中國儲能網(wǎng)訊：新型電力系統(tǒng)是新型能源體系的重要組成和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。據(jù)相關(guān)研究，中國能源電力雙碳實(shí)現(xiàn)路徑可分為碳達(dá)峰階段（當(dāng)前－2030年）、深度低碳階段（2030－2050年）和零碳階段（2050－2060年）3個階段。各個階段的VRE（Variable Renewable Energy，可變可再生能源）發(fā)電量占比預(yù)計分別為：碳達(dá)峰階段2030年為25.4%，深度低碳階段2050年為51.3%，零碳階段2060年為54.3%。
↑“雙碳”階段主要時間點(diǎn)VRE電量占比
按照VRE集成到電力系統(tǒng)的程度不同，從低到高可分為6個階段。6個階段的特征及挑戰(zhàn)分別為：
第一階段：VRE滲透率<5%（VRE滲透率即VRE發(fā)電量占比）。借助電力系統(tǒng)自身所具有的儲能特性，VRE對原有電力系統(tǒng)性能沒有任何明顯影響；
第二階段：VRE滲透率介于5%～10%之間。VRE對原有電力系統(tǒng)運(yùn)行有輕微至中度影響（電力系統(tǒng)運(yùn)行模式有較小變化）；
第三階段：VRE滲透率介于10%～30%之間。VRE發(fā)電決定了電力系統(tǒng)的運(yùn)行模式（凈負(fù)荷波動更大，電力潮流模式發(fā)生變化）；
第四階段：VRE滲透率介于30%～50%之間。電力系統(tǒng)會經(jīng)歷VRE發(fā)電幾乎占所有發(fā)電量的時間段（在高VRE發(fā)電量下，供電的魯棒性遇到挑戰(zhàn)，凈負(fù)荷曲線會從鴨子曲線變化為峽谷曲線）；
第五階段：VRE滲透率更高，VRE發(fā)電量更大，出現(xiàn)不斷增長的從天到周的電量盈余或虧缺（能量盈虧期變長）；
第六階段：VRE供電出現(xiàn)月度或季節(jié)性盈虧（需利用合成燃料或氫、跨季節(jié)性等長持續(xù)時間儲能來應(yīng)對）。當(dāng)VRE在電力系統(tǒng)中的滲透率超過20%～25%時，為了維持電力系統(tǒng)的可靠性和韌性，必須配置長持續(xù)時間儲能系統(tǒng)。
當(dāng)前，中國電力系統(tǒng)VRE滲透率正處于從第二階段到第三階段的過渡期，VRE對電力系統(tǒng)的影響會從低、中烈度向中、高烈度擴(kuò)展。眾所周知，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行需要電力供給和電力需求的時刻精準(zhǔn)匹配，而VRE具有不可調(diào)度、不同步、間歇性、波動性、難以預(yù)測的天然特性。隨著VRE滲透率向10%及以上的增加，不斷增加的VRE量會加劇從毫秒、秒、分鐘、小時、天、周到季節(jié)等不同時間尺度上發(fā)電和負(fù)荷之間的不匹配，加之VRE代替火電同步發(fā)電機(jī)組后帶來的物理轉(zhuǎn)動慣量的下降，極易給電網(wǎng)運(yùn)行帶來不穩(wěn)定性，造成電力系統(tǒng)可靠性的下降。
儲能是一種應(yīng)對能源電力供給與需求在時間、空間、形態(tài)、強(qiáng)度等維度上矛盾的顛覆性技術(shù)，可提供大宗能源服務(wù)、輔助服務(wù)、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、用戶能量管理服務(wù)等各類服務(wù)，具備能量控制、能量轉(zhuǎn)移、能量后備、能量管理、慣量備用、電壓控制、無功補(bǔ)償、平滑出力、黑啟動等多種功能，故國際上常稱儲能為能源轉(zhuǎn)型的“瑞士軍刀”。
↑ 儲能——能源轉(zhuǎn)型“瑞士軍刀”
