中國儲能網(wǎng)訊：前言：在過去相當(dāng)長一段時間，儲能在電網(wǎng)的應(yīng)用技術(shù)主要是抽水蓄能，應(yīng)用領(lǐng)域主要是移峰填谷、調(diào)頻及輔助服務(wù)等。近年來，隨著新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電、太陽能光伏發(fā)電等波動性電源接入電網(wǎng)的規(guī)模不斷擴大，以及分布式電源在配網(wǎng)應(yīng)用規(guī)模的擴大，儲能及其在電網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用技術(shù)都發(fā)生了很大變化。儲能技術(shù)類型不斷增多，應(yīng)用范圍也在擴大，本文就從儲能技術(shù)的類型與應(yīng)用范圍談起。
儲能技術(shù)即能量存儲和再利用的技術(shù)，按其基本原理分類，可分為物理儲能、化學(xué)儲能以及一些前沿儲能技術(shù)，其中物理儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能等，化學(xué)儲能有鉛炭電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池、超級電容器等，液態(tài)金屬電池、鋁空氣電池、鋅空氣電池等屬于比較前沿的技術(shù)。不同的儲能技術(shù)其特征和應(yīng)用范圍也有所區(qū)別。單從儲能技術(shù)評價指標(biāo)來看，就包括功率規(guī)模、持續(xù)時間、能量密度、功率密度、循環(huán)效率、壽命、自放電率、能量成本、功率成本、技術(shù)成熟度、環(huán)境影響等?？梢哉f，沒有一種單一儲能技術(shù)可以適應(yīng)所有的儲能需求，應(yīng)按需選擇合適的儲能技術(shù)或技術(shù)組合。
1、儲能技術(shù)簡介
1.1抽水蓄能電站
抽水蓄能使用兩個不同水位的水庫。谷負(fù)荷時，將下位水庫中的水抽入上位水庫;峰負(fù)荷時，利用反向水流發(fā)電。抽水儲能電站的最大特點是儲存能量大，可按任意容量建造，儲存能量的釋放時間可以從幾小時到幾天，其效率在70%～85%。
1.2壓縮空氣儲能
壓縮空氣儲能系統(tǒng)主要由兩部分組成：一是充氣壓縮循環(huán)，二是排氣膨脹循環(huán)。在夜間負(fù)荷低谷時段，電動機—發(fā)電機組作為電動機工作，驅(qū)動壓縮機將空氣壓入空氣儲存庫;白天負(fù)荷高峰時段，電動機—發(fā)電機組作為發(fā)電機工作，儲存的壓縮空氣先經(jīng)過回?zé)崞黝A(yù)熱，再與燃料在燃燒室里混合燃燒后，進(jìn)入膨脹系統(tǒng)中(如驅(qū)動燃?xì)廨啓C)發(fā)電。
1.3飛輪儲能系統(tǒng)
飛輪儲能利用電動機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成機械能儲存起來，在需要時飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電。近年來，一些新技術(shù)和新材料的應(yīng)用，使飛輪儲能技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，例如：磁懸浮技術(shù)、真空技術(shù)、高性能永磁技術(shù)和高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，極大地降低了機械軸承摩擦與風(fēng)阻損耗;高強度纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，飛輪允許線速度大幅提高，大大增加了單位質(zhì)量的動能儲量;電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使飛輪儲存的能量交換更為靈活高效。因此，飛輪儲能也被認(rèn)為是近期最有競爭力的儲能技術(shù)之一。
1.4超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)
超導(dǎo)磁儲能是利用超導(dǎo)線圈由電網(wǎng)供電勵磁而產(chǎn)生的磁場儲存能量。超導(dǎo)磁儲能儲存的能量為E=LI2/2(其中，L為線圈的電感，I為線圈的勵磁電流)。如線圈維持超導(dǎo)態(tài)，則線圈中所儲存的能量幾乎可以無損耗地永久儲存下去，直到需用時再使用。
超導(dǎo)線圈是一個直流裝置，電網(wǎng)中的電流經(jīng)整流變直流后給超導(dǎo)線圈充電勵磁。超導(dǎo)線圈放電時須經(jīng)逆變裝置向電網(wǎng)或負(fù)載供電。
1.5超級電容器儲能
