新型儲(chǔ)能是助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要支撐,是保障能源供給安全的重要手段,是建設(shè)新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵要素,是培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要方向,具有廣闊的發(fā)展前景。文章旨在分析比較新型儲(chǔ)能主要技術(shù)路線的技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景,并在此基礎(chǔ)上對(duì)新型儲(chǔ)能未來發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行了展望。
1 新型儲(chǔ)能發(fā)展概況
儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展歷史可以追溯到19世紀(jì)初期,當(dāng)時(shí)人們就開始探索將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能、熱能等形式進(jìn)行儲(chǔ)存的方法。
直到20世紀(jì)初期,以鉛酸蓄電池為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)開始普及,為能源的儲(chǔ)存和利用提供了可靠的手段。隨著科技的進(jìn)步和新材料的應(yīng)用,儲(chǔ)能技術(shù)得以不斷創(chuàng)新和完善,出現(xiàn)了以鋰離子電池為代表的新型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù),其能量密度高、壽命長(zhǎng)、環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛認(rèn)可,成為當(dāng)前主流的儲(chǔ)能技術(shù)。
盡管新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng),但新型儲(chǔ)能發(fā)展還面臨成本較高、價(jià)格機(jī)制未建立、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不完善、項(xiàng)目落地難等問題。
2 新型儲(chǔ)能主要技術(shù)路線
新型儲(chǔ)能主要包括儲(chǔ)電(電化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能)、儲(chǔ)氫、儲(chǔ)熱三大類技術(shù)路徑。相較于抽水蓄能，新型儲(chǔ)能具有建設(shè)周期短、選址簡(jiǎn)單靈活、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),與新能源開發(fā)消納的匹配性更好,優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯。
2.1儲(chǔ)電
儲(chǔ)電可以分為電化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能3類。電化學(xué)儲(chǔ)能主要包括鋰離子電池、液流電池、鉛蓄電池和鈉離子電池等；機(jī)械儲(chǔ)能主要包括壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和重力儲(chǔ)能等;電磁儲(chǔ)能主要包括超級(jí)電容器儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能等。
2.1.1電化學(xué)儲(chǔ)能
電化學(xué)儲(chǔ)能是應(yīng)用最廣泛的新型儲(chǔ)能技術(shù),具有大規(guī)模推廣的潛力。電化學(xué)儲(chǔ)能是通過電化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)存電能的技術(shù)。與其他儲(chǔ)能技術(shù)路線相比,電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)能量密度較高,響應(yīng)速度適中,適用范圍廣,且更易于量產(chǎn)、安裝和運(yùn)維,規(guī)模推廣潛力優(yōu)良。
2022年全球新型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)中,97%為電化學(xué)儲(chǔ)能(其中鋰離子電池占94.4%)。隨著產(chǎn)業(yè)鏈成熟、技術(shù)進(jìn)步和成本下降,電化學(xué)儲(chǔ)能前景更為廣闊。
(1)鋰離子電池儲(chǔ)能。
技術(shù)特點(diǎn)。鋰離子電池具有充放電速度快、綜合效率高、技術(shù)實(shí)用性強(qiáng)、受限因素少等優(yōu)點(diǎn),在各類電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中,鋰電池儲(chǔ)能在循環(huán)次數(shù)、能量密度、響應(yīng)速度等方面均具有較大優(yōu)勢(shì)。但鋰離子電池存在安全性、低溫性能差等缺點(diǎn)。