儲能是涉及材料、能源、機(jī)械、化學(xué)、物理、電子、電氣等多學(xué)科強(qiáng)交叉的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。其中的長持續(xù)時間儲能更是新生事物，也是國際研發(fā)重點(diǎn)。目前國內(nèi)存在長持續(xù)時間儲能術(shù)語及定義模糊、技術(shù)體系不明確、研發(fā)技術(shù)路線不清晰等問題。
為此，我們基于國內(nèi)外研究界定了長持續(xù)時間儲能的術(shù)語及定義；基于其內(nèi)涵外延，給出了長持續(xù)時間儲能的技術(shù)體系。
什么是長持續(xù)時間儲能？
儲能除根據(jù)儲能裝置或系統(tǒng)所儲存能量的形式不同分類外（依此可將儲能分為機(jī)械式、電化學(xué)式、電能式、熱能式和化學(xué)式等5大類），還常按照儲能裝置或系統(tǒng)以額定功率輸出所存儲能量的持續(xù)時間尺度長短來分類為：短持續(xù)時間儲能（Short Duration Energy Storage，SDES）和長持續(xù)時間儲能（Long Duration Energy Storage，LDES）。
值得說明的是，國內(nèi)常將短持續(xù)時間儲能和長持續(xù)時間儲能分別稱為“短時儲能”和“長時儲能”。我們認(rèn)為，這是一種不規(guī)范的稱謂，如就“長時”而言，是指“長響應(yīng)時間”“長周期時間”還是“長時間尺度 ”？“長時儲能”術(shù)語界定不清，其概念內(nèi)涵和外延模糊，極易與儲能裝置或系統(tǒng)對釋能請求的響應(yīng)時間長短等概念混淆。例如，按照對釋能請求的響應(yīng)時間快慢，也將儲能裝置或系統(tǒng)分為短時響應(yīng)儲能裝置或系統(tǒng)（如超級電容器、超導(dǎo)磁儲能裝置、飛輪、電化學(xué)電池等）、長時響應(yīng)儲能裝置或系統(tǒng)（如抽水蓄能、壓縮空氣儲能等）2個類別。因此，從科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范用語角度而言，不宜采用“長時儲能”，而宜采用“長持續(xù)時間儲能”的稱謂。
時間尺度長短是相對的，短持續(xù)時間儲能和長持續(xù)時間儲能的時間界限，當(dāng)前國際上尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。歐洲一些學(xué)者及機(jī)構(gòu)將小時級以上界定為長持續(xù)時間儲能，國際LDES（長持續(xù)時間儲能）委員會將6～8小時－150小時界定為LDES，美國加利福尼亞公共事業(yè)委員會（CPUC）要求為8小時及以上，美國能源部則要求10小時及以上，還有的機(jī)構(gòu)要求一天及以上水平（24～72小時）、周水平（100小時），甚至季節(jié)水平。
以美國能源部為例，美國能源部在其“Long Duration Storage Shot（長持續(xù)時間儲能攻關(guān)行動）”中，將長持續(xù)時間儲能（LDES）定義為一次可以儲存能量（可持續(xù)以滿功率釋放能量）超過10小時的儲能系統(tǒng)。釋能持續(xù)時長0～10小時的稱為“短持續(xù)時間儲能”（如飛輪儲能），10小時以上的統(tǒng)稱為“長持續(xù)時間儲能”，且長持續(xù)時間儲能還可以繼續(xù)細(xì)分，10～36小時的為“日間長持續(xù)時間儲能”（有時也稱為“日內(nèi)長持續(xù)時間儲能”，如傳統(tǒng)抽蓄、新型抽蓄、重力儲能、壓縮空氣儲能、液態(tài)空氣儲能、液態(tài)二氧化碳儲能等機(jī)械式儲能技術(shù)），36～160小時的為“多日/周持續(xù)時間儲能”（如顯熱、潛熱、熱化學(xué)儲熱技術(shù)，液流電池、金屬陽極電池、混合液流電池等電化學(xué)儲能技術(shù)等），超過160小時的稱為“季節(jié)性時移儲能”（如儲氫、熱化學(xué)儲熱）等。有的也將“多日/周持續(xù)時間儲能”和“季節(jié)性時移儲能”統(tǒng)稱為“季節(jié)性儲能”。
