文/劉堅(jiān)
儲(chǔ)能是指通過介質(zhì)或設(shè)備把能量存儲(chǔ)起來、在需要時(shí)再釋放的過程。廣義的儲(chǔ)能包括煤、石油、天然氣等化石能源以及電力、熱、氫、成品油等二次能源的存儲(chǔ)。狹義的儲(chǔ)能一般指儲(chǔ)電和儲(chǔ)熱。18世紀(jì)末期，隨著第一塊電池“伏特電堆”的出現(xiàn)，人們第一次把儲(chǔ)能與“電”聯(lián)系到了一起。19世紀(jì)的鉛酸電池揭開了工業(yè)儲(chǔ)能的序幕。進(jìn)入20世紀(jì)后，伴隨著電力行業(yè)的發(fā)展、消費(fèi)電子產(chǎn)品的普及、可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用，各種新型儲(chǔ)能技術(shù)層出不窮，其應(yīng)用也逐漸向大型化和能源工業(yè)發(fā)展。
儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻及系統(tǒng)備用，可再生能源發(fā)電出力平滑，分布式發(fā)電和微電網(wǎng)，工礦企業(yè)、商業(yè)中心等大型負(fù)荷中心應(yīng)急電源，無電地區(qū)和通訊基站供電，電動(dòng)汽車等場合。特別在近年來在智能電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電規(guī)模快速發(fā)展的帶動(dòng)下，儲(chǔ)能技術(shù)越來越成為多個(gè)國家能源科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)支持的焦點(diǎn)。
我國的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)雖然起步較晚，但在政府的支持下，近幾年的發(fā)展速度也令人矚目。為發(fā)展分布式發(fā)電和促進(jìn)可再生能源利用，我國強(qiáng)調(diào)儲(chǔ)能在分布式電源和微電網(wǎng)建設(shè)以及分布式可再生能源發(fā)電自發(fā)自用中的作用，并通過建設(shè)風(fēng)光儲(chǔ)等示范項(xiàng)目，探索提高間歇性能源并網(wǎng)的途徑。儲(chǔ)能技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用也從傳統(tǒng)的抽水蓄能逐漸向可再生能源并網(wǎng)、電動(dòng)汽車等新興領(lǐng)域延伸。
大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用潛力
儲(chǔ)能技術(shù)可分為物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能及相變儲(chǔ)能4大類。物理儲(chǔ)能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣和飛輪儲(chǔ)能?；瘜W(xué)儲(chǔ)能主要包括鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池和鈉硫電池等電池儲(chǔ)能技術(shù)。電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能。相變儲(chǔ)能主要指通過利用水等相變材料將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膬?chǔ)能方式。根據(jù)各種應(yīng)用場合對儲(chǔ)能功率和儲(chǔ)能容量的不同要求，各種儲(chǔ)能技術(shù)都有其適宜的應(yīng)用領(lǐng)域?？偟貋砜?，適合于大規(guī)模儲(chǔ)能的技術(shù)主要有抽水蓄能、壓縮空氣和鈉硫電池技術(shù)。近幾年來，隨著鋰離子電池技術(shù)的快速進(jìn)步，鋰離子電池逐步向用于分散儲(chǔ)能及規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域滲透。
物理儲(chǔ)能
抽水蓄能（Hydro Pump Energy Storage）是目前唯一成熟的大規(guī)模儲(chǔ)能方式，也是目前經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的儲(chǔ)能方式。抽水蓄能電站在電力負(fù)荷低谷期將水從低水位水庫抽到高水位水庫，將電能轉(zhuǎn)化成重力勢能儲(chǔ)存起來，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期通過釋放高水位水庫中的水來發(fā)電。由于抽水蓄能具有單位儲(chǔ)電成本低、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、運(yùn)行壽命長等特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和應(yīng)急備用等領(lǐng)域。然而，抽水儲(chǔ)能電站的選址受到地理因素和水資源的制約，項(xiàng)目建設(shè)工期長，并伴有移民及生態(tài)破壞等問題，影響了其進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)用。
