中國儲能網(wǎng)訊：儲能技術(shù)是實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模接入，提高電力系統(tǒng)效率、安全性和經(jīng)濟性的關(guān)鍵技術(shù)，也是提高清潔能源發(fā)電比率，推動霧霾治理的有效手段。截至2015年底，全球儲能裝機總量約167GW，約占全球電力總裝機的2.9%；我國儲能裝機為22.8GW，約占全國電力總裝機的1.7%。預(yù)計到2050年，我國儲能裝機將達200GW，市場規(guī)模將達2萬億元以上。目前已有的儲能技術(shù)主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、鉛酸電池、鋰電池、鈉硫電池、液流電池及超級電容器等。不同的儲能技術(shù)適用于不同的應(yīng)用場合和領(lǐng)域，根據(jù)系統(tǒng)功率與放電時間，可以將儲能技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域分為能源管理、電力橋接和電能品質(zhì)管理三部分。未來儲能市場的發(fā)展將集中在分布式儲能、分布式光伏+儲能、微網(wǎng)等配網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)等領(lǐng)域。近年來中國儲能產(chǎn)業(yè)在項目規(guī)劃、政策支持和產(chǎn)能布局等方面均加快了發(fā)展的腳步，未來幾年隨著可再生能源行業(yè)的快速發(fā)展，儲能市場亦將迎來快速增長。不過我國儲能產(chǎn)業(yè)還處于發(fā)展的初級階段，尚以示范應(yīng)用為主，儲能商業(yè)化應(yīng)用面臨著儲能成本偏高、電力交易市場化程度不健全、儲能技術(shù)路線不成熟、缺乏儲能價格有效激勵等各方面的問題，可謂機遇與挑戰(zhàn)共存。
1、前言
儲能是指通過介質(zhì)或設(shè)備把能量存儲起來，在需要時再釋放出來的過程。儲能技術(shù)是解決可再生能源大規(guī)模接入和棄風(fēng)、棄光問題的關(guān)鍵技術(shù)；是分布式能源、智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必備技術(shù)；也是解決常規(guī)電力削峰填谷，提高常規(guī)能源發(fā)電與輸電效率、安全性和經(jīng)濟性的重要支撐技術(shù)。儲能技術(shù)可提高清潔能源發(fā)電比率，進而實現(xiàn)化石能源清潔高效利用，有效減少污染物的排放，對霧霾等環(huán)境問題的治理和改善人居環(huán)境將起到極大的推動作用。同時，儲能技術(shù)的發(fā)展關(guān)系到能源、交通、電力等多個重要行業(yè)的發(fā)展，尤其在當(dāng)今能源枯竭日益加劇、能源消費供求不平衡的大環(huán)境下，儲能能夠突破傳統(tǒng)能源模式時間與空間的限制，其重要作用日益凸顯，已成為主要發(fā)達國家競相發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。
我國能源體量大，但能源結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有一定的特殊性，西北部地區(qū)能源存量豐富，但需求較低，東南部人口密集，能源需求量較大，能源與需求存在地域上的錯位。而儲能產(chǎn)業(yè)是能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵和推手，加快儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對推動經(jīng)濟發(fā)展和建設(shè)健康的能源產(chǎn)出與消費體系具有重要意義。在現(xiàn)階段，社會各界對儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的認(rèn)識及重視程度逐漸深入，越來越多的專業(yè)技術(shù)與商業(yè)投資人士都認(rèn)為，儲能行業(yè)的發(fā)展對國民經(jīng)濟各行各業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。同時，政府部門也通過科技創(chuàng)新和多種鼓勵政策來推動儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，通過部署多個資助項目和示范項目，逐步培育和推動儲能技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用。
2、主要的儲能技術(shù)
