分布式儲能的發展現狀與趨勢*

陳海生　劉　暢　齊智平　中國科學院工程熱物理研究所　北京　0090　中國科學院電工研究所　北京　0090

分布式儲能的發展現狀與趨勢*

陳海生1劉暢1齊智平2
1中國科學院工程熱物理研究所北京100190
2中國科學院電工研究所北京100190

儲能技術是解決可再生能源間歇性和不穩定性、提高常規電力系統和區域能源系統效率、安全性和經濟性的迫切需要，是發展“安全、高效、低碳”的能源技術、占領能源技術制高點的“戰略必爭領域”，儲能在分布式可再生能源應用與智能微網領域具有重大的戰略需求、重要的研究價值和巨大的發展潛力。文章分析了分布式儲能技術現狀、技術創新及其發展對相關產業的帶動，并結合分布式儲能的技術與產業特點給出了發展儲能技術的政策建議。

儲能，分布式可再生能源，智能微網

1　儲能技術的戰略意義

我國能源生產和消費總量均已居世界前列，且持續增長［1］；同時，我國已向國際社會莊嚴承諾，2020 年非化石能源比重達到 15%，單位 GDP 的 CO2排放量比 2005 年降低 40%—45%［2］。既保障經濟快速發展中的能源安全，同時又兌現溫室氣體減排的國際承諾，是我國能源發展的重大戰略任務。但我國在能源供給和利用上還存在結構不合理、利用效率不高、可再生能源開發利用比例低、能源安全利用水平有待進一步提高等問題，發展“安全、高效、低碳”的能源技術勢在必行［2］。

儲能是指通過介質或設備把能量存儲起來，在需要時再釋放出來的過程［3］。它是解決可再生能源間歇性和不穩定性、提高常規電力系統和區域能源系統效率、安全性和經濟性的迫切需要，是發展“安全、高效、低碳”的能源技術、占領能源技術制高點的“戰略必爭領域”［4，5］，對于保障電網安全、提高可再生能源比例、提高能源利用效率、實現能源的可持續發展均具有重大的戰略意義。

儲能是實現分布式可再生能源應用的重要技術。利用儲能可以實現可再生能源平滑波動、跟蹤調度輸出、調峰調頻等，使可再生能源發電穩定可控輸出，滿足可再生能源電力的大規模接入并網的要求。儲能是實現分布式可再生能源大規模接入的必然選擇［7-9］。儲能也是智能微網的重要技術。智能微網的規模比大電網小，因此負荷波動率和故障率相對較高，分布式儲能是提高其供電可靠性、提高電能質量、負荷平衡和應急電源等的必備關鍵技術［7-9］。儲能技術在分布式可再生能源應用與智能微網領域具有重大的戰略需求、重要的研究價值和巨大的發展潛力。

2　分布式儲能（儲電和儲熱）技術現狀

儲能的技術類型有多種，適于可再生能源發電和智能微電網的電力儲能技術包括：抽水蓄能、壓縮空氣儲能、鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池、超級電容器、飛輪儲能、超導儲能等。近年來，隨著可再生能源發電和智能電網技術及應用的快速發展，電力儲能技術及其應用也得到了快速發展。就當前各類電力儲能技術的發展水平而言，總體上講，面臨兩方面的問題：成本高和技術不夠成熟。因此，除了抽水蓄能，其他電力儲能技術還沒有實現大規模應用。在分布式可再生能源應用中，儲熱技術可以用于太陽能熱儲存、微型燃氣輪機發電余熱儲存、電力調峰熱儲存等，通過儲熱實現能源的梯級利用，從而提高能源利用效率。根據儲熱原理可以把儲熱技術分為顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學儲熱三大類。

就現存的各種儲能技術而言，很難說哪種儲能技術最好，每種儲能技術都有它的優勢和不足，因此，各種儲能技術各有其適用場合，當多種儲能技術在電網中互補應用時，它們的潛力可以得到充分發揮，是更加理想的應用方式，也是解決電網規模不斷擴大、可再生能源發電大量接入、電網安全穩定和電能質量等問題的有效技術路徑。隨著能源、環境問題的日益突出，可再生能源發電接入電網的比例會越來越高，儲能技術將在電網中、用戶端、風電場、光伏電站等場合發揮重要的或者不可替代的作用，這將成為儲能發展應用的新機遇。

