傳統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)如何運作？
傳統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)通過電力調(diào)度自動化系統(tǒng)，采集電廠的發(fā)電數(shù)據(jù)，給每個發(fā)電廠分配發(fā)電任務。此外電網(wǎng)公司還設有調(diào)度員，負責根據(jù)用電需求和電力設備的過載能力調(diào)整發(fā)電量，實現(xiàn)發(fā)、輸、供、用電平衡。例如，在電力供應緊張時期，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)達的年代，停電成了家常便飯。而對于連續(xù)運轉(zhuǎn)的工業(yè)化企業(yè)而言，停電會造成極大地經(jīng)濟損失。
如何顛覆？
在廣泛采用儲能技術(shù)后，國家電網(wǎng)的電力需求將大幅下降。
在發(fā)電側(cè)，我國傳統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)以火電為主，未來隨著儲能技術(shù)的進一步發(fā)展，風能、太陽能等新能源電力將能夠有效存儲，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)將成為儲能產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的受益者。
在售電側(cè)，隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模儲能的電廠將不再依賴電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度，將多余的電力存儲起來售賣；分布式發(fā)電家庭也能夠?qū)⒋鎯Φ碾娔茈S心出售，而不必局限于上傳電網(wǎng)。同時，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從電網(wǎng)購電，而在電價升高時使用存儲電能。這些改變與我國“售電側(cè)改革”和“輸配電價改革”的意見精神不謀而合。
全球儲能系統(tǒng)
談到儲能，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)級儲能的要求。目前世界占比最高的是抽水蓄能，其總裝機容量規(guī)模達到了127GW，占總儲能容量的99%，其次是壓縮空氣儲能，總裝機容量為440MW，排名第三的是鈉硫電池，總?cè)萘恳?guī)模為316MW?，F(xiàn)有的儲能系統(tǒng)主要分為五類：機械儲能、電氣儲能、電化學儲能、熱儲能和化學儲能，下面對這些儲能系統(tǒng)進行介紹。
1、機械儲能
機械儲能包括：抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能。
抽水蓄能
目前最成熟的大規(guī)模儲能方式是抽水蓄能，它需要配建上、下游兩個水庫。在負荷低谷時段抽水蓄能設備處于電動機工作狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存，在負荷高峰時設備處于發(fā)電機工作狀態(tài)，利用儲存在上游水庫中的水發(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、建設周期長和動態(tài)調(diào)節(jié)響應速度慢等因素的影響，抽水儲能技術(shù)的大規(guī)模推廣應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組?變速抽水蓄能機組分為交流勵磁變速抽水蓄能機組和閥控變頻抽水蓄能機組?目前，有人提出了將泵和水輪機合并為一體的可逆式水泵水輪機的新抽水蓄能機組結(jié)構(gòu)，有效提高了抽水蓄能電站建設的經(jīng)濟性，成為現(xiàn)代抽水蓄能電站應用的主要形式?2016年8月發(fā)改委出了個關(guān)于抽蓄電價的政策，以后可能會好些，但可以預見抽水儲能技術(shù)肯定不是儲能的發(fā)展趨勢。
北京十三陵抽水儲能電站
壓縮空氣儲能(Compressed Air Energy Storage)
壓縮空氣蓄能是利用電力系統(tǒng)負荷低谷時的剩余電量，由電動機帶動空氣壓縮機，將空氣壓入作為儲氣室的密閉大容量地下洞穴，當系統(tǒng)發(fā)電量不足時，將壓縮空氣經(jīng)換熱器與油或天然氣混合燃燒，導入燃氣輪機作功發(fā)電。
壓縮空氣儲能（CAES）成本較低，并且具有安全系數(shù)高?壽命長（20~40年）、響應速度快等特性?但CAES儲能密度低?依賴大型儲氣洞穴以及化石燃料燃燒污染是其主要的制約因素?目前，針對這些問題，CAES發(fā)展方向是積極開展新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研發(fā)，如等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)?地面壓縮空氣儲能系統(tǒng)?液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)?先進的絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)以及空氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)壓縮空氣儲能系統(tǒng)等?
無論國外還是國內(nèi)，未來5~10年是研究新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的技術(shù)成熟期，為了積極推進產(chǎn)業(yè)化和技術(shù)標準化，進行百兆瓦級別以上系統(tǒng)的技術(shù)驗證勢在必行?因此，百兆瓦級以上新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)的先進集成技術(shù)與控制技術(shù)在未來5~10年將成為主流?
