基于SWOT分析的智能電網蓄電池儲能技術比較

翟衛青，黃曉艷

（平頂山學院， 河南 平頂山 467000）

基于SWOT分析的智能電網蓄電池儲能技術比較

翟衛青，黃曉艷

（平頂山學院， 河南 平頂山 467000）

智能電網中高性能蓄電池的應用可有效縮小晝夜峰谷差，降低輸配電網建設和設備投入成本，還可以減小甚至消除新能源接入帶來的功率波動，提高電網供電可靠性和供電質量.評估蓄電池儲能技術在智能電網建設中的技術經濟價值非常重要，本文試用SWOT戰略分析法對幾種常見的蓄電池儲能技術進行比較分析，可作為智能電網建設過程中蓄電池儲能技術的應用和產業發展的參考.

智能電網；蓄電池儲能技術；SWOT 分析

1 概述

1.1 智能電網及主要儲能技術概述

伴隨著經濟社會的快速發展，全國范圍內能源優化配置和可再生能源的大規模集中并網，要求電網結構更加堅強合理，控制自動化程度更高更靈活，經濟效益更好，有利于環境保護.智能電網(Smart Grid)，是以特高壓電網為骨架、各級地域電網協調發展的堅強電網為基礎，以高速雙向通信網絡平臺為支撐，具有信息化、自動化、互動化特征，包括發電、輸電、變電、配電、用電和調度各環節，覆蓋所有電壓等級，能夠實現“電力流、信息流、業務流”高度一體化融合的現代化電網.我國的智能電網建設內涵主要由“”堅強可靠、經濟高效、清潔環保、透明開放、友好互動“幾個方面構成[1].

以蓄電池為代表的儲能技術已被業界視為智能電網運行中“發—輸—配—用”四大環節的重要組成部分.智能電網引入儲能環節后，可有效實現需求側管理，將有助于打破新能源的接入和消納的瓶頸，緩解電網運行中的峰谷差造成的調峰壓力，降低配套線路容量的投資建設需求，消除新能源接入帶來的功率波動，提高電網供電可靠性和供電質量，對城市智能配電網的規劃和建設等都具有重要意義.電網中的儲能系統按其具體方式可以分為電磁、物理、電化學和相變儲能等四大類型.其中電磁儲能包括超級電容、高密度電容、超導儲能；物理儲能包括抽水儲能、飛輪儲能和壓縮空氣儲能；電化學儲能包括鉛酸、鎳氫、鎳鉻、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲能；相變儲能包括冰蓄冷儲能等[2].

1.2 應用于儲能技術比較的 SWOT戰略分析法概述

SWOT戰略分析法，又稱為態勢分析法或優劣勢分析法，是由美國舊金山大學的管理學教授史·提勒于 20世紀 80年代初提出的，是一種能夠較客觀、全面、準確地分析和研究一個企業（或項目）的實際運轉情況，從而提出有針對性的對策的戰略分析方法[3].運用這種方法，可以對研究對象所處的情景進行全面、系統、準確的研究，從而根據研究結果制定相應的發展戰略、計劃以及對策等.S、W、O、T四個英文字母分別代表：優勢 (Strength)、劣勢(Weakness)、機會(Opportunity)、威脅(Threat).利用這種分析方法，可以從中找出對本企業（項目）有利的、值得發揚的因素，以及不利的、需要回避的因素；可以將問題按輕重緩急分類，明確哪些是必須馬上解決的問題，哪些是可以留待日后解決的問題，哪些屬于戰略目標層次的問題，哪些屬于戰術層次的問題.在發現存在問題的基礎上，通過構建SWOT矩陣，把各種因素相互匹配起來加以分析，從中得出一系列相應的結論，有利于決策者做出較正確的戰略規劃和合理制定戰略對策.SWOT戰略分析法最根本的著眼點是企業（項目）在現有的內部條件和外部環境下，如何最優地運用自身資源，爭取更大的發展成效.