應(yīng)用場(chǎng)景。鋰離子電池應(yīng)用場(chǎng)景廣泛,可應(yīng)用于電力系統(tǒng)電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)各環(huán)節(jié),包括AGC調(diào)頻電站、風(fēng)/光儲(chǔ)能電站、調(diào)峰/調(diào)頻電站、應(yīng)急電源等;應(yīng)用模式多樣,可實(shí)現(xiàn)調(diào)峰、調(diào)頻等多種功能。
技術(shù)成熟度。目前,鋰離子電池技術(shù)已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用,以磷酸鐵鋰電池技術(shù)路線為主。從目前商業(yè)化進(jìn)程來看,鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)非常成熟,未來重點(diǎn)研究安全性材料、智能制造以及電池回收再利用等技術(shù)。
(2)液流電池儲(chǔ)能。
技術(shù)特點(diǎn)。液流電池具有安全可靠、生命周期內(nèi)性價(jià)比高、環(huán)境友好、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。液流電池的水基電解質(zhì)特性可防止其燃燒和爆炸,安全性高;電池的功率和容量是相互獨(dú)立的,實(shí)現(xiàn)了電堆功率和容量的分離,可通過增加儲(chǔ)液罐的容量來擴(kuò)大容量;同時(shí)兼具長(zhǎng)循環(huán)壽命。但液流電池存在能量密度低、成本較高等缺點(diǎn)。
應(yīng)用場(chǎng)景。一方面,液流電池的使用壽命與風(fēng)光電站相契合,因此,適用于建設(shè)新能源大型電站配儲(chǔ);另一方面,由于液流電池技術(shù)規(guī)模大、容量大、壽命較長(zhǎng)、殘值高、維護(hù)成本低,因此,可用于電網(wǎng)側(cè)的大型共享儲(chǔ)能電站或者調(diào)峰電站。
技術(shù)成熟度。我國(guó)液流電池儲(chǔ)能技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平,大規(guī)模全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,但還需要進(jìn)一步提高大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能、降低系統(tǒng)成本、開展不同應(yīng)用場(chǎng)景的運(yùn)行模式。
(3)鉛蓄電池儲(chǔ)能。
技術(shù)特點(diǎn)。鉛蓄電池具有成本低、高倍率放電性能良好、溫度性能良好等優(yōu)點(diǎn)。但鉛蓄電池存在能量密度低等缺點(diǎn)。
應(yīng)用場(chǎng)景。鉛蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)具有成本低、安全性高等突出優(yōu)勢(shì),可廣泛用于太陽能、風(fēng)能、風(fēng)光互補(bǔ)等各種新能源儲(chǔ)能系統(tǒng),智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)系統(tǒng)、無市電、惡劣電網(wǎng)地區(qū)的供電儲(chǔ)能系統(tǒng),電力調(diào)頻及負(fù)荷跟蹤系統(tǒng)、電力削峰填谷系統(tǒng)以及生活小區(qū)儲(chǔ)能充電系統(tǒng)等。
技術(shù)成熟度。鉛蓄電池是電化學(xué)儲(chǔ)能中最為成熟的技術(shù)路線,從目前商業(yè)化進(jìn)程來看,當(dāng)前以鉛碳電池技術(shù)路線為主,處于商業(yè)化中后期。
(4)鈉離子電池儲(chǔ)能。
技術(shù)特點(diǎn)。鈉離子電池作為一種新型二次化學(xué)電源,不僅原材料不存在資源約束問題,同時(shí)具備安全性、高低溫性能以及大倍率充放電性能,資源優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)明顯。但鈉離子電池存在能量密度低、循環(huán)壽命短等缺點(diǎn)。
應(yīng)用場(chǎng)景。鈉離子電池可應(yīng)用于負(fù)荷調(diào)頻、電網(wǎng)削峰填谷、可再生能源并網(wǎng)、改善電能質(zhì)量等領(lǐng)域。在發(fā)電側(cè),鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可與火電機(jī)組配合,發(fā)揮其響應(yīng)速度快、瞬時(shí)功率調(diào)節(jié)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),提供調(diào)頻調(diào)壓服務(wù)。在自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)系統(tǒng)調(diào)度下,鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可與風(fēng)力、光伏等新能源系統(tǒng)配合,提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力,降低棄風(fēng)、棄光率。