超級電容器根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率。充電時處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層超級電容器。其電容量極大，可存儲較多的電荷。
1.6鈉硫電池
鈉硫電池以鈉和硫分別作為負(fù)極和正極，β氧化鋁陶瓷同時起隔膜和電解質(zhì)的雙重作用。目前研發(fā)的單體電池最大容量達(dá)到650Ah，功率120W以上，可組合后形成模塊直接用于儲能。鈉硫電池在國外已是發(fā)展相對成熟的儲能電池，實際使用壽命可達(dá)10～15a。
1.7液流電池與全釩液流電池
液流電池是正負(fù)極活性物質(zhì)均為液態(tài)流體氧化還原電對的一種電池。液流電池主要包括溴化鋅(ZnBr)、氯化鋅(ZnCl)、多硫化鈉溴(PSB)和全釩液流電池(VRB)等多種體系。其中，全釩液流電池已經(jīng)成為液流電池體系的主流。
1.8鋰離子電池
鋰離子電池的工作原理：鋰離子蓄電池的正極活性物質(zhì)為鋰的活性化合物組成，負(fù)極活性物質(zhì)則為碳材料。鋰離子電池是利用Li+在正負(fù)極材料中嵌入和脫嵌，從而完成充放電過程的反應(yīng)。
使用磷酸鐵鋰為正極材料的鋰電池由于成本優(yōu)勢明顯，正逐步成為鋰離子電池的主要發(fā)展方向。鋰離子電池已成為目前世界上大多數(shù)汽車企業(yè)的首選目標(biāo)和主攻方向。
2、各種儲能技術(shù)比較
2.1儲能技術(shù)特點和應(yīng)用場合
各種儲能技術(shù)的特點和應(yīng)用場合見表1。
2.2主要儲能技術(shù)成熟度比較
目前，大規(guī)模儲能技術(shù)中只有抽水蓄能技術(shù)相對成熟。因受地理條件制約，還有一些儲能方式處于試驗示范階段，距離大規(guī)模推廣應(yīng)用還有距離，需要在可靠性、效率、成本、規(guī)模化和壽命等方面進(jìn)行綜合評估。主要儲能技術(shù)成熟度如圖1所示。
2.3主要儲能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性比較
主要儲能技術(shù)的安裝成本見表2。
3、全球各儲能技術(shù)市場發(fā)展情況
從全球各儲能技術(shù)類型市場發(fā)育程度來看，抽水蓄能技術(shù)發(fā)展最為成熟，裝機規(guī)模也最大。儲熱技術(shù)近十年發(fā)展很快，目前在裝機量上排名第二。電化學(xué)儲能則是全球發(fā)展最為迅速，增速最快，也是在運項目數(shù)最多的技術(shù)。其他機械儲能增長相對比較平穩(wěn)。除此之外，儲氫、石墨烯儲能等新技術(shù)也開始進(jìn)入市場。各類型技術(shù)發(fā)展趨勢詳見圖2。
資料來源：DOEGlobalEnergyStorageDatabase
圖2?2005～2016年全球各儲能技術(shù)裝機情況
抽水蓄能電站的儲能投資收益最高，技術(shù)成熟度也最高，是目前電力系統(tǒng)中最成熟、最實用的大規(guī)模儲能方式。據(jù)美國能源部全球儲能數(shù)據(jù)庫2016年8月16日的更新數(shù)據(jù)顯示，全球累計運行的抽水蓄能項目裝機161.23GW(316個在運項目)，占全部裝機的96%。相比于其它儲能方式，抽水蓄能電站設(shè)備具有壽命長、儲能規(guī)模大、轉(zhuǎn)換效率高、技術(shù)成熟、運行條件簡便、清潔環(huán)保等特點，因而得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。隨著近年來新的儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，以及抽水蓄能建設(shè)的地理選址受限等因素影響，抽水蓄能裝機增長逐漸趨緩。
以2011年為分界點，前5年儲熱裝機增速最快，較2007年增加7倍，后5年化學(xué)儲能則成為發(fā)展最快的技術(shù)，詳見表3。
表32016年各儲能技術(shù)類型增速
4、儲能技術(shù)價值
總的來說，儲能技術(shù)的價值可分為三種，如表4所示
具體到各市場成員來看，儲能作用和價值體現(xiàn)在以下幾個方面：
對于發(fā)電集團(tuán)來說，儲能可以延緩發(fā)電裝機投資，改善調(diào)頻調(diào)峰性能，規(guī)避市場上的極端低電價風(fēng)險，典型的應(yīng)用技術(shù)有抽水蓄能、壓縮空氣、儲熱、液流電池、鋰電池、鉛酸電池等;
對于電網(wǎng)公司來說，儲能可以延緩輸電、配電設(shè)備投資，緩解局部電網(wǎng)阻塞，提供調(diào)峰調(diào)頻、電壓支撐，提供緊急備用、黑啟動等。典型的應(yīng)用技術(shù)有抽水蓄能、壓縮空氣、儲熱、飛輪、超級電容、液流電池、鋰電池、鉛酸電池;