目前已有的儲能技術(shù)主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、鉛酸電池、鋰電池、鈉硫電池、液流電池及超級電容器等。
①抽水蓄能電站在用電低谷時通過水泵將水從低位水庫送到高位水庫，從而將電能轉(zhuǎn)化為水的勢能存儲起來；在用電時，水的重力勢能驅(qū)動水輪機發(fā)電。
②壓縮空氣儲能系統(tǒng)的原理是在用電低谷將空氣壓縮并存于儲氣室中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能存儲起來；在用電高峰，高壓空氣從儲氣室釋放驅(qū)動透平發(fā)電。
③飛輪儲能是將能量以飛輪的轉(zhuǎn)動動能的形式存儲起來，充電時飛輪由電機帶動飛速旋轉(zhuǎn)，放電時相同的電機作為發(fā)電機由旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動產(chǎn)生電能。
④超導(dǎo)儲能是將電流導(dǎo)入環(huán)形電感線圈，由于該環(huán)形電感線圈由超導(dǎo)材料制成，因此電流在線圈內(nèi)可以無損失地不斷循環(huán)，直到導(dǎo)出為止，進而達到儲能的目的。
⑤鉛酸電池的工作原理是放電時，正極的二氧化鉛與硫酸反應(yīng)生成硫酸鉛和水，負(fù)極的鉛與硫酸反應(yīng)生成硫酸鉛；充電時，正極的硫酸鉛轉(zhuǎn)化為二氧化鉛，負(fù)極的硫酸鉛轉(zhuǎn)化為鉛。
⑥鋰電池的工作原理是在充電時鋰原子變成鋰離子，通過電解質(zhì)向碳極遷移，在碳極與外部電子結(jié)合后作為鋰原子儲存；放電時整個過程逆轉(zhuǎn)。
⑦液流電池內(nèi)的正、負(fù)極電解液由離子交換膜隔開，電池工作時，電解液中的活性物質(zhì)離子在惰性電極表面發(fā)生價態(tài)的變化，進而完成充放電。
⑧鈉硫電池放電時鈉離子通過電解質(zhì)，而電子通過外部電路流動產(chǎn)生電壓；充電時整個過程逆轉(zhuǎn)，多硫化鈉釋放正鈉離子，反向通過電解質(zhì)重新結(jié)合為鈉。
⑨超級電容是基于多孔炭電極/電解液界面的雙電層電容，或者基于金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔锉砻婵焖?、可逆的法拉第反?yīng)產(chǎn)生的準(zhǔn)電容來實現(xiàn)能量的儲存。
各類儲能技術(shù)的原理如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)對比見表1。
3、儲能關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢
不同的儲能技術(shù)在概念與原理上差異很大，因而其關(guān)鍵科學(xué)問題與技術(shù)難點也有所不同，表2給出了不同儲能技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢。我國各種儲能技術(shù)的成熟度也有所不同，均處于不同的發(fā)展階段(見表3)。
4、儲能技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域分析
不同的儲能技術(shù)有著不同的性能特點，適用于不同的應(yīng)用場合和領(lǐng)域。美國能源部發(fā)布的《儲能規(guī)劃報告》(EnergyStoragePlanningDocument)中對儲能技術(shù)適用領(lǐng)域進行了分析，根據(jù)不同儲能技術(shù)的系統(tǒng)功率與放電時間，可以將儲能技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域分為能源管理、電力橋接和電能品質(zhì)管理三部分，如圖2所示。其中抽水蓄能和壓縮空氣儲能是公認(rèn)的能夠適用于較大規(guī)模(10MW級以上)的儲能技術(shù)，可應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè)，以取代昂貴的調(diào)峰電站，達到能源管理的目的。同時，一些儲能技術(shù)在電網(wǎng)其他方面的應(yīng)用也有一定的潛力，如鉛酸電池、鋰電池、液流電池、鈉硫電池和高能超級電容等化學(xué)儲能技術(shù)，系統(tǒng)功率范圍一般為千瓦級至10MW級，且放電時間多為分鐘級，因此主要用于電力橋接領(lǐng)域，如短時的電力系統(tǒng)調(diào)峰和能量調(diào)度。飛輪、超級電容和超導(dǎo)儲能技術(shù)因其具有較快的響應(yīng)且系統(tǒng)功率與放電時間均較小，具有很好的靈活性，一般用于電能品質(zhì)管理領(lǐng)域，例如輔助服務(wù)與電壓支持等。