技術(shù)成熟度。國(guó)內(nèi)在鈉離子電池產(chǎn)品研發(fā)制造、標(biāo)準(zhǔn)制定以及市場(chǎng)推廣應(yīng)用等方面的工作正在全面展開,鈉離子電池即將進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。
(5)其他前沿電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。
電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)路線眾多,目前國(guó)內(nèi)外正在開展各類前沿新型儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)工作,重點(diǎn)從低成本、高安全、大規(guī)模方向克服現(xiàn)有電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的短板。基于電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)體系,在眾多前沿電池機(jī)制和技術(shù)方案中,較有代表性的包括固態(tài)電池、水系電池、多電子二次電池(鎂離子電池、鋁離子電池等)、金屬空氣電池和液態(tài)金屬電池,目前均處于探索和研發(fā)階段。
2.1.2機(jī)械儲(chǔ)能
(1)壓縮空氣儲(chǔ)能。
技術(shù)特點(diǎn)。壓縮空氣儲(chǔ)能具有裝機(jī)容量大、儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)、建設(shè)周期短、使用壽命長(zhǎng)、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。作為一種大容量、長(zhǎng)壽命和高安全性的物理儲(chǔ)能技術(shù),壓縮空氣儲(chǔ)能對(duì)于促進(jìn)大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)、滿足電力調(diào)峰需求的優(yōu)勢(shì)較為明顯。但壓縮空氣儲(chǔ)能存在效率較低等缺點(diǎn)。
應(yīng)用場(chǎng)景。電源側(cè):可以與風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電系統(tǒng)集成,構(gòu)建風(fēng)儲(chǔ)或光儲(chǔ)一體化系統(tǒng),提高新能源發(fā)電的電能質(zhì)量和可控性。電網(wǎng)側(cè):可以直接接入輸電網(wǎng)或者配電網(wǎng)并接受電力調(diào)度機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一調(diào)度,服務(wù)于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,能夠提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、備用、黑啟動(dòng)等技術(shù)服務(wù),可以緩解輸配電阻塞,提高供電可靠性。負(fù)荷側(cè):系統(tǒng)可以與光熱、地?zé)?、工業(yè)余熱相耦合,應(yīng)用于具有多種能源需求的工業(yè)園區(qū)、大都市公共建筑等應(yīng)用場(chǎng)景,顯著提高系統(tǒng)布置的靈活性和利用效率。
技術(shù)成熟度。我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能正處于由示范項(xiàng)目向商業(yè)化應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵階段。在發(fā)展趨勢(shì)上,壓縮空氣儲(chǔ)能將朝著大規(guī)模、高效率、低成本、多元化的方向發(fā)展。
(2)飛輪儲(chǔ)能。
技術(shù)特點(diǎn)。飛輪儲(chǔ)能具有瞬時(shí)響應(yīng)、精確跟蹤、雙向出力等優(yōu)點(diǎn),在參與電網(wǎng)調(diào)頻方面具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì),并且具備經(jīng)濟(jì)可行性。但飛輪儲(chǔ)能存在能量密度不夠高、自放電率高等缺點(diǎn)。
應(yīng)用場(chǎng)景。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)最早應(yīng)用于航天領(lǐng)域,目前逐漸轉(zhuǎn)化應(yīng)用到電力系統(tǒng)領(lǐng)域,適用于大功率、響應(yīng)快、高頻次的場(chǎng)景,如電網(wǎng)調(diào)頻、UPS不間斷電源等。
技術(shù)成熟度。當(dāng)前,飛輪儲(chǔ)能在系統(tǒng)容量、轉(zhuǎn)換率、使用壽命、安全性等方面亟須創(chuàng)新和突破,正處于廣泛的實(shí)驗(yàn)階段,小型樣機(jī)已經(jīng)研制成功并應(yīng)用于示范工程項(xiàng)目,但由于目前存在一定的安全隱患,成本較高。因此,從目前商業(yè)化進(jìn)程來看,飛輪儲(chǔ)能尚處于工程示范階段。
(3)重力儲(chǔ)能。