近年來，世界各國都很重視對儲能領域的投資，截至 2014 年 8 月5日，全球累計實施儲能項目1 000 個，主要集中在北美、東亞和西歐等地區，設計裝機容量達到 184 170 兆瓦。目前已有 60 個國家實施了儲能項目，儲能項目數量排名前10位的國家及其主要技術類型如圖 1 所示。其中美國擁有的儲能項目最多，項目類型涉及鋰離子電池、抽水蓄能、鉛酸電池、液流電池、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、超級電容器等技術。中國實施項目數量排名第 2，主要是鋰離子電池和抽水蓄能技術的應用。

圖1　主要儲能項目類型及國家分布

美國擁有全球近一半的儲能示范項目，2013 年投運了幾個裝機規模較大的項目，如 AES（美國愛依斯電力公司）位于 Dayton 市的 40 兆瓦調頻項目、毛伊島 10 兆瓦風電場項目等，使其全球裝機規模首次超越日本，位居第1。歐洲近幾年計劃大力推動可再生能源發電，德國、英國、法國、西班牙等國相繼在 2013 年開展了若干項目，涉及輸配、智能城市、海島微網等領域，特別是德國目前已有 30 兆瓦的儲能項目獲得補貼。日本儲能項目裝機容量僅次于美國，僅 NGK 公司的裝機量就超過了300 兆瓦。

中國儲能項目近兩年發展較快，分別在可再生能源并網、分布式發電和微網以及電動汽車等領域部署了一些儲能項目。從應用上看，按裝機容量分，儲能在可再生能源并網領域的比例最高，占 51%，電力輸配、分布式發電及微網和輔助服務也是應用的重點領域，分別占比 19%、8% 和 16%。隨著越來越多的示范項目在中國運行，預計到 2020 年，中國儲能市場規模將達到約 136.97吉瓦，占 2020 年全國發電總裝機量 1 800 吉瓦的 7.6%。

儲能技術在分布式可再生能源接入與智能電網技術發展領域仍具有一定的挑戰。從技術角度來看，關鍵材料、制造工藝、能量轉化效率是各種儲能技術面臨的共同挑戰，在規模化應用中還需進一步解決穩定、可靠、耐久性問題。一些影響儲能技術規模化應用的重大技術瓶頸還有待解決。抽水蓄能技術進一步的攻關重點在于大型抽水蓄能電站選址技術、高壩工程技術、高水頭大容量水泵水輪機、新型發電機技術、智能調度與運行控制技術等。壓縮空氣儲能技術的進一步攻關重點在于高溫儲熱技術、新一代液化空氣儲能技術、超臨界壓縮空氣儲能技術等。飛輪儲能的技術攻關重點在于高強度復合材料技術、高速低損耗軸承技術、高速高效發電/電動機技術、飛輪儲能并網功率調節技術、真空技術等。化學電池儲能中關鍵材料制備與批量化和規模化需進一步取得突破，包括：電解液、離子交換膜、電極、模塊封裝、密封等。超級電容器高性能材料和大功率模塊化技術以及超導儲能中新型超導材料、液氮與 200K 溫區超導帶材技術、超導限流-儲能系統等裝備技術均尚需進一步突破。儲熱技術中低品位熱能的儲存和利用比較成熟，如儲熱供暖、熱水供應以及冰儲冷制冷等，高品位儲熱以及高效余熱回收利用是今后的發展方向。中高溫儲熱技術和深冷儲冷技術在可再生能源發電和節能中具有巨大應用需求，目前這些技術還存在儲熱材料與儲熱器的相容性問題、儲熱器的優化傳熱問題、成本及安全性問題等。研究開發新型寬溫域儲熱材料、新型高效儲熱裝置和儲熱系統的優化配置與管理是解決這些問題的關鍵。

圖2　各種儲能技術的應用領域分析

圖3　各種大容量電力儲能技術的能量密度比較

圖4　各種儲能技術的效率和循環壽命分析

電力儲能技術用于大容量儲能場合，具有各自的技術和經濟特性，適用于不同的應用場合。圖 2—5 是美國儲能技術協會給出的對各種儲能技術從適用性、能量密度、功率密度、循環壽命、成本等方面的比較分析。