具體來說，儲能技術(shù)在電力行業(yè)發(fā)、輸、配、用的各個環(huán)節(jié)均有不同的應(yīng)用，見表4。在發(fā)電端，傳統(tǒng)發(fā)電領(lǐng)域可以進行輔助動態(tài)運行、取代或延緩新建機組；在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域主要用于削峰填谷、跟蹤計劃出力和爬坡率控制；在輸配電領(lǐng)域的主要應(yīng)用包括無功支持、環(huán)節(jié)線路阻塞、延緩輸配電擴容升級以及作為變電站直流電源；在電網(wǎng)輔助服務(wù)領(lǐng)域的主要應(yīng)用包括調(diào)頻、電壓支持、調(diào)峰和作為備用容量；同時，儲能技術(shù)在用戶側(cè)可以用于分時電價與容量費用管理，提高電力可靠性和電能質(zhì)量等。
5、儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
我國儲能產(chǎn)業(yè)還處于發(fā)展的初級階段，以示范應(yīng)用為主，與發(fā)達國家的產(chǎn)業(yè)化進程相比還有一定的差距。截至2015年底，全球儲能裝機總量約為167GW，約占全球電力總裝機的2.9%；我國儲能裝機為22.8GW，約占全國電力總裝機的1.7%。根據(jù)國際能源署(IEA)的預(yù)計，到2050年全球儲能裝機將達到800GW以上，占電力總裝機的比例將提高到10%～15%，市場規(guī)模將達數(shù)萬億美元。而我國到2050年儲能裝機將達到200GW，市場規(guī)模將達2萬億元以上，我國對儲能的需求巨大且迫切。
在物理儲能領(lǐng)域，抽水蓄能和壓縮空氣儲能是發(fā)展最快的兩種儲能技術(shù)。抽水蓄能是全球裝機規(guī)模最大的儲能技術(shù)，占全球總儲能容量的98%，日本、中國、美國的裝機位列全球前三位。抽水蓄能的單機規(guī)模已達300MW級，是目前發(fā)展最為成熟的一種儲能技術(shù)。壓縮空氣儲能目前已在德國(Huntorf321MW)和美國(McIntosh110MW，Ohio9×300MW，Texas4×135MW和Iowa200MW項目等)得到了規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用。在新型壓縮空氣儲能方面，國際上只有中國科學(xué)院工程熱物理研究所(1.5MW超臨界壓縮空氣儲能、10MW先進壓縮空氣儲能)、美國GeneralCompression公司(2MW蓄熱式壓縮空氣儲能)、美國SutainX公司(1.5MW等溫壓縮空氣儲能)和英國HighviewPower公司(兆瓦級液態(tài)空氣儲能)4家機構(gòu)具備了兆瓦級的生產(chǎn)設(shè)計能力。在國內(nèi)壓縮空氣儲能技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化方面，中國科學(xué)院工程熱物理研究所處于絕對領(lǐng)先地位。該研究所于2013年建成國際首套1.5MW示范系統(tǒng)，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化；2016年建成國際上唯一一套10MW級研發(fā)平臺。同時還獲批建設(shè)國家能源大規(guī)模物理儲能技術(shù)研發(fā)中心，相關(guān)成果獲得北京市科學(xué)技術(shù)獎一等獎、聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織全球可再生能源領(lǐng)域最具投資價值領(lǐng)先技術(shù)“藍(lán)天獎”等。
在化學(xué)儲能領(lǐng)域，鉛酸電池因其技術(shù)成型早、材料成本低等優(yōu)勢，是目前為止發(fā)展最為成熟的一種化學(xué)電池，截至2015年，全球鉛蓄電池的儲能應(yīng)用規(guī)模達到了111.1MW。中國是鉛酸電池的第一大生產(chǎn)國和使用國。鋰電池在全球范圍內(nèi)已成為最具競爭力的化學(xué)儲能技術(shù)，幾年來發(fā)展勢頭迅猛，2013～2015年鋰電池全球裝機翻倍，是應(yīng)用規(guī)模增速最快的化學(xué)儲能技術(shù)。目前鋰離子電池用于儲能電站的單一電站容量已達到64MW·h的水平。近年來液流電池的發(fā)展較為平穩(wěn)，全釩液流電池和鋅溴液流電池的應(yīng)用較多，主要應(yīng)用于大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)領(lǐng)域。