技術(shù)特點(diǎn)。重力儲(chǔ)能具備環(huán)境友好、布置靈活、安全度高、壽命長(zhǎng)、無自放電等顯著優(yōu)勢(shì)[。重力儲(chǔ)能作為一種能量型儲(chǔ)能方式,啟動(dòng)時(shí)間較慢,難以提供電網(wǎng)慣性,但其儲(chǔ)能容量大、出力時(shí)間長(zhǎng)、單位能量成本低,可以精確跟蹤電網(wǎng)調(diào)度指令,提升電網(wǎng)二次調(diào)頻容量。
應(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)際應(yīng)用中,重力勢(shì)能儲(chǔ)能聯(lián)合其他功率型儲(chǔ)能形式(如飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能),可以有效解決新能源并網(wǎng)帶來的頻率、電壓不穩(wěn)定問題,也可以削峰填谷,解決新能源發(fā)電出力和需求不匹配的問題。
技術(shù)成熟度。重力儲(chǔ)能是一種新興的儲(chǔ)能技術(shù),當(dāng)前以儲(chǔ)能塔技術(shù)路線為主。從目前商業(yè)化進(jìn)程來看,重力儲(chǔ)能處于工程示范初期階段。
2.1.3電磁儲(chǔ)能
電磁儲(chǔ)能是將能量直接以電能的形式儲(chǔ)存在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中,沒有能量形式的轉(zhuǎn)化,具有效率高、持續(xù)放電時(shí)間短且難以提高的特點(diǎn),是典型的功率型儲(chǔ)能技術(shù)。電磁儲(chǔ)能主要應(yīng)用方式包括超級(jí)電容器、超導(dǎo)儲(chǔ)能等。
(1)超級(jí)電容器儲(chǔ)能。
技術(shù)特點(diǎn)。超級(jí)電容器具有高功率密度、快速充電和長(zhǎng)循環(huán)壽命等特點(diǎn)。根據(jù)電荷存儲(chǔ)機(jī)理,超級(jí)電容器可分為雙電層電容器(Electric Double Layer Capacitor,EDLC)和贗電容器。但是超級(jí)電容器存在能量密度低等缺點(diǎn)。
應(yīng)用場(chǎng)景。超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)釋放大量電能,在電力系統(tǒng)中可單獨(dú)應(yīng)用于短時(shí)間、大功率的負(fù)載平滑和電能質(zhì)量高峰值功率場(chǎng)景,如大功率直流電機(jī)的啟動(dòng)支撐、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等,在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平;也可與鋰離子電池等能量型儲(chǔ)能系統(tǒng)組成混合能源系統(tǒng),可對(duì)新能源發(fā)電的輸出功率進(jìn)行快速調(diào)節(jié),同時(shí)對(duì)輸出電壓進(jìn)行支撐,提高新能源場(chǎng)低電壓穿越能力。
技術(shù)成熟度。超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)尚處于發(fā)展的初級(jí)階段,正逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化應(yīng)用。未來的發(fā)展方向是提高能量密度、優(yōu)化電化學(xué)性能和降低成本,實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器在能源儲(chǔ)存和儲(chǔ)能系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用。
(2)超導(dǎo)儲(chǔ)能。
技術(shù)特點(diǎn)。超導(dǎo)儲(chǔ)能具有效率高、功率密度高、響應(yīng)速度快、循環(huán)次數(shù)無限等優(yōu)點(diǎn)。超導(dǎo)儲(chǔ)能利用超導(dǎo)線圈直接儲(chǔ)存電磁能,儲(chǔ)能裝束結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,沒有旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件和動(dòng)密封問題,因此設(shè)備壽命較長(zhǎng);儲(chǔ)能密度高,適合做成較大功率的系統(tǒng);響應(yīng)速度快,調(diào)節(jié)電壓和頻率快速且方便,在平抑新能源短時(shí)出力波動(dòng)、補(bǔ)償暫態(tài)功率失衡、提高系統(tǒng)電能質(zhì)量、增強(qiáng)暫態(tài)穩(wěn)定性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。但是超導(dǎo)儲(chǔ)能存在成本高等缺點(diǎn)。
應(yīng)用場(chǎng)景。超導(dǎo)儲(chǔ)能適合用于提高電能質(zhì)量,增加系統(tǒng)阻尼,改善系統(tǒng)穩(wěn)定性能,特別是用于抑制低頻功率振蕩。超導(dǎo)儲(chǔ)能應(yīng)用在電力系統(tǒng)中,可以與電網(wǎng)之間實(shí)時(shí)進(jìn)行大容量能量交換,能夠交換有功功率與無功功率,具有功率補(bǔ)償、頻率調(diào)節(jié)、電壓支撐等作用。