儲熱技術類型較多，可按照儲熱溫度大致分成三類：中高溫儲熱技術、低溫儲熱技術和深冷儲熱技術，各類儲熱技術性能如表 1 所示。

低溫儲熱技術相對比較成熟，但能源轉換效率一般較低。高溫儲熱技術有利于提高能源綜合利用效率，但還存在一些技術瓶頸問題，如熱交換器等。近年來，國內外對土壤源儲熱技術開展了大量的研究，太陽能-土壤源熱泵系統是其中的一種典型應用，太陽能地下存儲技術被認為是跨季節儲熱的最佳方案之一。國內外在相關理論和應用方面都有了較大的進展。

圖5　各種儲能技術的成本分析

3　分布式儲能的技術創新

在能源系統中應用儲能，可以帶來多方面的效益，如提高能源的利用效率，提高電網的穩定性、可靠性和電能質量，有效提高可再生能源接入電網的比例等，儲能在未來智能電網中將發揮重要作用。然而，目前大多數儲能技術還存在技術、成本、環境、地理條件等制約，大規模應用儲能還有一定困難。采用智能化的系統管理與控制，優化儲能系統配置，對于建立可行的儲能的優化解決方案十分重要。

3.1能量型和功率型儲能的互補應用

電力儲能的應用分為兩種典型形式：能量和功率的支撐。功率支撐是指短時間內高功率輸出（秒到分鐘級）；能量支撐是指長時間內以小于或接近額定功率輸出（分鐘到幾小時）。就現有儲能技術而言，通常，能量型儲能裝置的單位功率成本相對較高，而功率型儲能裝置的單位能量成本相對較高。在分布式儲能應用中，一般儲能需提供多種服務，采用多種能量型和功率型儲能裝置互補應用，可以提高儲能系統的技術經濟性，獲得較高的投資效益。如將超級電容器與蓄電池互補可以形成具有高功率和高儲能容量的復合儲能系統，這種復合儲能系統的儲能規模可以分布在千瓦至數十兆瓦等級，由于所用的儲能技術成熟可靠，很可能會在許多場合得到率先應用。不過，要實現二者的有效結合，需要在儲能類型選擇、容量配置與協調控制等方面加強研究。

表1　各類儲熱技術性能

3.2基于熱電聯供系統儲熱支撐可再生能源集成

在熱電聯供系統中，應用儲熱可以實現供電和供熱的解耦，從而提高系統的運行靈活性。此外，儲電和儲熱還可以實現對電力市場的更高參與度。在區域供熱的情況下，儲熱是把熱水儲存在罐子里。常壓下，熱水的溫度在 95oC—98oC 之間，在壓力罐中熱水一般穩定在120oC—130oC，這種罐子一般在100 立方米—5 000 立方米，相應的儲熱能力是每個負載循環 10 兆瓦時—2 吉瓦時。常壓儲熱相對成本較低，而壓力儲熱的單位體積可以提高 30%—40% 的儲熱量。現今儲熱設施的運行策略是減少峰值負荷的運行，避免重復加熱。此外，在有熱網的情況下，采用熱電聯供可以降低供熱的價格。

3.3基于電動汽車電池的分布式儲能（V2G）

電動車的大規模推廣應用可以緩解石油供給緊張、減少碳排放、改善城市環境，而間歇性可再生能源電源并網又使人們對其作為移動儲能裝置充滿期待。插電式電動車和混合動力車的快速發展將給供電端的儲能提供新的解決方案。不管是用戶自己還是通過中間運營商，電動車車載電池可以作為分布式電源或者可調度負荷，通過調度，合理有序充放電，參與系統調峰等輔助服務，這就是目前研究熱點之一——車輛入電網技術（Vehicle-to-Grid，V 2G）。在峰谷時給電動汽車電池充電，這一方面可以減少峰谷時的儲能需求；另一方面，電動汽車電池可以提供供電端儲能的多種服務（圖6）。這是電動汽車充電的一種經濟有效的方法，不僅獲得低電價的充電，還能從為電網提高儲能的服務中獲利。