對于新能源運營商來說，儲能可以減少棄水、棄風(fēng)、棄光電量，改善電能質(zhì)量，規(guī)避參與市場交易的偏差懲罰風(fēng)險，規(guī)避市場上的極端低電價風(fēng)險;典型的技術(shù)有儲熱配合光熱發(fā)電、鋰電池、鉛酸電池;
對于用戶和售電公司來說，可以利用峰谷價差盈利，提供調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)，與分布式光伏配置使用，規(guī)避市場上的極端高電價風(fēng)險，保證穩(wěn)定的電能供應(yīng)，規(guī)避停電風(fēng)險等。
5、智能電網(wǎng)發(fā)展大規(guī)模儲能的必要性
5.1滿足可再生能源發(fā)展需要
由于風(fēng)能和太陽能等新能源具有隨機性、間歇性、出力變化快等特點，而且風(fēng)能還具有不可預(yù)測、反調(diào)峰特性，大容量的新能源發(fā)電直接并網(wǎng)會對電網(wǎng)運行、控制及有功調(diào)度帶來較大的影響，并網(wǎng)問題現(xiàn)已成為了制約可再生能源發(fā)展的瓶頸。新能源發(fā)電設(shè)備中若配有儲能裝置，利用儲能裝置秒級甚至毫秒級的有功調(diào)節(jié)能力，可以平滑新能源的輸出曲線。儲能系統(tǒng)的有功動態(tài)調(diào)節(jié)能力使其可發(fā)揮類似發(fā)電機的對電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)作用，調(diào)和電力供給與需求之間的差異。儲能系統(tǒng)在新能源領(lǐng)域的另一項應(yīng)用是風(fēng)光儲一體化發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以充分利用風(fēng)能和光伏在時間和地域上的天然互補性，同時配合儲能系統(tǒng)對電能的存儲和釋放，改善整個風(fēng)、光發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出特性，緩解風(fēng)電、光電等可再生能源對電網(wǎng)的不利影響，增加電網(wǎng)對可再生能源的吸納程度。
5.2削峰填谷，減少系統(tǒng)備用，提高設(shè)備利用率
電力生產(chǎn)要求發(fā)電、供電、用電之間必須隨時保持平衡，然而白天和黑夜、不同季節(jié)間的峰谷差要求電力系統(tǒng)又必須配有一定的發(fā)電備用容量，隨著新能源產(chǎn)業(yè)及社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，通過增加旋轉(zhuǎn)備用來滿足高峰負(fù)荷需求變得越來越困難。儲能系統(tǒng)可以在電網(wǎng)負(fù)荷低谷的時候作為負(fù)荷從電網(wǎng)獲取電能充電，在電網(wǎng)負(fù)荷峰值的時候向電網(wǎng)輸送電能，實現(xiàn)削峰填谷功能，同時，還可以減少電網(wǎng)對發(fā)電設(shè)備的投資，提高電力設(shè)備的使用率，減小線路損耗，提高供電可靠性，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
儲能系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、運行成本低等特點，將比火電機組更適合充當(dāng)發(fā)電備用的角色。如果將來能夠建設(shè)更大容量的儲能站，或者在全網(wǎng)分散布置大量的小容量儲能站，當(dāng)整體儲能容量達(dá)到一定規(guī)模時，就能逐步減少火電機組的旋轉(zhuǎn)備用。
5.3減緩輸電壓力，提升配網(wǎng)智能化水平
在我國許多地區(qū)，電力輸送能力的增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上電力需求增長的步伐，在高峰電力需求時輸配電系統(tǒng)往往變得擁擠阻塞，影響系統(tǒng)正常運行。若把儲能系統(tǒng)安裝在輸配電系統(tǒng)阻塞段的潮流下游，電能被存儲在沒有輸配電阻塞的區(qū)段，在電力需求高峰時儲能系統(tǒng)釋放電能，從而減少輸配電系統(tǒng)容量的要求，緩解輸配電系統(tǒng)阻塞的情況。同時，儲能系統(tǒng)還可以減少電力傳輸中的異常和干擾，解決輸電穩(wěn)定性阻尼和次同步諧振阻尼等問題，改善動態(tài)電壓穩(wěn)定性，以及減少系統(tǒng)低頻時甩負(fù)荷量。
