中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：廣義上講，儲(chǔ)能就是采用某種裝置或方法儲(chǔ)存能量，并實(shí)現(xiàn)能量在空間維度移動(dòng)后釋放或者在時(shí)間維度滯留后釋放。儲(chǔ)能技術(shù)包括儲(chǔ)能本體技術(shù)和儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)。根據(jù)所用的能量形式，可以將儲(chǔ)能本體技術(shù)大致分為4類：物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和儲(chǔ)熱蓄冷。
物理儲(chǔ)能
●抽水蓄能
物理儲(chǔ)能技術(shù)中的抽水蓄能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、最經(jīng)濟(jì)（單位功率造價(jià)4 000～6 500元/千瓦，單位儲(chǔ)電成本0.2～0.5元/千瓦時(shí)）、使用壽命最長(zhǎng)（機(jī)組使用壽命25年，水工建筑物使用壽命60年以上）的大規(guī)模電能存儲(chǔ)方式，主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻及備用。
截至2017年5月，我國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)容量達(dá)到27.73吉瓦（1吉瓦為106千瓦），居世界第一，全球累計(jì)運(yùn)行的抽水蓄能項(xiàng)目裝機(jī)容量為167.7吉瓦，占儲(chǔ)能總裝機(jī)容量的96%。
2003年以前，我國(guó)抽水蓄能領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)研究還處于一片空白，抽水蓄能電站的設(shè)備全部是“舶來(lái)品”。當(dāng)時(shí)，我國(guó)建一座抽水蓄能電站，核心機(jī)電設(shè)備投資占總體投資的一半以上，是國(guó)際市場(chǎng)一般水平的2倍左右。經(jīng)過持續(xù)十多年的技術(shù)攻關(guān)，目前我國(guó)已經(jīng)基本掌握了水泵水輪機(jī)等核心裝備技術(shù)，在建抽水蓄能機(jī)組容量達(dá)30.95吉瓦，包括安徽金寨抽水蓄能電站、河南天池抽水蓄能電站、山東文登抽水蓄能電站和山東沂蒙抽水蓄能電站等。從儲(chǔ)能總裝機(jī)容量占比來(lái)看，至少在2030年以前，抽水蓄能仍然是全球電力儲(chǔ)能容量占比最大的儲(chǔ)能形式。
雖然抽水蓄能技術(shù)具有成本低、壽命長(zhǎng)和容量大等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)地理地質(zhì)條件有特殊要求，一次性建設(shè)投資大，還有可能存在生態(tài)破壞和移民等問題，因此，抽水蓄能電站的規(guī)模推廣和應(yīng)用受到了制約。
目前，我國(guó)大部分抽水蓄能基本上只能收回靜態(tài)效益，抽水蓄能電站的動(dòng)態(tài)效益一直存在“看得見、算得出、拿不到”的現(xiàn)象，導(dǎo)致我國(guó)抽水蓄能電站的經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)較差，甚至難以生存。因而正確衡量?jī)?chǔ)能電站的效益，建立合理的電價(jià)政策，對(duì)抽水蓄能電站以及其他類型儲(chǔ)能電站的發(fā)展具有十分重要的意義。
●壓縮空氣儲(chǔ)能
壓縮空氣儲(chǔ)能是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種能量存儲(chǔ)方式。目前，全球共有11座壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，總裝機(jī)容量為646兆瓦（1兆瓦為103千瓦）。國(guó)內(nèi)示范項(xiàng)目總規(guī)模為2兆瓦，分別是安徽蕪湖“500千瓦非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能發(fā)電示范系統(tǒng)”和貴州畢節(jié)“1.5兆瓦壓縮空氣儲(chǔ)能-多能分布式微網(wǎng)示范項(xiàng)目”，同時(shí)在畢節(jié)即將完成10兆瓦系統(tǒng)建設(shè)。
目前，全球只有德國(guó)的洪托夫（290兆瓦）和美國(guó)亞拉巴馬州的麥金托什（110兆瓦）電站進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)階段，后者曾因地質(zhì)不穩(wěn)定發(fā)生過坍塌事故。