CAES主要趨勢包括：儲熱的壓縮空氣儲能技術(shù)?液態(tài)空氣儲能技術(shù)?超零界空氣儲能技術(shù)?與燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)的壓縮空氣儲能技術(shù)?與可再生能源的耦合的壓縮空氣儲能技術(shù)等?與這些新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的新技術(shù)包括：多級高負荷向心透平技術(shù)?先進復合壓縮機技術(shù)?緊湊型大容量蓄冷/熱換熱器技術(shù)等?
德國Huntorf壓縮空氣儲能電站
飛輪儲能（Flywheel Energy Storage）
飛輪儲能是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動能的形式儲存起來。需要能量時，飛輪減速運行，將存儲的能量釋放出來。
飛輪儲能（Flywheel Energy Storage）原理
飛輪儲能關(guān)鍵技術(shù)：（1）安全可靠并且支持高速運行的軸承；（2）可以承受高速旋轉(zhuǎn)重力的轉(zhuǎn)子設計與材質(zhì)?因此，先進飛輪的設計在解決使用目的后，最重要的過程是功率與能量之間的合理設計，根據(jù)磁軸承承載特性與物理條件，同時轉(zhuǎn)換成具體的轉(zhuǎn)子形狀，確定的材質(zhì)與運行轉(zhuǎn)速?FES的儲能容量?自放電率等方面是制約飛輪儲能系統(tǒng)發(fā)展的重要因素?隨著日漸成熟的超導磁懸浮技術(shù)和單體并聯(lián)技術(shù)，飛輪儲能將逐漸克服現(xiàn)有的能量密度低?自放電率高等缺點，其應用領(lǐng)域?qū)⒅鸩綌U展到大型新能源電力系統(tǒng)的儲能領(lǐng)域?
在未來5到10年，飛輪儲能的發(fā)展趨勢視應用市場不同而不同?首先，與備用柴油發(fā)電機或是與老式互動式UPS共同配置的飛輪仍有其市場?但是隨著電子控制技術(shù)的突飛猛進，機械性的連接終將被先進的數(shù)字化電子自動化控制取代。未來的趨勢是飛輪獨立作為儲能單元，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)模應用于風力發(fā)電及其他新能源?而最大的市場將在電網(wǎng)調(diào)頻服務與電源質(zhì)量保障?這部分的應用隨著可再生能源并網(wǎng)的比例增加，對秒級的初級調(diào)頻服務的需求也相應增加?
2、電氣儲能
電氣儲能技術(shù)主要包括超級電容器儲能和超導儲能(SMES)。
超級電容器儲能
超級電容器儲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。超級電容器的發(fā)展很快，目前以石墨烯材料為基礎的新型超級電容器是市場熱點。
超級電容器具有容量大、功率密度高、免維護、環(huán)境友好型、壽命長及使用溫度范圍寬等優(yōu)點，成為一種新型電化學儲能單元，已在備用電源系統(tǒng)、便攜式電子設備和電動汽車領(lǐng)域廣泛應用。目前，超級電容器應用于具有間歇性、波動性的可再生能源，尤其是在平抑風電波動方面有著顯著效果。
能量密度低是超級電容器的最大瓶頸（通常是蓄電池的5%~15%），較難單獨提供能源?如何提高能量密度以及對高電壓工作環(huán)境的適應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能系統(tǒng)接入電網(wǎng)側(cè)，實現(xiàn)電能的平滑輸出和電網(wǎng)的削峰填谷?
Maxwell 超級電容器
超導儲能(Superconducting magnetic energy storage)
SMES是利用超導體的電阻為零特性制成的儲存電能的裝置。超導儲能系統(tǒng)大致包括超導線圈、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。超導材料技術(shù)開發(fā)是超導儲能技術(shù)的重中之重。超導材料大致可分為低溫超導材料、高溫超導材料和室溫超導材料。
不足之處：超導儲能的成本很高(材料和低溫制冷系統(tǒng))，使得它的應用受到很大限制?？煽啃院徒?jīng)濟性的制約，商業(yè)化應用還比較遠。
5mva超導儲能系統(tǒng)
3、電化學儲能
電化學儲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。目前在世界上應用廣泛，循環(huán)壽命可達1000次左右，效率能達到80%-90%，性價比高，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，可用容量會下降。其特點是能量密度低，壽命短。鉛酸電池今年通過將具有超級活性的炭材料添加到鉛酸電池的負極板上，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極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。主要應用于便攜式的移動設備中，其效率可達95%以上，放電時間可達數(shù)小時，循環(huán)次數(shù)可達5000次或更多。鋰離子電池具有比能量/比功率高?壽命長?充放電速度快?反應靈敏?轉(zhuǎn)換效率高等特點?鋰離子儲能電池主要需要解決的是安全性?壽命和低成本，這三個方面在很大程度上取決于其電極材料體系的選擇和匹配?因此如何選擇長壽命?高安全和低成本的材料體系是當前的鋰離子儲能電池的重要技術(shù)?
