針對(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能還沒有統(tǒng)一的定義。
2021年1月，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的《長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能簡(jiǎn)報(bào)》（Issue Brief – Long-duration energy storage）認(rèn)為，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能是持續(xù)放電時(shí)間不低于4小時(shí)的儲(chǔ)能技術(shù)。美國(guó)能源部2021年發(fā)布支持長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的相關(guān)報(bào)告，把長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能定義為持續(xù)放電時(shí)間不低于10小時(shí)，且使用壽命在15-20年的儲(chǔ)能技術(shù)。更有學(xué)者在期刊發(fā)文，把長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能定義為跨日至跨季節(jié)的儲(chǔ)能技術(shù)。而為了區(qū)別于我國(guó)目前大規(guī)模建設(shè)的2小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，也有從業(yè)人員將4小時(shí)及以上的儲(chǔ)能技術(shù)歸為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。
2、為什么要發(fā)展長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能？
解釋這個(gè)問(wèn)題，首先要從為什么發(fā)展儲(chǔ)能說(shuō)起。
沒有儲(chǔ)能的電力系統(tǒng)，就像沒有調(diào)節(jié)水庫(kù)的徑流式水電站，來(lái)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?yàn)殡S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(lái)隨著雙碳戰(zhàn)略的深入實(shí)施，波動(dòng)性極大的可再生能源（主要是太陽(yáng)能和風(fēng)能）占比提高到一定程度，無(wú)風(fēng)無(wú)光的夜晚就會(huì)出現(xiàn)電能供不應(yīng)求。發(fā)展配套儲(chǔ)能，如同給水電站加裝水庫(kù)，目的是提高電力系統(tǒng)的可靠性。在風(fēng)電、光伏發(fā)電高峰時(shí)段消納新能源電量，并在無(wú)風(fēng)無(wú)光時(shí)段支撐系統(tǒng)安全運(yùn)行，真正變成“清潔電量的搬運(yùn)工”。
那么，為什么要發(fā)展長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能呢？
舉個(gè)例子，如果水電站調(diào)節(jié)水庫(kù)的蓄水量只夠放兩個(gè)小時(shí)，那后半夜依然得在黑暗中度過(guò)；即使水庫(kù)蓄水量夠用十個(gè)小時(shí)，我們還得祈禱第二天是晴天或刮風(fēng)，若是無(wú)風(fēng)的陰天持續(xù)兩三天，我們就得準(zhǔn)備更大的水庫(kù)，也就是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。
當(dāng)然，未來(lái)的電力系統(tǒng)也會(huì)有風(fēng)光之外的其他電源，考慮到電源的發(fā)電互補(bǔ)特性，再配上適當(dāng)時(shí)長(zhǎng)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，電力系統(tǒng)就變成了完全調(diào)節(jié)水電站，可保常年無(wú)憂。
麥肯錫預(yù)測(cè)，到2040年全球范圍內(nèi)將部署850-1400億千瓦時(shí)容量的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。這約等于我國(guó)2021年全社會(huì)用電量的1.5%，該規(guī)模儲(chǔ)能若用于供應(yīng)我國(guó)全社會(huì)用電負(fù)荷，可支撐5-6天。
儲(chǔ)能應(yīng)用于削峰填谷示意圖
3、我國(guó)使用了哪些長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)？
按照技術(shù)類型，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能可以分為機(jī)械型、電化學(xué)型、儲(chǔ)熱型和化學(xué)型。除了化學(xué)型儲(chǔ)能技術(shù)外，其他類型長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)我國(guó)均有示范工程建設(shè)或投運(yùn)，為“十四五”期間長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)示范應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