為了擺脫傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)大型儲(chǔ)氣洞穴以及化石燃料的依賴，帶儲(chǔ)熱的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)、超臨界空氣儲(chǔ)能技術(shù)、燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)和與可再生能源耦合的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)都是目前國(guó)內(nèi)外研發(fā)的重點(diǎn)方向。
由于空氣是低密度的儲(chǔ)能介質(zhì)，因此，如何降低系統(tǒng)成本、提高能量效率是壓縮空氣儲(chǔ)能走向應(yīng)用之前需要重點(diǎn)解決的問題。
●飛輪儲(chǔ)能
飛輪技術(shù)分為低速飛輪技術(shù)和高速飛輪技術(shù)兩類。其中，低速飛輪儲(chǔ)能技術(shù)主要應(yīng)用于通信、數(shù)據(jù)中心和軌道交通等領(lǐng)域；高速飛輪儲(chǔ)能技術(shù)主要適用于快速、高功率型應(yīng)用，可以為電網(wǎng)提供調(diào)頻服務(wù)，產(chǎn)業(yè)和技術(shù)多集中于美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等國(guó)，我國(guó)飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品還沒有得到量產(chǎn)。
美國(guó)Beacon Power公司曾經(jīng)是全球大規(guī)模飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用的先驅(qū)，開創(chuàng)了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)與電力公司合作的先例，使電力市場(chǎng)開始接受飛輪儲(chǔ)能技術(shù)。不過，在2011年10月，Beacon Power公司因財(cái)務(wù)危機(jī)深陷泥沼，不得不申請(qǐng)破產(chǎn)保護(hù)。
●超導(dǎo)儲(chǔ)能
超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)由超導(dǎo)材料制成的線圈、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和低溫制冷系統(tǒng)等組成，能量以超導(dǎo)線圈中循環(huán)流動(dòng)的直流電流形式儲(chǔ)存在磁場(chǎng)中。超導(dǎo)儲(chǔ)能具有響應(yīng)速度快（毫秒級(jí)）和轉(zhuǎn)換效率高（≥96%）等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)大功率補(bǔ)充和能量交換，避免電網(wǎng)瞬間斷電對(duì)用電設(shè)備的不利影響，可以提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
目前，在液氦溫度條件下工作的低溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置的最大實(shí)用化容量已達(dá)到億焦耳級(jí)，而在液氮溫度條件下工作的高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置容量只能達(dá)到兆焦耳級(jí)。無(wú)論是低溫超導(dǎo)還是高溫超導(dǎo)，昂貴的低溫制冷成本大大限制了超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。也許只有到了常溫超導(dǎo)材料研發(fā)成功的那一天，超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)才有可能獲得廣泛應(yīng)用。
電化學(xué)儲(chǔ)能
●電池儲(chǔ)能
電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)包括電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能兩種類型，是目前發(fā)展最為迅速的儲(chǔ)能技術(shù)。相對(duì)于抽水蓄能而言，將電池儲(chǔ)能的方式用于集中式大規(guī)模電網(wǎng)調(diào)峰，成本還是太高。電池儲(chǔ)能技術(shù)比較適合應(yīng)用于百千瓦至百兆瓦級(jí)的電力調(diào)頻，其調(diào)頻效果是水電機(jī)組的1.7倍，遠(yuǎn)好于火電機(jī)組，已經(jīng)顯現(xiàn)出商業(yè)應(yīng)用前景。
