傳統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)如何運(yùn)作？
傳統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)通過電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，采集電廠的發(fā)電數(shù)據(jù)，給每個(gè)發(fā)電廠分配發(fā)電任務(wù)。此外電網(wǎng)公司還設(shè)有調(diào)度員，負(fù)責(zé)根據(jù)用電需求和電力設(shè)備的過載能力調(diào)整發(fā)電量，實(shí)現(xiàn)發(fā)、輸、供、用電平衡。例如，在電力供應(yīng)緊張時(shí)期，采取有保有限的供電原則，抑制高耗能行業(yè)用電（限電），確保普通居民用電需求。
這就是為什么在電網(wǎng)系統(tǒng)還不是很發(fā)達(dá)的年代，停電成了家常便飯。而對(duì)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的工業(yè)化企業(yè)而言，停電會(huì)造成極大地經(jīng)濟(jì)損失。
如何顛覆？
在廣泛采用儲(chǔ)能技術(shù)后，國(guó)家電網(wǎng)的電力需求將大幅下降。
在發(fā)電側(cè)，我國(guó)傳統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)以火電為主，未來隨著儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源電力將能夠有效存儲(chǔ)，避免了發(fā)電量過度供給而造成的尷尬。節(jié)能環(huán)保的新能源技術(shù)將成為儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的受益者。
在售電側(cè)，隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能的電廠將不再依賴電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度，將多余的電力存儲(chǔ)起來售賣；分布式發(fā)電家庭也能夠?qū)⒋鎯?chǔ)的電能隨心出售，而不必局限于上傳電網(wǎng)。同時(shí)，高耗能的用電方不需要再看電網(wǎng)調(diào)度的“臉色”，可在電力低廉充足時(shí)從電網(wǎng)購(gòu)電，而在電價(jià)升高時(shí)使用存儲(chǔ)電能。這些改變與我國(guó)“售電側(cè)改革”和“輸配電價(jià)改革”的意見精神不謀而合。
全球儲(chǔ)能系統(tǒng)
談到儲(chǔ)能，人們很容易想到電池，但現(xiàn)有的電池技術(shù)很難滿足電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能的要求。目前世界占比最高的是抽水蓄能，其總裝機(jī)容量規(guī)模達(dá)到了127GW，占總儲(chǔ)能容量的99%，其次是壓縮空氣儲(chǔ)能，總裝機(jī)容量為440MW，排名第三的是鈉硫電池，總?cè)萘恳?guī)模為316MW。現(xiàn)有的儲(chǔ)能系統(tǒng)主要分為五類：機(jī)械儲(chǔ)能、電氣儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能，下面對(duì)這些儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行介紹。
1、機(jī)械儲(chǔ)能
機(jī)械儲(chǔ)能包括：抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能。
抽水蓄能
目前最成熟的大規(guī)模儲(chǔ)能方式是抽水蓄能，它需要配建上、下游兩個(gè)水庫(kù)。在負(fù)荷低谷時(shí)段抽水蓄能設(shè)備處于電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，將下游水庫(kù)的水抽到上游水庫(kù)保存，在負(fù)荷高峰時(shí)設(shè)備處于發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，利用儲(chǔ)存在上游水庫(kù)中的水發(fā)電。其能量轉(zhuǎn)換效率在70%到75%左右。但由于受建站選址要求高、建設(shè)周期長(zhǎng)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)速度慢等因素的影響，抽水儲(chǔ)能技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用受到一定程度的限制。
在未來的5~10年，抽水蓄能技術(shù)的主要研究方向是變速抽水蓄能機(jī)組?變速抽水蓄能機(jī)組分為交流勵(lì)磁變速抽水蓄能機(jī)組和閥控變頻抽水蓄能機(jī)組?目前，有人提出了將泵和水輪機(jī)合并為一體的可逆式水泵水輪機(jī)的新抽水蓄能機(jī)組結(jié)構(gòu)，有效提高了抽水蓄能電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，成為現(xiàn)代抽水蓄能電站應(yīng)用的主要形式?2016年8月發(fā)改委出了個(gè)關(guān)于抽蓄電價(jià)的政策，以后可能會(huì)好些，但可以預(yù)見抽水儲(chǔ)能技術(shù)肯定不是儲(chǔ)能的發(fā)展趨勢(shì)。
北京十三陵抽水儲(chǔ)能電站
壓縮空氣儲(chǔ)能(Compressed Air Energy Storage)
壓縮空氣蓄能是利用電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)的剩余電量，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)，將空氣壓入作為儲(chǔ)氣室的密閉大容量地下洞穴，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電量不足時(shí)，將壓縮空氣經(jīng)換熱器與油或天然氣混合燃燒，導(dǎo)入燃?xì)廨啓C(jī)作功發(fā)電。
壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）成本較低，并且具有安全系數(shù)高?壽命長(zhǎng)（20~40年）、響應(yīng)速度快等特性?但CAES儲(chǔ)能密度低?依賴大型儲(chǔ)氣洞穴以及化石燃料燃燒污染是其主要的制約因素?目前，針對(duì)這些問題，CAES發(fā)展方向是積極開展新型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)，如等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)?地面壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)?液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)?先進(jìn)的絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)以及空氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)等?