2 蓄電池儲能技術用于智能電網的SWOT分析

2.1 蓄電池儲能技術的優勢[4]

相對于其他集中大規模儲能技術而言，蓄電池儲能具有以下一些優勢：

2.1.1 應用方便靈活

蓄電池儲能裝置不需要抽水蓄能儲能和壓縮空氣儲能等特殊的地質環境，無需通過遠距離的通道即可方便并網.且其能量密度較高、占地面積小（相同規模僅釩電池占地稍大），可以靈活地安裝于電網中的任何位置，就近調節電網負荷和改善電網運行.特別是可以應用于用地緊張而負荷又集中的城市電網的配電側，具有其他儲能技術所不具備的優勢.

2.1.2 響應和調節速度快

電池儲能裝置采用電力電子技術實現并網，具有快速的功率吞吐能力和靈活的四象限調節能力，能夠快速地跟蹤電網負荷波動進行調節，其相應速度達到毫秒級，可以與超級電容儲能、超導磁儲能等新型儲能技術相媲美.所以蓄電池儲能技術可以應用于電力調峰，同時為系統提供頻率控制和快速功率響應等輔助服務.

2.1.3 單體工程容量選擇靈活

目前各類蓄電池儲能的大容量集成技術已經獲得了重大突破，各類示范工程也取得了成功的運行經驗，單個儲能電站的應用規模可以小到數千瓦級，大到幾十兆瓦，所以既可以采用小容量分布式置于電網中的各個位置對電網進行調節和控制，也可以大容量地集成于較高電壓等級電網中，集中改善電網運行.也可以作為大型的 UPS為重要用用戶提供不間斷供電，或者做成移動式電源車等.

2.1.4 技術相對成熟

目前主流的幾種蓄電池儲能技術的大容量集成技術均已達到了商業應用標準，成為技術成熟度僅次于抽水蓄能和壓縮空氣儲能的新型儲能技術，同時要比其他幾種新型儲能技術（如超導磁儲能、飛輪儲能、超級電容器儲能）要成熟許多.

2.2 蓄電池儲能技術的劣勢[5]

蓄電池儲能技術具有其他儲能技術所不具備的優勢，但是它也存在自身的一些劣勢：

2.2.1 單位造價相對較高

由于制造技術和應用規模兩方面的限制，使得目前的蓄電池儲能系統的單位造價偏高.目前造價最低的鉛酸蓄電池儲能系統，但是由于環保方面的原因，其應用受到一定限制.對于其他幾種蓄電池，如鈉硫電池、鋰離子電池、鎳氫電池和釩電池，目前的造價在 300～600萬元／MW·h（其中鎳氫電池和釩電池造價最高，鋰離子電池其次，鈉硫電池造價最低），相對于抽水蓄能等儲能技術，其造價相對偏高，但仍比超級電容器儲能和超導磁儲能等儲能技術的造價要低.

2.2.2 轉換效率有待提高

目前蓄電池儲能的循環轉換效率在 70%～80%之間（其中鎳氫電池和鋰離子電池為 75%～80%，鈉硫電池為 75%左右，釩電池為 70%左右），遠低于其他的儲能技術（壓縮空氣儲能的轉換效率可達90%，飛輪儲能的轉換效率甚至可達到 90%以上，超導磁儲能的轉換效率更是高達 96%以上，抽水蓄能的轉換效率也在 70%～85%之間).

2.2.3 使用壽命需要進一步延長

目前各類蓄電池儲能中，除了釩電池的循環壽命可達 1萬次以上，其他蓄電池都在 5000次左右，其申鉛酸電池的壽命最短.鎳氫和鋰離子電池的壽命高于 2500次，鈉硫電池的更高一些，超過 4500次.可見蓄電池的單位造價偏高的主要原因是由其循環壽命偏低導致的.一般而言，蓄電池單體的循環壽命要遠比其集成之后的循環壽命要高，所以關鍵在于提高蓄電池組的集成技術，當蓄電池的使用壽命提高一倍時，就相當于其造價降低一半.