↑不同時間尺度儲能示例
（來源：DOE）
長持續(xù)時間儲能的時間尺度不統(tǒng)一，會給科研、工程、市場、政策等帶來不利影響。參考國際主要經(jīng)濟(jì)體和機(jī)構(gòu)的做法，“長持續(xù)時間儲能”可界定為能滿足下列3個方面要求的任何儲能技術(shù)：
一是可有競爭力地進(jìn)行部署，用以長期儲能。
二是可經(jīng)濟(jì)地擴(kuò)大規(guī)模，用以維持8～10小時以上的能源供應(yīng)。
三是有顯著促進(jìn)經(jīng)濟(jì)體去碳化的潛力。
長持續(xù)時間儲能技術(shù)體系
按照前述長持續(xù)時間儲能（LDES）的定義，長持續(xù)時間儲能技術(shù)包含技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、儲能時長、去碳潛力三要素。依此三要素尺度衡量，飛輪儲能技術(shù)、超級電容儲能技術(shù)、鋰離子電池儲能技術(shù)、鉛酸電池儲能技術(shù)等，則排除在長持續(xù)時間儲能技術(shù)范疇之外。
長持續(xù)時間儲能技術(shù)包括機(jī)械儲能類、熱能儲能類、電化學(xué)儲能類、化學(xué)儲能類4個類別：
↑ 各類長持續(xù)時間儲能技術(shù)主要參數(shù)及市場成熟度
●機(jī)械儲能類
指利用機(jī)械能的動能或勢能改變來儲存能量的儲能技術(shù)。機(jī)械儲能類LDES包括經(jīng)典抽水蓄能、新型抽水蓄能、重力式儲能、壓縮空氣儲能（CAES）、液態(tài)空氣式儲能（LAES）、液態(tài)二氧化碳式儲能等各類儲能技術(shù)。
經(jīng)典抽水蓄能技術(shù)（常簡稱抽蓄，PSH）：是通過將水從下游水庫抽水至上游水庫，以水的重力勢能的形式來儲存能量的儲能技術(shù)。經(jīng)典PSH技術(shù)是一種經(jīng)長期工程實(shí)踐驗(yàn)證、技術(shù)成熟度最高、往返效率較高（70%～80%）、最廣泛商業(yè)應(yīng)用、規(guī)模化和大型化（達(dá)吉瓦級）、在役時間長（壽命可達(dá)50～60年）的長持續(xù)時間儲能技術(shù)。
新型抽水蓄能技術(shù)：經(jīng)典PSH存在受地理環(huán)境限制、能量密度低、建設(shè)周期長、投資成本高等方面不足。為克服經(jīng)典PSH技術(shù)原有的不足，新型抽水蓄能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。新型PSH具有受地理環(huán)境限制小、建設(shè)周期短、小型化、模塊化等特征。當(dāng)前，國際上新型抽水蓄能電站技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用方向可歸納為混合式抽水蓄能（如與儲熱耦合）、改造及升級型抽水蓄能（如利用廢棄礦井）、新型抽水蓄能（如海水抽蓄）等類別。
重力式儲能技術(shù)：重力儲能是一種利用重物（如重力磚塊）高度變化來儲能/釋能的新興儲能技術(shù)。其工作原理是儲能時利用來自電網(wǎng)的多余能量來提升重物高度，產(chǎn)生重力勢能；釋能時通過發(fā)電機(jī)再將重物的重力勢能轉(zhuǎn)化為電能。重力儲能技術(shù)具有選址靈活、長壽命、儲能時間長、充放效率高（70%～90%）等優(yōu)勢，當(dāng)前主要有山地式、鐵軌式、塔吊式、豎井式、電梯式等多種形式的重力儲能技術(shù)。