技術(shù)成熟度。超導(dǎo)儲(chǔ)能由于其價(jià)格昂貴和維護(hù)復(fù)雜,雖然已有商業(yè)性的低溫和高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能產(chǎn)品可用,但在電網(wǎng)中應(yīng)用很少,大多是試驗(yàn)性的。從目前商業(yè)化進(jìn)程來看,超導(dǎo)儲(chǔ)能處于技術(shù)研發(fā)階段。
2.2儲(chǔ)氫
氫儲(chǔ)能是氫能的潛在應(yīng)用領(lǐng)域之一,具有長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能特征和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)臐摿Α０凑諝錃庠趦?chǔ)存介質(zhì)中存在狀態(tài)的不同,儲(chǔ)氫方式可以分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫3種。
2.2.1高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫
技術(shù)特點(diǎn)。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快、溫度適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是儲(chǔ)氫密度小,儲(chǔ)存容器體積大,存在氫氣泄漏和容器爆炸風(fēng)險(xiǎn)隱患。
應(yīng)用場(chǎng)景。根據(jù)高壓儲(chǔ)氫容器的不同使用要求,可以將高壓儲(chǔ)氫分為高壓固定式儲(chǔ)氫、車載移動(dòng)式儲(chǔ)氫和運(yùn)輸用高壓儲(chǔ)氫。高壓固定式儲(chǔ)氫主要應(yīng)用于大規(guī)模加氫站,是一種低成本存儲(chǔ)方式;車載移動(dòng)式儲(chǔ)氫主要應(yīng)用于氫燃料電池汽車,目前應(yīng)用的車載儲(chǔ)氫容器壓力達(dá)到70MPa;運(yùn)輸用高壓儲(chǔ)氫主要是將氫氣從產(chǎn)地運(yùn)到使用地或者加氫站。
技術(shù)成熟度。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前發(fā)展最成熟、最常用的儲(chǔ)氫技術(shù),未來還需向輕量化、高壓化、低成本、質(zhì)量穩(wěn)定的方向發(fā)展。
2.2.2液態(tài)儲(chǔ)氫
技術(shù)特點(diǎn)。液態(tài)儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)氫密度高等優(yōu)勢(shì),可分為低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)液體儲(chǔ)氫兩大類。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是氫氣通過在熱交換器中壓縮和冷卻的雙步驟儲(chǔ)存在-253℃的低溫罐中。其質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度和體積儲(chǔ)氫密度遠(yuǎn)高于高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、氫化物和物理吸附儲(chǔ)氫。但液氫裝置一次性投資較大,且液化過程中的能耗較大,對(duì)液氫儲(chǔ)存容器的隔溫絕熱性要求很高。有機(jī)液體儲(chǔ)氫利用不飽和有機(jī)物(烯烴、炔烴、芳香烴)通過化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氫氣的可逆儲(chǔ)存。氫可以通過循環(huán)載體,如氨和甲醇來攜帶或儲(chǔ)存,缺點(diǎn)是操作條件較為苛刻且有概率發(fā)生副反應(yīng)。
應(yīng)用場(chǎng)景。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)最早用于航天航空領(lǐng)域,除了航天航空領(lǐng)域之外,液氫還可應(yīng)用在高端制造、冶金、電子等領(lǐng)域,但由于目前液氫總產(chǎn)能較低導(dǎo)致液氫成本仍然較高,尚未在大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中有所應(yīng)用。有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)已實(shí)現(xiàn)在燃料電池汽車、分布式儲(chǔ)能、城市固廢利用、燃料電池電站等領(lǐng)域示范應(yīng)用,技術(shù)成熟度不斷提升。
技術(shù)成熟度。從目前商業(yè)化進(jìn)程來看,液態(tài)儲(chǔ)氫由于其經(jīng)濟(jì)性、安全性尚未在新型儲(chǔ)能系統(tǒng)中示范應(yīng)用,處于技術(shù)研發(fā)階段。
2.2.3固態(tài)儲(chǔ)氫
技術(shù)特點(diǎn)。固體儲(chǔ)氫技術(shù)具有輕量化、低成本、高容量、安全和快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的優(yōu)勢(shì)。固體儲(chǔ)氫解決了高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和低溫液體儲(chǔ)氫所存在的安全問題和低能量密度問題,但存在充放氫速度慢、材料成本高等缺點(diǎn)。