2.3 蓄電池儲能技術面臨的機遇

自從 2011年霧霾天氣籠罩大半個中國以來，節能減排變得日趨緊迫，新能源發電技術的日漸成熟和大面積推廣，儲能技術應運而生，各方面的因素給蓄電池儲能技術帶來了前所未有的機遇：

2.3.1 能源缺口和環境壓力促進了新能源和儲能的聯合發展

傳統能源面臨枯竭，溫室效應和霧霾天氣等環境保護壓力越來越大，使得我國加大了可再生能源的開發力度.近年來，我國新能源發電技術發展迅猛，產業規模和市場化進程逐年提高.截至 2012年年底，全國風電裝機并網容量達到 6083萬 kW，2012年全年發電量達到 1004億 kW·h，太陽能發電裝機容量達到 367萬 kW，2012年全年發電量達到 35億 kW·h，其他新能源裝機容量約 803萬kW，為全國提供了大量清潔電力[6].

新能源雖是大勢所趨，但大量可再生能源的顯著特點是隨機性、不可控性、波動性，而我國新能源資源豐富的地區恰恰在中西部，必須通過接入大電網輸送到東部沿海經濟發達地區才能實現其經濟和社會價值.此前設想的諸如風電場匹配火電、水電的聯合發電模式，技術上難度較大、經濟效能也不夠理想，原因就在于一般的抽水蓄能電站的反應速度根本跟不上可再生能源的功率變化，而蓄電池儲能則可以快速地充放電，平抑新能源電力的波動，改善電能質量，所以靠蓄電池儲能技術來解決新能源發電帶來的功率波動問題是一個很有前景的途徑.

2.3.2 電網運行中的調峰壓力需要儲能措施實現調峰

城市建設和居民生活水平的提高，使得電網負荷以較高的速度增長，也使用電峰谷差日趨增大，電網和電源側調峰壓力日益緊張.而電網中絕大部分的調峰只能依靠常規電廠即燃煤電廠來承擔，需要增加煤耗甚至火電機組實現輪班運行才能滿足要求，使得機組啟停費用大大增加，嚴重降低了電力系統的經濟性.利用儲能裝置實現削峰填谷，可大大降低電力系統的峰谷差，提高系統供電保證率，減小拉閘限電次數和時長，同時改善電力系統火電、核電機組的運行條件，使這些機組能基本上保持在高效率區穩定運行，在運行過程中不必頻繁增減出力或開停機組，從而降低單位煤耗，減輕環保壓力.而蓄電池儲能技術除了可完成以上任務外，還可以安裝于配電側就地調峰，減少電網建設所需的容量以及減少系統的網絡損耗.

2.3.3 電動汽車的發展促進蓄電池產業的規模化發展[7]

與傳統的汽柴油燃料汽車相比，電動汽車以電能為動力源，以鋰離子高性能電池為代表的儲能裝置能量密度高，壽命長，環保效益很好.從目前國際市場來看，電動汽車的研發一直也是各大汽車集團花費巨資投入研發的新興領域.例如，日本豐田于1997年 12月發布的全球首款量產油電混合動力汽車 PRIUS已累計銷售 300萬輛，美國特斯拉汽車公司于 2013年底推出的特斯拉 Model S在續航里程和操控性方面很是引人矚目.我國的汽車企業和高校、科研院所等 200多家單位也投入了大量的人力、財力和物力研發電動汽車，這些技術上的研究也相繼列入國家 863等重大科技產業工程項目，國內以比亞迪等為代表的廠商積極研發，比亞迪并于 2013年底推出以“秦”為代表的搭載雙引擎雙模技術的混動動力車型.國務院又于 2012年 6月發布了《節能與新能源汽車產業發展規（2012—2020年）》，保證了在未來的幾年還會繼續加大這方面的投入和重視力度.此外，在基礎技術方面和電動車的基礎設施（主要是充電設施）上，各電網公司也開始對業務模式進行有意義的嘗試：比如南方電網公司已在深圳市投入了 3000余萬元建設城市電動車充電站項目，國家電網公司將在上海、北京、天津等大城市建設充電站，服務于純電動公交車和家用轎車.