無論國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，未來5~10年是研究新型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)成熟期，為了積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)行百兆瓦級(jí)別以上系統(tǒng)的技術(shù)驗(yàn)證勢(shì)在必行?因此，百兆瓦級(jí)以上新型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的先進(jìn)集成技術(shù)與控制技術(shù)在未來5~10年將成為主流?
CAES主要趨勢(shì)包括：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)?超零界空氣儲(chǔ)能技術(shù)?與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)?與可再生能源的耦合的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)等?與這些新型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的新技術(shù)包括：多級(jí)高負(fù)荷向心透平技術(shù)?先進(jìn)復(fù)合壓縮機(jī)技術(shù)?緊湊型大容量蓄冷/熱換熱器技術(shù)等?
德國(guó)Huntorf壓縮空氣儲(chǔ)能電站
飛輪儲(chǔ)能（Flywheel Energy Storage）
飛輪儲(chǔ)能是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來。需要能量時(shí)，飛輪減速運(yùn)行，將存儲(chǔ)的能量釋放出來。
飛輪儲(chǔ)能（Flywheel Energy Storage）原理
飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)：（1）安全可靠并且支持高速運(yùn)行的軸承；（2）可以承受高速旋轉(zhuǎn)重力的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與材質(zhì)?因此，先進(jìn)飛輪的設(shè)計(jì)在解決使用目的后，最重要的過程是功率與能量之間的合理設(shè)計(jì)，根據(jù)磁軸承承載特性與物理?xiàng)l件，同時(shí)轉(zhuǎn)換成具體的轉(zhuǎn)子形狀，確定的材質(zhì)與運(yùn)行轉(zhuǎn)速?FES的儲(chǔ)能容量?自放電率等方面是制約飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的重要因素?隨著日漸成熟的超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)和單體并聯(lián)技術(shù)，飛輪儲(chǔ)能將逐漸克服現(xiàn)有的能量密度低?自放電率高等缺點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩綌U(kuò)展到大型新能源電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能領(lǐng)域?
在未來5到10年，飛輪儲(chǔ)能的發(fā)展趨勢(shì)視應(yīng)用市場(chǎng)不同而不同?首先，與備用柴油發(fā)電機(jī)或是與老式互動(dòng)式UPS共同配置的飛輪仍有其市場(chǎng)?但是隨著電子控制技術(shù)的突飛猛進(jìn)，機(jī)械性的連接終將被先進(jìn)的數(shù)字化電子自動(dòng)化控制取代。未來的趨勢(shì)是飛輪獨(dú)立作為儲(chǔ)能單元，附屬于大電網(wǎng)，微網(wǎng)與局網(wǎng)的雙向電源系統(tǒng)?
飛輪在未來將取代部分鉛酸電池，并且大規(guī)模應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電及其他新能源?而最大的市場(chǎng)將在電網(wǎng)調(diào)頻服務(wù)與電源質(zhì)量保障?這部分的應(yīng)用隨著可再生能源并網(wǎng)的比例增加，對(duì)秒級(jí)的初級(jí)調(diào)頻服務(wù)的需求也相應(yīng)增加?
2、電氣儲(chǔ)能
電氣儲(chǔ)能技術(shù)主要包括超級(jí)電容器儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES)。
超級(jí)電容器儲(chǔ)能
超級(jí)電容器儲(chǔ)能是用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的電容量。超級(jí)電容器的發(fā)展很快，目前以石墨烯材料為基礎(chǔ)的新型超級(jí)電容器是市場(chǎng)熱點(diǎn)。
超級(jí)電容器具有容量大、功率密度高、免維護(hù)、環(huán)境友好型、壽命長(zhǎng)及使用溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，成為一種新型電化學(xué)儲(chǔ)能單元，已在備用電源系統(tǒng)、便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前，超級(jí)電容器應(yīng)用于具有間歇性、波動(dòng)性的可再生能源，尤其是在平抑風(fēng)電波動(dòng)方面有著顯著效果。
能量密度低是超級(jí)電容器的最大瓶頸（通常是蓄電池的5%~15%），較難單獨(dú)提供能源?如何提高能量密度以及對(duì)高電壓工作環(huán)境的適應(yīng)是其急需解決的問題?目前的解決辦法是配合高能量密度的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)側(cè)，實(shí)現(xiàn)電能的平滑輸出和電網(wǎng)的削峰填谷?