壓縮空氣式儲能技術(shù)：壓縮空氣儲能（CAES）是一種以壓縮空氣作為儲能介質(zhì)，儲能時利用機(jī)械力（空氣壓縮機(jī)）將電能儲存于壓縮空氣中，用能時再通過釋放壓縮空氣來推動渦輪機(jī)（膨脹機(jī)）發(fā)電的機(jī)械儲能技術(shù)。CAES具有儲能容量大、儲能時間長、系統(tǒng)壽命長、轉(zhuǎn)動慣量支持、安全性能好、充放效率適中等特點(diǎn)，主要有非絕熱壓縮空氣儲能、絕熱壓縮空氣儲能、等溫壓縮空氣儲能等技術(shù)類別。
液態(tài)空氣式儲能技術(shù)：液態(tài)空氣式儲能技術(shù)（LAES）是一種利用液態(tài)空氣（或液態(tài)氮?dú)猓┳鳛閮δ芙橘|(zhì)和儲能/釋能工質(zhì)的深冷儲能技術(shù)，有時也被稱為低溫儲能（CES），兼具機(jī)械式和熱能式特點(diǎn)。儲能時，利用低谷電來冷卻空氣，直到將空氣低溫液化，并將液態(tài)空氣儲存在儲罐或其他密閉空間中；釋能時，通過暴露于環(huán)境空氣或利用工業(yè)過程中的廢熱，來將所存儲的液態(tài)空氣恢復(fù)到氣態(tài)，并使用恢復(fù)氣態(tài)后的高壓空氣來驅(qū)動空氣透平機(jī)組做功發(fā)電。LAES具有儲能密度大、易于維護(hù)、不受地理?xiàng)l件限制、充放效率適中等特點(diǎn)。
液態(tài)二氧化碳儲能技術(shù)：液態(tài)二氧化碳儲能技術(shù)是基于壓縮空氣儲能和布雷頓循環(huán)、以二氧化碳作為儲能介質(zhì)的一種新型LDES機(jī)械儲能技術(shù)，具有儲能密度大、運(yùn)行壽命長、系統(tǒng)設(shè)備緊湊、成本低等優(yōu)勢，具有較好的發(fā)展和應(yīng)用前景。
●熱能儲能類
指通過加熱或冷卻儲能介質(zhì)（如水、巖石、熔融鹽、氧化鋁）來存儲熱能的儲能系統(tǒng)。熱能儲能類LDES包括顯熱式、潛熱式、熱化學(xué)熱式等儲能技術(shù)。
顯熱式儲熱技術(shù)：顯熱式儲熱（SHS）指儲熱系統(tǒng)所采用的儲熱介質(zhì)的溫度隨系統(tǒng)中熱能的存儲/釋放而相應(yīng)升高/降低，且儲熱介質(zhì)不發(fā)生相變的儲熱技術(shù)。SHS技術(shù)原理簡單，應(yīng)用歷史悠久，近幾十年來得到了廣泛發(fā)展，其總體技術(shù)成熟度在顯熱、潛熱、熱化學(xué)3類儲熱技術(shù)中最高。
潛熱式儲熱技術(shù)：潛熱式儲熱（LHS）指儲熱系統(tǒng)所采用的儲熱介質(zhì)通過介質(zhì)熔化/凝固、蒸發(fā)/冷凝、升華/凝華或在一定恒溫條件下產(chǎn)生其它某種狀態(tài)變化來存儲/釋放熱能的儲熱技術(shù)。LHS主要是利用相變材料發(fā)生相變來蓄積或釋放熱能，因而有時也稱為“相變儲熱”。LHS具有相變潛熱大、蓄熱密度高、儲熱溫度恒定（儲熱、放熱過程近似等溫）、化學(xué)穩(wěn)定性和安全性較好等特點(diǎn)，因而有助于保持儲熱裝置幾何結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)儲熱裝置的小型化。
熱化學(xué)式儲熱技術(shù)：熱化學(xué)式儲熱技術(shù)指儲熱系統(tǒng)利用儲熱介質(zhì)發(fā)生可逆的化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行熱量的存儲/釋放的儲熱技術(shù)。熱化學(xué)儲熱是一種新興技術(shù)，其發(fā)展?jié)摿薮?。與顯熱和潛熱技術(shù)相比，熱化學(xué)儲熱系統(tǒng)有著更高的儲能密度、更長的儲能持續(xù)時長且儲熱整個過程幾乎無熱量損失，并還可調(diào)節(jié)其溫度水平以適應(yīng)不同儲熱/放熱場景，滿足變溫儲熱的要求。