壓縮空氣儲(chǔ)能(Compressed Air Energy Storage)是在電力負(fù)荷較低時(shí)，通過吸收電網(wǎng)中富余的電能來進(jìn)行空氣壓縮，并將其存儲(chǔ)在高壓容器（如巖洞、深井）中，在負(fù)荷高峰時(shí)對其釋放驅(qū)以動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。壓縮空氣儲(chǔ)能周期長，效率高，單位投資成本較低。但壓縮空氣儲(chǔ)能需要同燃?xì)廨啓C(jī)配套使用。此外，壓縮空氣與抽水蓄能類似，對地理?xiàng)l件的要求較高。
飛輪儲(chǔ)能(Flywheel Energy Storage)是一種利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪存儲(chǔ)能量的儲(chǔ)能技術(shù)。典型的飛輪儲(chǔ)能裝置包括高速旋轉(zhuǎn)飛輪、封閉殼體和軸承系統(tǒng)、電源轉(zhuǎn)換和控制系統(tǒng)等。飛輪儲(chǔ)能功率密度高，能量轉(zhuǎn)換率高，但大型飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)所需的高速低損耗軸承、散熱及真空技術(shù)仍有待提高。
電磁儲(chǔ)能
超導(dǎo)儲(chǔ)能（Superconducting Magnetic Energy Storage）利用超導(dǎo)線圈將電力通過勵(lì)磁轉(zhuǎn)化為磁場能存儲(chǔ)，需要時(shí)再反輸電網(wǎng)。超導(dǎo)儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)包括能量轉(zhuǎn)化率高、響應(yīng)速度快等。但超導(dǎo)儲(chǔ)能成本高，能量密度低，且運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性仍有待提高。
超級(jí)電容(Super Capacitor Energy Storage)通過雙層電極將電解液中異性離子吸附于極板表面，從而形成雙電層電容。由于電荷層間距非常?。?mm以下），且極板由特殊材料制成以增加其表面積，從而大幅增加了其儲(chǔ)電能力。超級(jí)電容結(jié)構(gòu)簡單，過充、過放性能好，但能量密度低，充放電存在一定的效率損失，且設(shè)備成本高。電磁儲(chǔ)能主要應(yīng)用在UPS、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性等靈活響應(yīng)要求高、充放電頻繁的領(lǐng)域。
化學(xué)儲(chǔ)能
化學(xué)儲(chǔ)能，即電池儲(chǔ)能，主要通過電池正負(fù)極的氧化還原反應(yīng)來進(jìn)行充放電。電池系統(tǒng)通常由電池、交直流逆變器及控制輔助裝置組成，目前在小型分布式發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。
作為技術(shù)相對成熟的化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，鉛酸電池(Lead Acid Battery)具有價(jià)格低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于車用電池、分布式發(fā)電及微電網(wǎng)系統(tǒng)。然而，目前鉛酸電池的發(fā)展受到循環(huán)壽命短、不可深度放電、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用高和失效后的回收難題，使得鉛酸電池在電網(wǎng)級(jí)規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域仍然頗具爭議。
鈉硫電池(Sodium Sulfur Battery)以鈉和硫分別用作陽極和陰極。氧化鋁陶瓷同時(shí)起隔膜和電解質(zhì)的雙重作用。在一定的工作溫度下，鈉離子透過電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應(yīng)，形成能量的釋放和儲(chǔ)存。鈉硫電池最大的特點(diǎn)是：比能量密度高，是鉛酸電池的3-4倍；可大電流、高功率放電；充放電效率高，硫和鈉的原料資源儲(chǔ)量豐富，便于電池的量化生產(chǎn)。鈉硫電池的不足之處在于其運(yùn)行溫度高達(dá)300℃-350℃，需要附加供熱設(shè)備來維持溫度，且其正、負(fù)極活性物質(zhì)的強(qiáng)腐蝕性，對電池材料、電池結(jié)構(gòu)及運(yùn)行條件的要求苛刻。此外，由于鈉硫電池僅在高溫下運(yùn)行，造成啟動(dòng)時(shí)間很長，這在一定程度上制約了其在風(fēng)電、光伏等間歇性能源發(fā)電并網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用。