Maxwell 超級(jí)電容器
超導(dǎo)儲(chǔ)能(Superconducting magnetic energy storage)
SMES是利用超導(dǎo)體的電阻為零特性制成的儲(chǔ)存電能的裝置。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)大致包括超導(dǎo)線圈、低溫系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)4大部分。超導(dǎo)材料技術(shù)開發(fā)是超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的重中之重。超導(dǎo)材料大致可分為低溫超導(dǎo)材料、高溫超導(dǎo)材料和室溫超導(dǎo)材料。
不足之處：超導(dǎo)儲(chǔ)能的成本很高(材料和低溫制冷系統(tǒng))，使得它的應(yīng)用受到很大限制?？煽啃院徒?jīng)濟(jì)性的制約，商業(yè)化應(yīng)用還比較遠(yuǎn)。
5mva超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)
3、電化學(xué)儲(chǔ)能
電化學(xué)儲(chǔ)能主要包括鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池和液流電池。
鉛酸電池：是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。目前在世界上應(yīng)用廣泛，循環(huán)壽命可達(dá)1000次左右，效率能達(dá)到80%-90%，性價(jià)比高，常用于電力系統(tǒng)的事故電源或備用電源。不足之處：如果深度、快速大功率放電時(shí)，可用容量會(huì)下降。其特點(diǎn)是能量密度低，壽命短。鉛酸電池今年通過將具有超級(jí)活性的炭材料添加到鉛酸電池的負(fù)極板上，將其循環(huán)壽命提高很多。
鋰離子電池：是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。主要應(yīng)用于便攜式的移動(dòng)設(shè)備中，其效率可達(dá)95%以上，放電時(shí)間可達(dá)數(shù)小時(shí)，循環(huán)次數(shù)可達(dá)5000次或更多。鋰離子電池具有比能量/比功率高?壽命長(zhǎng)?充放電速度快?反應(yīng)靈敏?轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)?鋰離子儲(chǔ)能電池主要需要解決的是安全性?壽命和低成本，這三個(gè)方面在很大程度上取決于其電極材料體系的選擇和匹配?因此如何選擇長(zhǎng)壽命?高安全和低成本的材料體系是當(dāng)前的鋰離子儲(chǔ)能電池的重要技術(shù)?
鈉硫電池：是一種以金屬鈉為負(fù)極、硫?yàn)檎龢O、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的二次電池。循環(huán)周期可達(dá)到4500次，放電時(shí)間6-7小時(shí)，周期往返效率75%，能量密度高，響應(yīng)時(shí)間快。目前在日本、德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)等地已建有200多處此類儲(chǔ)能電站，主要用于負(fù)荷調(diào)平，移峰和改善電能質(zhì)量。不足之處：因?yàn)槭褂靡簯B(tài)鈉，運(yùn)行于高溫下，容易燃燒。而且萬一電網(wǎng)沒電了，還需要柴油發(fā)電機(jī)幫助維持高溫，或者幫助滿足電池降溫的條件。
液流電池：利用正負(fù)極電解液分開，各自循環(huán)的一種高性能蓄電池。電池的功率和能量是不相關(guān)的，儲(chǔ)存的能量取決于儲(chǔ)存罐的大小，因而可以儲(chǔ)存長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)至數(shù)天的能量，容量可達(dá)MW級(jí)。這個(gè)電池有多個(gè)體系，如鐵鉻體系，鋅溴體系、多硫化鈉溴體系以及全釩體系，其中釩電池最火吧。不足之處：電池體積太大；電池對(duì)環(huán)境溫度要求太高；價(jià)格貴（這個(gè)可能是短期現(xiàn)象吧）；系統(tǒng)復(fù)雜（不像鋰電等非液流電池那么簡(jiǎn)單）。
4、熱儲(chǔ)能
熱儲(chǔ)能系統(tǒng)中，熱能被儲(chǔ)存在隔熱容器的媒介中，需要的時(shí)候轉(zhuǎn)化回電能，也可直接利用而不再轉(zhuǎn)化回電能。熱儲(chǔ)能又分為顯熱儲(chǔ)能和潛熱儲(chǔ)能。熱儲(chǔ)能儲(chǔ)存的熱量可以很大，所以可利用在可再生能源發(fā)電上。
不足之處：熱儲(chǔ)能要各種高溫化學(xué)熱工質(zhì)，用用場(chǎng)合比較受限。
5、化學(xué)類儲(chǔ)能