（1）抽水蓄能
抽水蓄能有上下兩個(gè)水庫(kù)，儲(chǔ)能時(shí)用電能抽水至上水庫(kù)，將電能轉(zhuǎn)換為重力勢(shì)能；發(fā)電時(shí)放水至下水庫(kù)推動(dòng)水輪機(jī)，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能。抽水蓄能電站建設(shè)規(guī)模大、建設(shè)周期長(zhǎng)，屬于電力系統(tǒng)“大型充電寶”。當(dāng)前抽水蓄能電站單機(jī)容量在30-40萬(wàn)千瓦，總裝機(jī)在30-360萬(wàn)千瓦，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)一般4-10小時(shí)。如裝機(jī)容量世界第一的河北豐寧抽水蓄能電站，其總裝機(jī)360萬(wàn)千瓦，12臺(tái)機(jī)組滿發(fā)利用小時(shí)數(shù)為10.8小時(shí)。
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(guò)正、負(fù)極電解液流過(guò)電堆時(shí)發(fā)生可逆化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換。液流電池建設(shè)周期較短，可通過(guò)調(diào)整電堆或電解液容量實(shí)現(xiàn)發(fā)電功率和儲(chǔ)能容量的放大。當(dāng)前液流電池裝機(jī)在10-100兆瓦，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)一般2-6小時(shí)。如大連液流電池調(diào)峰電站國(guó)家示范項(xiàng)目，其一期總裝機(jī)100兆瓦，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)4小時(shí)。
全釩液流電池示意圖
（3）熔鹽儲(chǔ)熱
熔鹽儲(chǔ)熱通過(guò)加熱熔鹽實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)，釋能時(shí)高溫熔鹽換熱產(chǎn)生高溫高壓蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。熔鹽儲(chǔ)熱建設(shè)規(guī)模大、使用壽命長(zhǎng)，現(xiàn)階段主要用于光熱電站。當(dāng)前熔鹽儲(chǔ)熱裝機(jī)在10-100兆瓦，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)一般5-15小時(shí)。如中國(guó)能建投資建設(shè)的哈密塔式光熱電站，其總裝機(jī)50兆瓦，熔鹽儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)13小時(shí)。
（4）壓縮空氣儲(chǔ)能
壓縮空氣儲(chǔ)能一般借助鹽穴或容器儲(chǔ)存高壓空氣，儲(chǔ)能時(shí)壓縮機(jī)將空氣壓縮并儲(chǔ)存，將電能轉(zhuǎn)換為空氣內(nèi)能；釋能時(shí)高壓空氣推動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電，將空氣內(nèi)能轉(zhuǎn)換為電能。壓縮空氣儲(chǔ)能電站建設(shè)周期較長(zhǎng)、安全性高，屬于機(jī)械型儲(chǔ)能技術(shù)。當(dāng)前壓縮空氣儲(chǔ)能電站裝機(jī)在10-300兆瓦，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)一般4-10小時(shí)。如國(guó)家示范項(xiàng)目金壇鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站，其一期總裝機(jī)60兆瓦，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)5小時(shí)。
鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能示意圖
此外，還可以用鹽穴或容器來(lái)儲(chǔ)存氫氣，實(shí)現(xiàn)跨周甚至跨季節(jié)的化學(xué)物質(zhì)儲(chǔ)能。
4、還有哪些腦洞大開的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)？
很多長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)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(chǔ)能、熱巖儲(chǔ)能、二氧化碳電池儲(chǔ)能、熔融鋁儲(chǔ)能等。
（1）鐵-空氣電池儲(chǔ)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(dāng)鐵-空氣電池放電時(shí)，空氣中的氧氣會(huì)使鐵生銹；當(dāng)它被充電時(shí)，鐵銹通過(guò)電流的作用被還原為鐵。這個(gè)過(guò)程排放的唯一物質(zhì)是氧氣。發(fā)明該技術(shù)的美國(guó)Form Energy公司聲稱，采用這種電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)持續(xù)放電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)100小時(shí)，其成本與現(xiàn)有化石燃料發(fā)電廠相當(dāng)，該公司將在美國(guó)明尼蘇達(dá)建設(shè)全球首個(gè)1兆瓦/150兆瓦時(shí)的鐵-空氣電池儲(chǔ)能系統(tǒng)試點(diǎn)。