鈉硫電池：是一種以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的二次電池。循環(huán)周期可達到4500次，放電時間6-7小時，周期往返效率75%，能量密度高，響應時間快。目前在日本、德國、法國、美國等地已建有200多處此類儲能電站，主要用于負荷調(diào)平，移峰和改善電能質(zhì)量。不足之處：因為使用液態(tài)鈉，運行于高溫下，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，儲存的能量取決于儲存罐的大小，因而可以儲存長達數(shù)小時至數(shù)天的能量，容量可達MW級。這個電池有多個體系，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；電池對環(huán)境溫度要求太高；價格貴（這個可能是短期現(xiàn)象吧）；系統(tǒng)復雜（不像鋰電等非液流電池那么簡單）。
4、熱儲能
熱儲能系統(tǒng)中，熱能被儲存在隔熱容器的媒介中，需要的時候轉(zhuǎn)化回電能，也可直接利用而不再轉(zhuǎn)化回電能。熱儲能又分為顯熱儲能和潛熱儲能。熱儲能儲存的熱量可以很大，所以可利用在可再生能源發(fā)電上。
不足之處：熱儲能要各種高溫化學熱工質(zhì)，用用場合比較受限。
5、化學類儲能
化學類儲能：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。德國熱衷于推動此技術(shù)，并有示范項目投入運行。
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：太陽能燃料電池；SMES：超導儲能；Flywheel：飛輪； Capacitor/ Supercapcitor：電容/超級電容；AL-TES：水/冰儲熱/冷系統(tǒng)；CES：低溫儲能系統(tǒng)；HT-TES：儲熱系統(tǒng)。
各類儲能技術(shù)的成熟度及優(yōu)缺點對比
美國2017-2022年儲能市場
近期，GTM Research發(fā)布了《U.S. Energy Storage Monitor: 2016 Year in Review and Q1 2017 Executive Summary》研究報告，根據(jù)GTM Research的預測，美國儲能市場規(guī)模將從2016年的221MW增長到2022年的2.6GW，增幅達12倍。到2022年，美國儲能市場規(guī)模預期達到33億美元，與2016年相比有近10倍的增長。其中2017-2022年的儲能市場累計收入將達到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能產(chǎn)業(yè)政策經(jīng)驗，制定和發(fā)布儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標和儲能激勵計劃，儲能將在美國更多地區(qū)以更為廣泛的方式得以應用。未來，儲能在美國市場的應用將呈現(xiàn)出以調(diào)頻輔助服務和工商業(yè)用戶側(cè)為引領(lǐng)，以調(diào)峰和容量應用為新增長點的多元化發(fā)展局面。
中國新能源儲能市場
2016年上半年中國新增投運儲能項目規(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。在新增投運的9個項目中，格爾木時代新能源光儲電站項目和科陸電子甘肅玉門風光儲項目因規(guī)模分別達到15MW和10MW，成為其中的代表項目。除了多個項目建成投運，2016年上半年更為引入注目的是中國企業(yè)對于規(guī)劃部署儲能項目的大力度和高熱情。據(jù)CNESA項目庫的統(tǒng)計，僅2016年上半年，中國已公布的儲能項目建設規(guī)劃累計規(guī)模已經(jīng)達到600MW。
國內(nèi)部分電力儲能示范項目情況
以三星陽光、大連融科、南都電源、協(xié)鑫集成、猛獅科技為代表的儲能技術(shù)企業(yè)和系統(tǒng)集成商紛紛宣布了數(shù)十兆瓦至百兆瓦級的儲能項目規(guī)劃，涉及鋰離子電池、液流電池、鉛蓄電池等多種儲能技術(shù)，主要應用于電力調(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。可以預見，未來一到三年，隨著這些項目建成投運，中國儲能裝機規(guī)模將會保持持續(xù)快速增長之勢。