應(yīng)用場(chǎng)景。固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)可在車載應(yīng)用、通信基站備用電源、分布式供能、電力調(diào)峰電站、應(yīng)急電源等多種場(chǎng)景中得到應(yīng)用。固態(tài)儲(chǔ)氫裝置可以和光伏綠電或風(fēng)電配套使用。固態(tài)儲(chǔ)氫裝置平時(shí)常溫常壓儲(chǔ)存,使用時(shí)跟燃料電池配套使用,燃料電池余熱可以放氫時(shí)使用,固態(tài)儲(chǔ)氫裝置可以作為換熱系統(tǒng)的一部分。
技術(shù)成熟度。固體材料儲(chǔ)氫尚處于示范應(yīng)用階段。物理吸附類儲(chǔ)氫材料吸附過程不發(fā)生化學(xué)變化,儲(chǔ)氫方式簡(jiǎn)單,但在常溫或高溫下性能不穩(wěn)定且質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度較低,材料制備復(fù)雜,制約了物理吸附類儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用,物理吸附類儲(chǔ)氫材料朝著常溫、常壓、高可逆性和高容量等方向發(fā)展。配位氫化物儲(chǔ)氫材料實(shí)際達(dá)到的氫容量與理論高質(zhì)量、高體積儲(chǔ)氫密度有很大差距,實(shí)現(xiàn)高效催化是配位氫化物的重要研究方向。水合物儲(chǔ)氫理論量較大,但是實(shí)際儲(chǔ)氫密度不足,提高水合反應(yīng)速率和強(qiáng)化傳質(zhì)是今后的研究方向。金屬基鎂基儲(chǔ)氫材料是綜合性能最為優(yōu)異的儲(chǔ)氫材料,然而其高吸放氫熱力學(xué)和低動(dòng)力學(xué)性能依舊是目前迫切需要解決的問題。
2.3儲(chǔ)熱
熱能是人類重要的能源利用形式,占終端能源消費(fèi)的40%~50%,儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。根據(jù)儲(chǔ)熱原理的不同,儲(chǔ)熱可分為顯熱儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱3種形式。
其中,顯熱儲(chǔ)熱是利用物質(zhì)溫度變化過程中吸收熱量來實(shí)現(xiàn)熱能的儲(chǔ)存和釋放;相變儲(chǔ)熱是利用材料物相變化過程中吸收大量潛熱以實(shí)現(xiàn)熱量?jī)?chǔ)存和釋放;熱化學(xué)儲(chǔ)熱是利用儲(chǔ)能材料相接觸時(shí)發(fā)生可逆的化學(xué)反應(yīng)來儲(chǔ)、放熱能。
2.3.1顯熱儲(chǔ)熱
技術(shù)特點(diǎn)。顯熱儲(chǔ)熱具有技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境友好、成本低等優(yōu)點(diǎn),仍是目前應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)熱方式之一。顯熱儲(chǔ)熱按照材料的物態(tài)可分為固態(tài)和液態(tài)。常見的固態(tài)相變材料包含混凝土、鎂磚、鵝卵石等。常見的液態(tài)顯熱材料包括水、導(dǎo)熱油、液態(tài)金屬和熔融鹽等。但顯熱儲(chǔ)熱存在儲(chǔ)能密度低、溫度輸出波動(dòng)大、熱損失大等問題。
應(yīng)用場(chǎng)景。顯熱儲(chǔ)熱(熔鹽儲(chǔ)熱)主要用于光熱發(fā)電、清潔能源供暖、火電靈活性改造。太陽能光熱發(fā)電機(jī)組不僅具備同步電源特性,還配置了熱儲(chǔ)存系統(tǒng),因此,既有一次調(diào)頻的功能,同時(shí)也能進(jìn)行二次調(diào)頻。在清潔能源供暖中的應(yīng)用,顯熱儲(chǔ)熱主要包括雙罐熔鹽儲(chǔ)熱和單罐熔鹽儲(chǔ)熱2種。在火電靈活性改造的應(yīng)用過程中,利用熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)可在保證鍋爐安全運(yùn)行的同時(shí),靈活性調(diào)節(jié)汽輪機(jī)運(yùn)行出力,實(shí)現(xiàn)機(jī)組的靈活運(yùn)行。
技術(shù)成熟度。顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)中較為成熟的是熔鹽儲(chǔ)能,處于商業(yè)化應(yīng)用初期階段。
2.3.2相變儲(chǔ)熱
技術(shù)特點(diǎn)。相變儲(chǔ)熱具有能量密度高、相變過程溫度近似恒定的優(yōu)點(diǎn)。目前,最常見的是固-液相變材料儲(chǔ)熱。相變儲(chǔ)熱的儲(chǔ)熱密度是顯熱儲(chǔ)熱的5~10倍,可大幅減小設(shè)備體積,縮小系統(tǒng)占地面積;相變材料在相變過程中溫度和體積變化較小,操作控制簡(jiǎn)單,并提高了儲(chǔ)熱控制的安全性。同時(shí),相變儲(chǔ)熱的成本較低。
應(yīng)用場(chǎng)景。相變儲(chǔ)熱材料應(yīng)用于電力調(diào)峰、風(fēng)電/太陽能消納等領(lǐng)域,尤其是需要對(duì)溫度嚴(yán)格控制、儲(chǔ)熱密度較高的場(chǎng)景。