化學(xué)類儲(chǔ)能：利用氫或合成天然氣作為二次能源的載體，利用多余的電制氫，可以直接用氫作為能量的載體，也可以將其與二氧化碳反應(yīng)成為合成天然氣(甲烷)，氫或者 合成天然氣除了可用于發(fā)電外，還有其他利用方式如交通等。德國(guó)熱衷于推動(dòng)此技術(shù)，并有示范項(xiàng)目投入運(yùn)行。
不足之處：全周期效率較低，制氫效率僅 40%，合成天然氣的效率不到35%。
PHS-抽水蓄能；CAES-壓縮空氣；Lead-Acid：鉛酸電池；NiCd：鎳鎘電池；NaS：鈉硫電池；ZEBRA：鎳氯電池；Li-ion：鋰電池；Fuelcell：燃料電池；Metal-air：金屬空氣電池；VRB：液流電池；ZnbBr：液流電池；PSB：液流電池；SolarFuel：太陽(yáng)能燃料電池；SMES：超導(dǎo)儲(chǔ)能；Flywheel：飛輪； Capacitor/ Supercapcitor：電容/超級(jí)電容；AL-TES：水/冰儲(chǔ)熱/冷系統(tǒng)；CES：低溫儲(chǔ)能系統(tǒng)；HT-TES：儲(chǔ)熱系統(tǒng)。
各類儲(chǔ)能技術(shù)的成熟度及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
美國(guó)2017-2022年儲(chǔ)能市場(chǎng)
近期，GTM Research發(fā)布了《U.S. Energy Storage Monitor: 2016 Year in Review and Q1 2017 Executive Summary》研究報(bào)告，根據(jù)GTM Research的預(yù)測(cè)，美國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模將從2016年的221MW增長(zhǎng)到2022年的2.6GW，增幅達(dá)12倍。到2022年，美國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模預(yù)期達(dá)到33億美元，與2016年相比有近10倍的增長(zhǎng)。其中2017-2022年的儲(chǔ)能市場(chǎng)累計(jì)收入將達(dá)到110億美元。
隨著馬薩諸塞州、俄勒岡州、紐約州、田納西州等地區(qū)相繼借鑒加利福尼亞州此前的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)政策經(jīng)驗(yàn)，制定和發(fā)布儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)和儲(chǔ)能激勵(lì)計(jì)劃，儲(chǔ)能將在美國(guó)更多地區(qū)以更為廣泛的方式得以應(yīng)用。未來，儲(chǔ)能在美國(guó)市場(chǎng)的應(yīng)用將呈現(xiàn)出以調(diào)頻輔助服務(wù)和工商業(yè)用戶側(cè)為引領(lǐng)，以調(diào)峰和容量應(yīng)用為新增長(zhǎng)點(diǎn)的多元化發(fā)展局面。
中國(guó)新能源儲(chǔ)能市場(chǎng)
2016年上半年中國(guó)新增投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目規(guī)模28.5MW，主要布局于西北地區(qū)的集中式可再生能源并網(wǎng)領(lǐng)域。在新增投運(yùn)的9個(gè)項(xiàng)目中，格爾木時(shí)代新能源光儲(chǔ)電站項(xiàng)目和科陸電子甘肅玉門風(fēng)光儲(chǔ)項(xiàng)目因規(guī)模分別達(dá)到15MW和10MW，成為其中的代表項(xiàng)目。除了多個(gè)項(xiàng)目建成投運(yùn)，2016年上半年更為引入注目的是中國(guó)企業(yè)對(duì)于規(guī)劃部署儲(chǔ)能項(xiàng)目的大力度和高熱情。據(jù)CNESA項(xiàng)目庫(kù)的統(tǒng)計(jì)，僅2016年上半年，中國(guó)已公布的儲(chǔ)能項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃累計(jì)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到600MW。
國(guó)內(nèi)部分電力儲(chǔ)能示范項(xiàng)目情況
以三星陽(yáng)光、大連融科、南都電源、協(xié)鑫集成、猛獅科技為代表的儲(chǔ)能技術(shù)企業(yè)和系統(tǒng)集成商紛紛宣布了數(shù)十兆瓦至百兆瓦級(jí)的儲(chǔ)能項(xiàng)目規(guī)劃，涉及鋰離子電池、液流電池、鉛蓄電池等多種儲(chǔ)能技術(shù)，主要應(yīng)用于電力調(diào)頻調(diào)峰、大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)、工商業(yè)微網(wǎng)等領(lǐng)域。可以預(yù)見，未來一到三年，隨著這些項(xiàng)目建成投運(yùn)，中國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模將會(huì)保持持續(xù)快速增長(zhǎng)之勢(shì)。