（2）熱巖儲(chǔ)能
丹麥的Stiesdal存儲(chǔ)技術(shù)公司正在研究將電能以熱能的形式儲(chǔ)存在石頭中的技術(shù)，被稱為GridScale。GridScale儲(chǔ)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(fù)加熱。充電和放電是通過(guò)一個(gè)壓縮機(jī)和渦輪機(jī)系統(tǒng)完成，充電時(shí)將裝滿冷石頭的儲(chǔ)罐中的熱能，泵到裝滿熱石頭的儲(chǔ)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(dá)600攝氏度。能量可以在石頭中儲(chǔ)存很多天，當(dāng)電網(wǎng)需要電力時(shí)，熱能通過(guò)渦輪機(jī)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(gè)高效率的儲(chǔ)能方案，并可根據(jù)所需的儲(chǔ)存時(shí)間和容量選擇儲(chǔ)罐的數(shù)量。GridScale示范電站將成為丹麥最大的電力儲(chǔ)存設(shè)施，容量為10兆瓦時(shí)。
熱巖儲(chǔ)能示意圖
（3）二氧化碳電池儲(chǔ)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(yīng)、廉價(jià)的電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能。其原理類似壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)把二氧化碳?jí)嚎s成液體并存儲(chǔ)，同時(shí)存儲(chǔ)壓縮氣體產(chǎn)生的廢熱；當(dāng)需要支援電網(wǎng)時(shí)，便以先前存儲(chǔ)的廢熱將液態(tài)二氧化碳蒸發(fā)，驅(qū)動(dòng)第二組渦輪機(jī)發(fā)電，二氧化碳?xì)怏w返回“圓頂”氣囊。
二氧化碳電池儲(chǔ)能示意圖
Energy Dome表示，全尺寸二氧化碳電池容量可達(dá)25兆瓦，并存儲(chǔ)100～200兆瓦時(shí)能量，最佳充電/放電周期為4到24小時(shí)，非常適合日常和日間循環(huán)；其轉(zhuǎn)換效率達(dá)75%，電池使用壽命預(yù)計(jì)在25年左右，平準(zhǔn)化成本（LCOS）可以在幾年內(nèi)低至50～60美元/兆瓦時(shí)。Energy Dome將其技術(shù)與壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)和液態(tài)空氣儲(chǔ)能(LAES)進(jìn)行了比較，結(jié)論是二氧化碳電池的能量存儲(chǔ)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(chǔ)存在環(huán)境溫度。
（4）熔融鋁儲(chǔ)能
瑞典初創(chuàng)公司Azelio的試點(diǎn)技術(shù)熔融鋁儲(chǔ)能，已安裝在580兆瓦的摩洛哥Noor Ouarzazate太陽(yáng)能綜合體（510兆瓦的光熱和70兆瓦的光伏）項(xiàng)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(chǔ)熱介質(zhì)，一種方式是使用電力通過(guò)電阻加熱器將再生鋁加熱到600°C，另一種方式是通過(guò)聚光太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量來(lái)熔化鋁合金，從而將能量以熱能的方式儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)需要釋能時(shí)，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(dòng)機(jī)發(fā)電。溫度為65°C的廢熱也可以出售給工業(yè)用戶或當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域供熱系統(tǒng)。
根據(jù)Azelio的說(shuō)法，當(dāng)同時(shí)使用電力和廢熱時(shí)，該過(guò)程具有90%的往返效率；該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)13個(gè)小時(shí)的電力儲(chǔ)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(yù)計(jì)系統(tǒng)壽命可達(dá)30年。同時(shí)，該方案可以從100千瓦擴(kuò)展到100兆瓦級(jí)別；且再生鋁存儲(chǔ)介質(zhì)可以一次又一次地重復(fù)使用，而不會(huì)隨著時(shí)間的推移降低容量。
總而言之，目前儲(chǔ)能的藍(lán)海中正百家爭(zhēng)鳴，千帆競(jìng)技，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的出路，尚在漫漫而修遠(yuǎn)的求索中。為了更充足更長(zhǎng)久的能源，為了更綠色更從容的未來(lái)，人類一直在努力。