技術(shù)成熟度。相變儲(chǔ)熱技術(shù)主要應(yīng)用于小型分布式儲(chǔ)熱領(lǐng)域,在大型火電廠靈活性改造及電力消納領(lǐng)域尚無應(yīng)用案例,依然停留在技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)階段。
2.3.3熱化學(xué)儲(chǔ)熱
技術(shù)特點(diǎn)。熱化學(xué)儲(chǔ)熱具有更大的能量?jī)?chǔ)存密度、可在常溫下無損失地長(zhǎng)期儲(chǔ)存熱能等優(yōu)點(diǎn)。熱化學(xué)儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)能密度是顯熱材料的8~10倍,是潛熱材料的2倍以上,并且長(zhǎng)期儲(chǔ)存熱損失小,因此被認(rèn)為是未來最有前景的儲(chǔ)熱方式之一。但熱化學(xué)儲(chǔ)熱存在技術(shù)成熟度不足、反應(yīng)速率難以控制等缺點(diǎn)。
應(yīng)用場(chǎng)景。熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)主要用于工業(yè)余熱回收、建筑采暖(熱泵)、熱力發(fā)電等領(lǐng)域,覆蓋范圍廣泛,技術(shù)路線多樣。
技術(shù)成熟度。熱化學(xué)儲(chǔ)熱仍處于儲(chǔ)熱介質(zhì)基礎(chǔ)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)原理機(jī)制驗(yàn)證階段。如何擴(kuò)展使用溫度范圍、增進(jìn)能量密度、降低成本、提升使用壽命及穩(wěn)定性,仍需進(jìn)一步研究。
3 新型儲(chǔ)能主要技術(shù)路線對(duì)比
新型儲(chǔ)能的不同技術(shù)路徑具有不同的特性,包括系統(tǒng)效率、循環(huán)壽命、放電時(shí)長(zhǎng)、響應(yīng)時(shí)間,相應(yīng)的技術(shù)成熟度和應(yīng)用場(chǎng)景也有所差異。不同技術(shù)路線各有千秋,適用于不同儲(chǔ)能場(chǎng)景。各類新型儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)和參數(shù)如表1所示。
從系統(tǒng)效率角度分析,如圖1所示,鋰離子電池儲(chǔ)能、鈉離子電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能的系統(tǒng)效率較高,約80%~95%,其中:鋰離子電池儲(chǔ)能、鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)效率最高可達(dá)到90%,飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能的系統(tǒng)效率最高可達(dá)到95%。從循環(huán)壽命角度分析,如圖2所示,重力儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等3類機(jī)械儲(chǔ)能在循環(huán)壽命方面具有顯著優(yōu)勢(shì),一般為20~30年,但機(jī)械儲(chǔ)能除飛輪儲(chǔ)能外的響應(yīng)時(shí)間普遍慢于電化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能,未來機(jī)械儲(chǔ)能將憑借著其獨(dú)有的循環(huán)壽命優(yōu)勢(shì)應(yīng)用在電力系統(tǒng)。
從度電成本角度分析,如圖3所示,壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)為各類新型儲(chǔ)能中度電成本最低的一種技術(shù)路徑,其最低約0.2元/度,其具有經(jīng)濟(jì)性、安全性等優(yōu)勢(shì),此外在規(guī)模上能夠比肩抽水蓄能,適用于調(diào)峰/備用/黑啟動(dòng),是未來長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的主流路線之一;鋰離子電池儲(chǔ)能、鉛蓄電池儲(chǔ)能的度電成本基本相當(dāng),這2類技術(shù)路徑也具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),未來長(zhǎng)期一段時(shí)間作為絕對(duì)主導(dǎo)的新型儲(chǔ)能技術(shù);重力儲(chǔ)能的度電成本也較優(yōu),約為0.5元/度,當(dāng)前該技術(shù)在國(guó)內(nèi)正在進(jìn)行示范工程應(yīng)用;液流電池儲(chǔ)能、鈉離子電池儲(chǔ)能的度電成本均低于1元/度,近期可考慮布局液流電池儲(chǔ)能示范項(xiàng)目,中遠(yuǎn)期,隨著電堆功率的逐漸提升,液流電池儲(chǔ)能技術(shù)將進(jìn)入商業(yè)化成熟期。