●電化學(xué)式儲能類
指以電化學(xué)形式儲存電能的儲能技術(shù)。電化學(xué)式儲能類LDES包括液流電池、金屬陽極電池、混合液流電池、混合陰極電池等技術(shù)類別。
液流電池的正極和負(fù)極電解液是分別裝在兩個儲罐并用離子交換膜（或離子隔膜）分隔，電池充/放電是通過循環(huán)泵使離子從一側(cè)儲罐穿過膜轉(zhuǎn)移到另一側(cè)儲罐來實(shí)現(xiàn)的。與常規(guī)電池的基本區(qū)別是，常規(guī)電池將能量存儲在電極材料中，而液流電池則主要將能量存儲在電解液中。液流電池有全釩氧化還原液流電池（VRB）、鋅-溴（Zn-Br）液流電池、溴-多硫化物液流電池、 鐵鉻(Fe-Cr)液流電池、鋅-氯液流電池等。其中，VRB是最成熟、最常見的液流電池之一。金屬陽極電池等是一種新興技術(shù)，可利用如鋁、鐵、鎂、鋅等廉價且豐富的正電金屬與空氣中的氧氣進(jìn)行電化學(xué)作用來發(fā)電。正在研發(fā)或商業(yè)初期應(yīng)用的有鋰-空氣、鋅-空氣等類型。
●化學(xué)儲能類
指通過如氫、甲烷、合成氣（CO+H2）和氨等化學(xué)品的生產(chǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的儲能系統(tǒng)。這些生成的化學(xué)品隨后可以作為燃料等介質(zhì)來發(fā)電。
實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，能源須從以化石燃料為主的傳統(tǒng)能源體系向以無碳排放的新能源（如風(fēng)、光）為主體的新型能源體系轉(zhuǎn)型。由于風(fēng)光等新能源無法如化石燃料般靈活滿足用能需求，故新型能源體系需要一種新的方式來滿足能源供給靈活性和可靠性的需求。長持續(xù)時間儲能（LDES）將是在未來去碳電力系統(tǒng)中提供這種靈活性和可靠性的關(guān)鍵。
長持續(xù)時間儲能，對于清潔能源高效利用，推進(jìn)能源、工業(yè)、建筑、交通等各領(lǐng)域清潔低碳轉(zhuǎn)型、應(yīng)對極端天氣、解決綠色-經(jīng)濟(jì)-可靠性能源不可能三角難題起著至關(guān)重要的作用，是保障能源安全、推動能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，建設(shè)新型電力系統(tǒng)和新型能源體系，構(gòu)建能源強(qiáng)國的利器和重要抓手。
為此，我國也應(yīng)盡早在長持續(xù)時間儲能方面出臺戰(zhàn)略規(guī)劃，在分析各種長持續(xù)時間儲能技術(shù)路線的現(xiàn)狀、資源、需求、前景等基礎(chǔ)上，制訂相應(yīng)的近期、中期、遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo)和實(shí)施路線圖，在政策、市場、研發(fā)、工業(yè)體系、投融資、教育培訓(xùn)等多方面全面布局，持續(xù)按照我國已形成的重大技術(shù)研發(fā)、重大裝備研制、重大示范工程、科技創(chuàng)新平臺“四位一體”能源科技創(chuàng)新體系，按照集中攻關(guān)一批、示范試驗(yàn)一批、應(yīng)用推廣一批“三個一批”路徑，推動我國長持續(xù)時間儲能產(chǎn)業(yè)取得重要進(jìn)展，以在大國競爭的戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域——長持續(xù)時間儲能的科技及應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位，從而確?！半p碳”目標(biāo)的如期必成。