鋰離子電池、鉛酸（碳）電池、液流電池、鈉硫電池和超級(jí)電容器是正在發(fā)展的幾類電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。其中，鋰離子電池在可再生能源并網(wǎng)、微網(wǎng)系統(tǒng)和改善電能質(zhì)量方面有不少示范應(yīng)用，如2012年我國(guó)建立的20兆瓦級(jí)張北風(fēng)光儲(chǔ)輸項(xiàng)目、2013年日本建立的40兆瓦級(jí)仙臺(tái)變電站鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、2014年美國(guó)西弗吉尼亞州建立的32兆瓦級(jí)勞雷爾山儲(chǔ)能電站等均已成功運(yùn)行。
但是，大規(guī)模鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的高成本和高安全隱患仍是目前需要解決的問題。另外，鋰離子電池的回收處理較為困難，需要有較大的技術(shù)變革才能達(dá)到低成本、長(zhǎng)壽命、高安全和易回收的規(guī)模應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)科學(xué)院電工研究所與北京好風(fēng)光儲(chǔ)能技術(shù)有限公司合作開發(fā)的鋰漿料電池儲(chǔ)能技術(shù)，有可能會(huì)在低速電動(dòng)車、基站儲(chǔ)能和電力儲(chǔ)能領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
鉛酸電池主要用作發(fā)電廠、變電廠的備用電源以及電動(dòng)汽車的啟動(dòng)電源，在維持電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行方面發(fā)揮著極其重要的作用。其優(yōu)點(diǎn)是耐溫性能好、安全性高、成本低，缺點(diǎn)是能量密度和功率密度小、循環(huán)壽命短且易造成環(huán)境污染。在鉛酸電池基礎(chǔ)上發(fā)展的長(zhǎng)循環(huán)壽命鉛碳電池有可能在未來(lái)兆瓦級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
液流電池是一種容量型電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，優(yōu)點(diǎn)是安全性高、循環(huán)壽命較長(zhǎng)、回收再生容易，缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜、能量密度低、系統(tǒng)運(yùn)維成本較高。目前，全釩液流電池的模塊技術(shù)已經(jīng)基本成熟，但國(guó)產(chǎn)新型隔膜的穩(wěn)定化生產(chǎn)仍存在問題。另外，雖然全釩液流電池的模塊效率可以達(dá)到80%以上，但系統(tǒng)整體運(yùn)行的實(shí)際能量效率較低（53%～72%），影響了該技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。
鈉硫電池儲(chǔ)能密度高，可實(shí)現(xiàn)大電流、大功率放電，但運(yùn)行時(shí)溫度很高（300 oC以上），幾年前曾發(fā)生儲(chǔ)能電站燃燒事故，可靠性和安全性受到質(zhì)疑。日本NGK公司是國(guó)際上第一個(gè)將鈉硫電池產(chǎn)業(yè)化的機(jī)構(gòu)，全球運(yùn)行的鈉硫電池儲(chǔ)能電站裝機(jī)容量已達(dá)450兆瓦時(shí)/3 000兆瓦時(shí)。
●超級(jí)電容器儲(chǔ)能
相對(duì)于電池儲(chǔ)能，超級(jí)電容器能量密度很低，但工作溫度范圍寬，充放電速度快，反復(fù)充放電次數(shù)可達(dá)幾萬(wàn)次。因此，超級(jí)電容器儲(chǔ)能適合于需要提供短時(shí)較大脈沖功率的場(chǎng)合，如應(yīng)對(duì)電壓暫降和瞬時(shí)停電、抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩以及提高電能質(zhì)量等。目前，美國(guó)、日本、俄羅斯的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個(gè)超級(jí)電容器市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)能夠批量生產(chǎn)并達(dá)到實(shí)用化水平的有上海奧威、寧波中車等公司。但是，能量密度低、成本高，多單體串聯(lián)時(shí)帶來(lái)的一致性檢測(cè)問題以及壽命和安全問題仍是超級(jí)電容器發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)。隨之而來(lái)的新的發(fā)展方向有超級(jí)雙電層電容器、鋰離子混合型超級(jí)電容器、石墨烯柔性超級(jí)電容器等，為超級(jí)電容器的發(fā)展提供了新思路。