國際上主要的液流電池研發(fā)機構(gòu)包括大連融科、住友電工、UniEnergyTechnologies、ImergyPowerSystems等，其中日本住友電工2016年在日本Hokkaido投運的15MW/60MW·h液流電池儲能示范電站，是目前投運的規(guī)模最大的液流電池儲能項目。鈉硫電池近三年的發(fā)展速度較為緩慢，日本NGK公司是唯一實現(xiàn)鈉硫電池產(chǎn)業(yè)化的機構(gòu)。2015年NGK公司的鈉硫電池儲能系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)事件后，NGK公司逐步改進了電池結(jié)構(gòu)并加強安全性研發(fā)，目前仍然引領(lǐng)著全球鈉硫電池的發(fā)展。中科院上海硅酸鹽研究所在中國鈉硫電池領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先水平，近年來也逐步改進電池材料，研發(fā)新一代的鈉硫電池，在國際鈉硫電池研發(fā)領(lǐng)域具有很強的競爭力。
近年來，中國儲能產(chǎn)業(yè)在項目規(guī)劃、政策支持和產(chǎn)能布局等方面均加快了發(fā)展的腳步，可以說中國儲能產(chǎn)業(yè)已漸露春意，正蓄勢待發(fā)。中國抽水蓄能行業(yè)發(fā)展相對緩慢，而電化學(xué)儲能市場的增速明顯高于全球市場，光熱儲能目前尚處于起步階段。得益于技術(shù)進步和成本減低，在目前無補貼的情況下，儲能在峰谷價差套利、輔助服務(wù)市場及可再生能源限電解決方案上已經(jīng)實現(xiàn)了有條件的商業(yè)化運行。據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)項目庫的統(tǒng)計，2016年有多個大型項目規(guī)劃或投運，中國新增投運儲能項目規(guī)模28.5MW，儲能裝機規(guī)模保持持續(xù)快速增長態(tài)勢。同時，能源政策密集出臺，儲能已逐步成為規(guī)劃布局的重點領(lǐng)域，地方政府也隨之布局儲能項目與示范，助推當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。在未來幾年里，隨著可再生能源行業(yè)的快速發(fā)展，儲能市場亦將迎來快速增長。
6、結(jié)語
伴隨著化石能源的日益枯竭和能源需求的加速增長，以可再生能源與新能源技術(shù)為代表的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在興起，并將持續(xù)改變世界能源格局。全球范圍內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整已成為能源領(lǐng)域面臨的重要問題?？稍偕茉磁c新能源技術(shù)在當(dāng)前形勢下，不僅代表著一種新興技術(shù)的發(fā)展，同時在全球范圍內(nèi)對現(xiàn)有傳統(tǒng)經(jīng)濟與能源發(fā)展模式、新的制造體系等一系列傳統(tǒng)發(fā)展格局都有著深遠(yuǎn)的影響。
未來儲能市場的發(fā)展將主要集中在分布式儲能、分布式光伏+儲能、微網(wǎng)等配網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)等領(lǐng)域。國家能源局在2016年4月發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030年)》中表示，到2020年示范推廣10MW/100MW·h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)。伴隨電力體制改革的不斷深入，儲能也將收獲更多的市場機會。不過我國儲能產(chǎn)業(yè)距離整體健康發(fā)展還有一定的距離，儲能商業(yè)化應(yīng)用面臨著儲能成本偏高、電力交易市場化程度不健全、儲能技術(shù)路線不成熟、缺乏儲能價格有效激勵等各方面的問題。因此，當(dāng)前儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可謂機遇與挑戰(zhàn)共存。
本文來源
《儲能發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析》
《中外能源》第22卷第4期2017年4月
劉英軍，劉暢，王偉，胡珊，郝木凱，徐玉杰，劉嘉，吳艷
（工業(yè)和信息化部產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進中心，北京；中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京）