液流電池(Redox Flow Battery)是電池的正負(fù)極或某一極活性物質(zhì)為液態(tài)流體氧化還原電對的一種電池。根據(jù)活性物質(zhì)不同，主要的液流電池種類包括鋅溴電池、多硫化鈉/溴電池及全釩液流電池3種，其中全釩液流電池被認(rèn)為是較具應(yīng)用前景的液流儲(chǔ)能電池技術(shù)。全釩液流儲(chǔ)能電池具有循環(huán)壽命長、蓄電容量大、能量轉(zhuǎn)換效率高、選址自由、可深度放電、系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、安全環(huán)保、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。在輸出功率為數(shù)千瓦至數(shù)十兆瓦，儲(chǔ)能容量數(shù)小時(shí)以上級(jí)的規(guī)?；潭▋?chǔ)能場合，液流電池儲(chǔ)能具有明顯優(yōu)勢，是可再生能源大規(guī)模儲(chǔ)能的理想方式。液流電池的主要缺點(diǎn)為能量密度及功率密度較低，且成本較高。液流電池的大規(guī)模應(yīng)用依賴批量化生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)，通過進(jìn)一步降低成本、提升性能滿足液流電池商業(yè)化的需要。
鋰離子電池(Lithium-ion Battery)分為液態(tài)鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)兩類。液態(tài)鋰離子電池是指鋰離子嵌入化合物為正、負(fù)極的二次電池。電池正極采用鋰化合物，如鈷酸鋰（LiCoO2）或錳酸鋰（LiMn2O4）等，負(fù)極采用鋰—碳層間化合物。鋰離子電池具有比能量和能量密度高、額定電壓高、放電功率高、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好等優(yōu)點(diǎn)。但鋰離子電池耐過充/放電性能差，組合及保護(hù)電路復(fù)雜，電池充電狀態(tài)很難精確測量。此外，鋰電池成本相對于鉛酸電池等傳統(tǒng)蓄電池偏高，單體電池一致性及安全性仍無法完全滿足目前電力系統(tǒng)大規(guī)模儲(chǔ)能的需要。
商業(yè)化政策支持
從歐美日實(shí)施的儲(chǔ)能項(xiàng)目和發(fā)展規(guī)劃來看，多個(gè)國家都將支持開發(fā)合適本國能源特點(diǎn)的儲(chǔ)能技術(shù)，通過示范項(xiàng)目累計(jì)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新、研發(fā)和應(yīng)用，并以此為基礎(chǔ)開展儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性研究，促進(jìn)儲(chǔ)能商業(yè)化和市場化發(fā)展。
美國的儲(chǔ)能政策設(shè)計(jì)較為全面，其對儲(chǔ)能的支持政策包括儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（如《美國能源部2011-2015儲(chǔ)能計(jì)劃》）、儲(chǔ)能示范項(xiàng)目財(cái)政支持（如《聯(lián)邦政府復(fù)興與再投資法》、儲(chǔ)能電價(jià)支持（如《聯(lián)邦能源管理委員會(huì)第745號(hào)令-電力批發(fā)市場中對需求響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償》）、儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝稅收減免（如《美國加州自發(fā)電激勵(lì)政策（SGIP-CA）》）和儲(chǔ)能系統(tǒng)配制比例標(biāo)準(zhǔn)（如《聯(lián)邦能源管理委員會(huì)第719號(hào)令》）5個(gè)方面。此外，美國聯(lián)邦政府不斷通過立法強(qiáng)化能源稅收減免激勵(lì)制度和可再生能源配額制（RPS）以保障可再生能源的健康發(fā)展，同時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)受到更多的關(guān)注，特別是在加州、夏威夷等可再生能源應(yīng)用規(guī)模較大的地區(qū)，儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)成為重要的可再生能源發(fā)電的配套設(shè)施。