從技術(shù)成熟角度分析,如圖4所示,鋰離子電池、鉛蓄電池、顯熱儲(chǔ)熱中的熔鹽儲(chǔ)熱等技術(shù)路徑均處于商業(yè)化發(fā)展階段。其中,鋰離子電池中的磷酸鐵鋰電池憑借著能量密度較高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、效率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),成為當(dāng)前新型儲(chǔ)能應(yīng)用中最主要的技術(shù)路線。從2022年新增儲(chǔ)能裝機(jī)技術(shù)占比來看,鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)占比達(dá)94.2%,仍處于絕對(duì)主導(dǎo)地位;鉛蓄電池中的鉛碳電池作為升級(jí)版的鉛蓄電池,憑借著成本低、安全性高、低溫性能好等特點(diǎn),作為儲(chǔ)能行業(yè)重要的技術(shù)方向,將在新型儲(chǔ)能領(lǐng)域中大有可為;熔鹽儲(chǔ)熱憑借著工作溫度高、傳熱性能好、安全性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為儲(chǔ)熱技術(shù)的主流選擇,當(dāng)前裝機(jī)容量由20MW到上百M(fèi)W不等,實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行和并網(wǎng)發(fā)電,未來在機(jī)組深度調(diào)峰及頂峰等方面具有良好應(yīng)用前景。
4 結(jié)語
新型儲(chǔ)能技術(shù)將呈現(xiàn)多元梯級(jí)協(xié)同發(fā)展的態(tài)勢(shì),未來將向高安全、低成本、大容量、高效率、集中式、數(shù)字化、智能化和綠色化的方向發(fā)展。
從近期來看:鋰離子電池技術(shù)成熟度高,在新型儲(chǔ)能市場(chǎng)占據(jù)主流地位,此外,磷酸鐵鋰電池動(dòng)力、儲(chǔ)能市場(chǎng)共用,新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展也為磷酸鐵鋰電池在儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ);釩液流電池憑借其容量和功率性能相分離的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),同時(shí)具備長(zhǎng)壽命、安全性高等特點(diǎn),較為適用于大型長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能場(chǎng)景,未來隨著產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟和規(guī)模效應(yīng)顯現(xiàn),其全壽命周期總成本將與鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)相近。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在規(guī)模上能夠與抽水蓄能相當(dāng),適用于調(diào)峰/備用/黑啟動(dòng),是未來長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的主流路線之一。鈉離子電池儲(chǔ)能技術(shù)系統(tǒng)效率高、高低溫性能優(yōu)異,電池的結(jié)構(gòu)和組分簡(jiǎn)單,更易于回收再利用,當(dāng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；当竞?將具有大規(guī)模應(yīng)用的發(fā)展前景。
從中遠(yuǎn)期來看:在電化學(xué)儲(chǔ)能方面,鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)、鈉電池儲(chǔ)能技術(shù)與液流電池儲(chǔ)能技術(shù)則將廣泛與風(fēng)電、光伏配合使用,其中鋰電池保持高速增長(zhǎng),鈉電池與液流電池隨著自身技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)化鏈條的不斷完善,預(yù)期在中遠(yuǎn)期可以迎來大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。在機(jī)械儲(chǔ)能方面,壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)作為最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù),先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能將在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域成為抽水蓄能的重要補(bǔ)充,并且每千瓦時(shí)裝機(jī)成本預(yù)計(jì)將進(jìn)一步降低;重力儲(chǔ)能技術(shù)具有儲(chǔ)能容量大、出力時(shí)間長(zhǎng)、單位能量成本低等優(yōu)點(diǎn),未來重力儲(chǔ)能技術(shù)將在分布式儲(chǔ)能、微電網(wǎng)、新能源消納等領(lǐng)域有所突破。在儲(chǔ)氫方面,雖然儲(chǔ)氫極具發(fā)展?jié)摿?但還處于行業(yè)發(fā)展探索期,大規(guī)模的應(yīng)用仍需時(shí)間。在儲(chǔ)熱方面,熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)將從商業(yè)化應(yīng)用初期向規(guī)模化發(fā)展,中遠(yuǎn)期將以低碳形式鞏固發(fā)展。