化學(xué)儲(chǔ)能
雖然抽水蓄能和壓縮空氣是大規(guī)模電網(wǎng)調(diào)峰的首選儲(chǔ)能方式，但兩者都受到地理?xiàng)l件的嚴(yán)格限制，推廣范圍有限?；瘜W(xué)儲(chǔ)能以氫能、合成燃料等清潔可再生能源的直接或間接存儲(chǔ)為代表，雖然目前成本較高，但在未來(lái)可能應(yīng)用于電網(wǎng)的規(guī)模調(diào)峰和調(diào)頻。
儲(chǔ)氫系統(tǒng)利用電解水技術(shù)或其他技術(shù)得到氫氣，將氫氣存儲(chǔ)于儲(chǔ)氫裝置中，再利用燃料電池技術(shù)將存儲(chǔ)的能量回饋到電網(wǎng)，或?qū)錃馔ㄟ^管道輸送，直接應(yīng)用到氫氣產(chǎn)業(yè)鏈中。歐洲有多個(gè)配合新能源接入使用的氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的示范工程：德國(guó)在普倫茨勞市建立了風(fēng)能-氫能混合動(dòng)力發(fā)電廠；意大利在普利亞地區(qū)建設(shè)了39兆瓦的氫儲(chǔ)能系統(tǒng)；法國(guó)在科西嘉島建設(shè)了200千瓦的氫儲(chǔ)能系統(tǒng)；挪威在西海岸建設(shè)了55千瓦的制氫和10千瓦的氫發(fā)電系統(tǒng)。
從技術(shù)層面來(lái)講，如何進(jìn)一步提高儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫容量、循環(huán)穩(wěn)定性以及降低氫生產(chǎn)及輸運(yùn)成本是研究者仍在解決的問題。
合成燃料有很多種，如把煤、油頁(yè)巖或?yàn)r青砂轉(zhuǎn)變?yōu)槭突蚱停瑥奈鬯陀倌嘀刑崛〖淄?，從生物質(zhì)中提取乙醇等其他碳?xì)淙剂稀＠弥参锏淖匀还夂献饔没蛘咝滦凸饣瘜W(xué)轉(zhuǎn)換材料的人工光合作用，將光能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能或化學(xué)能并加以儲(chǔ)存和釋放，也是一類重要的化學(xué)儲(chǔ)能方式。目前，合成燃料面臨的主要問題是反應(yīng)過程復(fù)雜，副反應(yīng)較多，工藝尚不成熟，催化劑的選擇和反應(yīng)過程的設(shè)計(jì)還有待進(jìn)一步改進(jìn)。
儲(chǔ)熱蓄冷
儲(chǔ)熱方式主要有顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱（也叫相變儲(chǔ)熱）和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱三種。其中，顯熱儲(chǔ)熱與物質(zhì)的比熱容、密度等相關(guān)，主要應(yīng)用于建筑取暖、生活用熱水、農(nóng)林作物干燥、空氣加熱干燥系統(tǒng)以及太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)等。
相變儲(chǔ)熱材料主要有有機(jī)類、熔融鹽類、合金類和復(fù)合類等，其應(yīng)用研究主要集中在太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)熱、地面太陽(yáng)能的直接熱利用、建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)儲(chǔ)熱和轉(zhuǎn)移電力峰值負(fù)荷、平衡電力應(yīng)用的空調(diào)儲(chǔ)熱、工業(yè)余熱廢熱回收系統(tǒng)儲(chǔ)熱以及保暖服裝、冷敷保健、儀器散熱等領(lǐng)域。從目前煤改氣和煤改電的趨勢(shì)來(lái)看，與多能互補(bǔ)相配合的儲(chǔ)熱技術(shù)將在我國(guó)北方地區(qū)獲得廣泛應(yīng)用。
“可再生能源+儲(chǔ)能”是未來(lái)新能源發(fā)展的必然選擇。加強(qiáng)先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)研究，推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)能源生產(chǎn)和利用方式變革，普及應(yīng)用可再生能源，調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系具有重要的戰(zhàn)略意義。
作者：
陳永翀，中國(guó)科學(xué)院電工研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究組組長(zhǎng)、研究員、儲(chǔ)能材料與器件學(xué)科帶頭人。
劉丹丹，中國(guó)科學(xué)院電工研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究組 博士、助理研究員。