奧巴馬的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)法案中，美國能源部安排了28億美元支持汽車用電池和電動(dòng)汽車研究開發(fā)。美國政府制定的儲(chǔ)能政策具有連續(xù)性，早期對儲(chǔ)能的支持源于能源政策且重點(diǎn)在于支持儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)，隨后與新能源政策緊密相連且在技術(shù)研發(fā)和促進(jìn)示范應(yīng)用兩方面并重。未來美國的儲(chǔ)能政策也將把繼續(xù)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)運(yùn)行作為支持的重心。
德國一直以來強(qiáng)調(diào)新能源與可再生能源的發(fā)展。特別在日本福島核電事故后，德國提出了無核化要求。可再生能源由于清潔和對外依賴程度低等特性，成為了替代核電的首選。德國制定的目標(biāo)是到2020年實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電占比達(dá)35%，2050年達(dá)到100%。宏大的可再生能源發(fā)電目標(biāo)為儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊平臺(tái)。今年5月1日，德國復(fù)興銀行（KFW）聯(lián)合德國聯(lián)邦環(huán)境、自然保護(hù)和核反應(yīng)堆安全部（BMU）支持分布式光伏儲(chǔ)能的新政生效，政策針對小于30kW的光伏設(shè)施，給予新安裝光伏發(fā)電同步建設(shè)的儲(chǔ)能設(shè)施最高不超過600歐元的補(bǔ)貼，既有光伏發(fā)電加裝儲(chǔ)能設(shè)施給予每千瓦最高不超過660歐元的補(bǔ)貼，成為全球分布式可再生能源發(fā)電儲(chǔ)能補(bǔ)貼的先行者。
日本能源資源匱乏，較早開始有計(jì)劃地推進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的開發(fā)。在福島事故后日本產(chǎn)經(jīng)省先后出臺(tái)了《革新的能源及環(huán)境戰(zhàn)略》《電力事業(yè)主體進(jìn)行可再生能源電力調(diào)節(jié)的特別措施法》等文件，明確了將要大力發(fā)展分布式及可再生能源發(fā)電，支持蓄電池、燃料電池等儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)，并給予安裝家用儲(chǔ)能系統(tǒng)的住戶、企業(yè)一定的資金支持。日本的儲(chǔ)能政策具有前瞻性、高效性的特點(diǎn)。日本政府相繼出臺(tái)了儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)資金支持、儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和儲(chǔ)能電價(jià)支持。此外，日本政府對可再生能源、分布式發(fā)展規(guī)劃也間接扶持了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
我國近年來大力發(fā)展可再生能源和分布式發(fā)電，鼓勵(lì)新能源電源并網(wǎng)。近期我國以建設(shè)儲(chǔ)能示范項(xiàng)目為依托，檢驗(yàn)儲(chǔ)能技術(shù)對可再生能源發(fā)電并網(wǎng)、電力系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰及電力系統(tǒng)備用的效果。相關(guān)科技發(fā)展規(guī)劃則專注于儲(chǔ)能材料和儲(chǔ)能技術(shù)在分布式、可再生能源發(fā)電項(xiàng)目中的系統(tǒng)集成技術(shù)。在我國現(xiàn)行的能源政策和電力市場框架下，近期的儲(chǔ)能扶持政策仍將主要圍繞在智能電網(wǎng)、可再生能源發(fā)電、分布式發(fā)電及微電網(wǎng)、農(nóng)村電網(wǎng)升級(jí)改造及電動(dòng)汽車領(lǐng)域。我國現(xiàn)行的上網(wǎng)端峰谷電價(jià)對儲(chǔ)能發(fā)展的激勵(lì)作用有限，而大工業(yè)用戶的兩部制電價(jià)鼓勵(lì)用戶錯(cuò)峰用電的電力管理需求，一定程度上激勵(lì)了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 (作者單位:國家發(fā)改委能源研究所)