置于用戶側(cè)的儲能系統(tǒng)，可增強系統(tǒng)的供電可靠性，改善用戶的電能質(zhì)量。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，微網(wǎng)的概念逐步得到推廣。各種儲能系統(tǒng)作為微網(wǎng)的分布式電源之一，通過電力電子裝置在秒級甚至毫秒級快速響應(yīng)，可以實現(xiàn)微網(wǎng)“永不斷電”的目標(biāo)。另一方面，小型的家庭式儲能設(shè)備和區(qū)域性的微網(wǎng)儲能裝置，可以通過智能表計接入到周圍的大中型電網(wǎng)中，在用電高峰時向電網(wǎng)供電，增加了電力用戶與電網(wǎng)的互動。
5.4促進(jìn)電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展
隨著電網(wǎng)智能化水平以及電動汽車保有量的大幅提高，電動汽車的車載電池作為可移動儲能單元，豐富了電網(wǎng)的可控資源，對智能電網(wǎng)平衡大量不可控的可再生能源有著重要的作用。在用電低谷時，電動汽車和儲能電站的電池可以從電網(wǎng)吸納大量富余電力，用電高峰來臨時，電池的電能可以反過來被電網(wǎng)吸收，或可以作為停電時的備用電源。把這兩者有機結(jié)合在一起可以充分利用電池儲能站的配套設(shè)施，可達(dá)到資源的最大利用。
5.5電網(wǎng)應(yīng)急相應(yīng)的需要
在電網(wǎng)失電的情況下，通過傳感器技術(shù)和通信與信息技術(shù)進(jìn)行故障快速診斷，儲能電站切換至電網(wǎng)緊急模式，儲能裝置向用電設(shè)備提供已儲備的電能，起到應(yīng)急供電的作用。
儲能系統(tǒng)能夠為用戶提供備用電源，具有輔助設(shè)備簡單，廠用電少，啟動速度快等優(yōu)點，為系統(tǒng)黑啟動提供電源，提高供電可靠性和抵御自然災(zāi)害的能力。其移動性和靈活的特點尤其適用于地震洪水等自然災(zāi)害后的恢復(fù)。
對于一些重要負(fù)荷或者供電可靠性很差的部分地區(qū)，在發(fā)生事故失去主網(wǎng)電源或者輸配電設(shè)備檢修時需要孤網(wǎng)運行，孤網(wǎng)容量較小，要求備用電源必須相應(yīng)速度快，儲能電站是最適合孤網(wǎng)供電的備用電源。
6、全球儲能發(fā)展前景展望
過去幾年，電網(wǎng)儲能市場的發(fā)展不夠集中。但是在未來幾年，隨著可再生能源的快速發(fā)展，電網(wǎng)儲能市場將迎來快速增長。據(jù)美國市場研究機構(gòu)NavigantResearch研究，預(yù)計到2024年，全球儲能技術(shù)收益將突破210億美元(約合人民幣1300.1億元)。
就應(yīng)用領(lǐng)域而言，隨著技術(shù)升級持續(xù)改變電網(wǎng)穩(wěn)定性、成本效益，儲能發(fā)展越來越受到可再生能源行業(yè)的歡迎。IHS預(yù)計，到2018年全球家庭光伏發(fā)電電池儲能裝機容量將達(dá)到900MW，其主要增長市場為德國、意大利與英國。電動汽車領(lǐng)軍者特斯拉在2015年4月在美國內(nèi)華達(dá)州建立了自己的電池工廠，預(yù)計2020年建成時，其年電池產(chǎn)量將達(dá)到35GWh。
就區(qū)域需求而言，由于對可再生能源并入電網(wǎng)的需求，亞洲將占據(jù)儲能領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。目前，電池儲能絕大多數(shù)被用到電網(wǎng)輸配環(huán)節(jié)，未來工業(yè)、商業(yè)、尤其是居民儲能的增長速度會高過電網(wǎng)儲能。
就技術(shù)路線而言，鋰離子電池是目前最具發(fā)展前景的技術(shù)。IHS預(yù)計，到2025年全球儲能裝置中，鋰電池將會占據(jù)超過80%。不僅是美國、日本，在南非、肯尼亞、菲律賓等其他國家的電池成本也在持續(xù)下降。到2025年，澳大利亞的儲能裝置安裝率將超過5%，成為全球蓄電池的領(lǐng)軍。
就中國而言，其儲能應(yīng)用市場前景很大。根據(jù)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016～2030年)》，到2020年示范推廣10MW/100MWh超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)、1MW/1000MJ飛輪儲能陣列機組、100MW級全釩液流電池儲能系統(tǒng)、10MW級鈉硫電池儲能系統(tǒng)和100MW級鋰離子電池儲能系統(tǒng)等一批趨于成熟的儲能技術(shù)。新一輪電力體制改革將為新能源分布式電源和儲能應(yīng)用打開市場。從經(jīng)濟(jì)性上看，儲能成本會隨著規(guī)?；瘧?yīng)用而快速下降，回收期逐漸縮短，并開始逼近贏利點。在該情況下，預(yù)計到2020年我國儲能市場累計裝機規(guī)模將超過50GW。