隨著電動汽車技術的日趨成熟，蓄電池產業的生產規模持續擴大，促使蓄電池的單位功率造價明顯降低，將會帶動蓄電池儲能技術在電網中的應用.而商業運行的電動汽車充電站，可以同時儲備一定容量的用于客戶隨時更換的蓄電池，使得充電站兼具電池儲能站的功能，而這些蓄電池可優先選擇負荷低谷時充電，負荷高峰時向電網供電，起到削峰填谷作用.若技術上完全實現雙向有序的電能轉換（V2G），電動汽車甚至可以作為電能存儲設備、備用電源設備來使用.

2.4 蓄電池儲能技術面對的威脅

蓄電池儲能技術在其不斷發展進步的過程中，也面臨著其他儲能技術的競爭壓力及環境風險，其所面臨的威脅主要來自于以下幾個方面：

2.4.1 蓄電池儲能技術研發支持政策支撐力度不夠

技術與政策、市場是緊密相連密不可分的.不論是國內還是放眼全球，儲能技術的應用市場前景是極其廣闊的，尤其近年來不乏大宗資金的投入參與，大大促進了儲能技術的進步.但由于我國儲能產業發展進步較晚，政策支持長期未予明晰.我國僅在 2011年 3月發布的《國民經濟和社會發展第十二個五年發展規劃綱要》的第十一章第 3節“加強能源輸送通道建設”中明確提及要發展儲能技術，對電動汽車的普及補貼也聲明要逐年減少.而在儲能領域研究起步較早的美國，僅 2009年上半年該國政府就撥款 20億美元用于支持包括大規模儲能技術的電池技術研發，2009年下半年又累計撥款 26億美元用于電動汽車、智能電網規模化儲能相關技術的研發.

2.4.2 用戶對蓄電池儲能技術的疑慮

由于以往鉛酸蓄電池給用戶留下的印象就是壽命短、污染大、不經濟，而對于新型的蓄電池技術，許多用戶認為這些新型電池的性能被夸大.以電動汽車為例，盡管目前電動汽車的性能已經達到了一個基本能接受的水平，但是一方面其續航里程短，充電比加油麻煩費時；另一方面其目前的造價比常規汽車要高，而且使用壽命參差不齊，使得大部分用戶都不敢購買電動汽車.同理，對于蓄電池儲能，公眾對蓄電池技術存在的疑慮使得其不敢輕易投資蓄電池儲能業務，一些對供電可靠性要求較高的用戶來說，雖然蓄電池作為 UPS有著無可媲美的優勢，但是由于對目前蓄電池儲能投術的疑慮，他們更寧愿選用常規的多路電源的方式來提高供電可靠性.所以如果蓄電池儲能技術在這個逐步讓公眾認知的過程中，不能很好地保證質量和性能給公眾一個良好的印象的話，無疑是對蓄電池產業的一個沉重的打擊，從而阻礙蓄電池儲能技術的發展.

2.4.3 電價體系尚不完善

隨著電網側、發電端、用戶方面越來越認識到儲能技術的特殊作用，儲能技術與儲能產業也引起了諸多研究人員和投資者的關注.但是由于電力價格政策不到位，儲能產業還缺乏合理的投資回報機制：一是峰谷電價，峰谷電價差是投資儲能的基本收入來源，歐美日等國家和地區都有成熟的峰谷電價政策，而我國除極少數地區有零星的分時電價外基本沒有實施峰谷電價.二是儲能電價，由于儲能技術提高了發電設備的利用小時數和電能質量，增強了電網調峰能力，節省了電力系統投資，促進了新能源技術發展，又產生了顯著的減排效果，因此應對儲能環節制定單獨的電價政策.但我國目前沒有專門的儲能電價，儲能設施建設和運行成本尚無可靠的分擔渠道.

3 智能電網中幾種常用的蓄電池儲能技術SWOT分析比較

目前技術成熟度比較高、發展呼聲高尚的幾種蓄電池主要包括鎳氫、鋰離子、鈉硫、釩電池，它們在蓄電池領域互有優劣，各自適合應用于各種不同的場合；所以它們未來的發展也斷臨著不同的機遇和威脅，它們的 SWOT分析對比見下表.

鉛酸蓄電池 鎳氫電池 鋰離子電池 鈉硫電池 釩電池優勢1、比功率大；2、技術成熟，可靠性高；3、造價不高、原材料易于獲得；4、 對環境溫度要求不高. 1、比功率大；2、快速充放性能好；3、大容量技術成 熟；4、 環保性能好. 1、比功率大；2、比容量大；3、 環保性能好；4、 循環效率高；5、自放電率低；6、造價不高. 1低4長6劣勢1、比容量小；2、環保性能差；3、 快速充放能量效率低； 4、非免維護型運行維護麻煩.5、循環壽命短. 1、自放電反應高；2、循環壽命偏低；3、比容量偏低；4、快速充放能量效率低；5、成本偏高. 1、循環壽命偏低；2、大容量集成缺乏成熟經驗. 1需雜、比容量大；2、造價；3、 環保性能好；、循環效率高、壽命；5、 自放電率低；、可大功率放電. 1、 額定功率和容量獨立， 使用靈活；2、自放電率極低；3、循環壽命長；4、調節速度快.、存在安全隱患；2、保溫，運行維護復. 1、 比容量低， 體積大；2、對環境溫度要求高；3、成本偏高.機遇1、可作動力電池；2、適合風電與光伏等新能源儲能.非常適合動力電池. 1、可作動力電池；2、可作大容量儲能. 1、 適合城市電網大容量儲能調峰；2、可作動力電池.適合風電與光伏等新能源儲能威脅 1、在動力電池領域有鋰離子電池、鎳氫電池競爭.在動力電池領域有鋰離子電池競爭. 1、 在動力電池領域有鎳氫電池競爭；2、在大容量儲能領域有鈉硫電池競爭. 1、保溫困難；2、 運行維護專業性強不利推廣. 1、比容量有待提高；2、成本較高.

4 結論

本文通過對國家環境政策、電力技術發展現狀、儲能技術現狀等多角度將其他儲能技術與蓄電池儲能技術進行了對比，同時對幾種不同的蓄電池儲能技術建立了 SWOT矩陣做了簡要分析.最后得出如下結論：（1） 蓄電池儲能技術的發展主要依賴于國家能源政策的引導作用，發展初期尤其需要國家政策對該技術研發和推廣的支持，不能全靠市場的調配作用；（2） 電池儲能的推廣應用依賴于電池壽命長短、所需原材料的獲得難易程度、環保問題的解決等因素，這些都直接受到電池制造相關關鍵技術的制約，只有具備良好經濟性的技術才具有獲得商業化運行的可能性；（3） 智能電網中峰谷電價的合理設定，是影響大規模蓄電池儲能設施投放的經濟誘導因素.

〔1〕劉振亞.智能電網技術[M].北京：中國電力出版社，2010.

〔2〕蔣凱,等.幾類面向電網的儲能電池介紹[J].電力系統自動化，2013，37（1）：47～53.

〔3〕黃淑娟.郴州電力公司市場營銷策略研究[D].長沙：湖南大學，2013.

〔4〕嚴曉輝,等.我國大規模儲能技術及其應用[J].中國電力，2013,46（8）:22～29.

〔5〕俞國勤.電力能源轉換與儲存[M].北京：中國電力出版社，2011.

〔6〕國家電網能源研究院.2013 中國新能源發電分析報告[M].北京：中國電力出版社，2013.

〔7〕許曉慧,等.電動汽車及充換電技術[M].北京：中國電力出版社，2012.

TN619

A

1673-260X（2014）08-0042-04

2013 年度河南省科技重點攻關計劃項目（132102210440）