圖6　丹麥EDISON項目中VPP結構

3.4基于儲能的虛擬電廠

隨著分布式可再生能源和智能電網的快速發展，分布式電源（DG）將大量應用。由于 DG 存在容量小、數量多、分布不均衡、單機接入成本高、對系統操作員常不可見乃至管理困難等問題，大量 DG 的接入將給電網的穩定運行帶來許多技術難題，如潮流改變、線路阻塞、電壓閃變、諧波影響等。另外，目前“安裝即忘記”的操作方式以及電力市場容量的限制也阻礙了 DG 的大規模并網。“微網”和“主動配電網”在一定程度上為上述問題提供了解決方案。但“微網”以用戶側 DG 就地應用為主要控制目標，受到地理區域的限制，對多區域、大規模 DG 的有效利用及在電力市場中的規模化效益，具有一定局限性。“主動配電網”在更大范圍內考慮 DG 的作用，能夠對配電網實施主動管理，但對 DG 能夠呈現給大電網及電力市場的效益考慮不足。“虛擬電廠”通過先進的控制、計量、通信等技術聚合配電網中一定區域內的 DG、儲能裝置、可控負荷（如電動汽車等），使其優化協調運行，使資源的配置和利用更加合理，作為一個特殊電廠參與電網運行和電力市場（圖 7）［10］。

圖7　西門子公司的基于DER的虛擬電廠概念

由于“虛擬電廠”可實現電源側 DG 發電、儲能充放電和可控負荷的優化管理，可以達到減少儲能需求的目的。

3.5風光-壓縮空氣儲能技術

風光互補發電系統是利用當地風能和太陽能發電機組集成為一體的發電系統。利用風能與太陽能的互補性，同時為了緩解波動性的風光給電網造成的沖擊，現將風光互補發電系統同壓縮空氣儲能整合（圖8）。系統中太陽能集熱/蓄熱裝置采用拋物槽式太陽能集熱系統，蓄熱介質采用導熱油，蓄熱溫度可達 500oC 左右。壓縮機采用級間冷卻結構，利用風電將空氣壓縮至80×105帕—200×105帕。高壓儲氣罐采用恒壓與恒容兩種結構。圖 8中太陽能和壓縮空氣儲能系統中的壓縮熱，也可用于提供熱水或作為其他用途的熱源。

4　分布式儲能的發展及其對相關產業的帶動

近年來，分布式發電得到了快速發展，截至 2012 年5 月，國家電網公司經營區域內的 35 千伏及以下分布式發電項目共有 9 776 個，裝機容量 3 384 萬千瓦，占全國總裝機容量的 3.5%，按照國家能源規劃，到 2020 年分布式發電的裝機容量將到達 2.1 億千瓦，占全國總裝機的 11%。儲能作為分布式發電和微網關鍵支撐技術，應用前景十分廣闊，這也將帶動儲能技術及其產業的發展。

圖8　風光互補的壓縮空氣儲能與發電一體化系統流程圖

儲能作為分布式可再生能源發電和智能微網的關鍵支撐技術，特別是在基于可再生能源的分布式發電和微網系統中，儲能更是不可或缺的。在分布式發電和微網系統中儲能的作用體現在：提高可再生能源發電和微網系統穩定性，提高供電可靠性，改善電能質量，削峰填谷，提高調度靈活性，參與需求響應等。儲能在分布式發電和微網系統中除了參與系統運行控制，還可以產生相應的經濟效益，在分時電價機制下，利用儲能實現盈利；利用儲能降低用戶受電變壓器容量費用，實現盈利；利用儲能提供用戶需求響應能力，幫助用戶降低高峰負荷的用電量，賺取需求響應服務費等。

目前，在分布式發電和微網中應用最多的化學電池是鋰離子電池。由于鉛酸電池價格相對便宜，技術成熟，應用份額也比較高，約占現有應用總容量的 27%。液流電池和鈉硫電池作為新興的、高效的大容量電力儲能電池，在規模較大的分布式發電和微網系統中有一定的應用前景。此外，飛輪儲能和超級電容器儲能應用分布式發電和微網系統穩定控制具有明顯優勢，小型先進壓縮空氣儲能系統用于能量管理和削峰填谷，具有一定的應用前景。由于儲能價格昂貴，大部分需求響應項目只考慮蓄冷和蓄熱，未采用電池儲能技術。

根據對大規模儲能技術發展現狀及應用需求的分析，結合規模化應用所需的儲能技術指標，預期各類儲能技術發展路線圖如圖 9 所示。

隨著政策引導和市場需求的牽引，預期將發展形成一大批從事各類型儲能技術研發、制造、建設、運營的相關企業，并帶動一系列新興高新技術產業的快速發展。

（1）新材料產業。大多數儲能技術的性能都與其所用的材料性能密切相關。如電池的電極和電解質材料、超級電容器電極和電解質材料、儲熱材料、飛輪轉子材料等，都對儲能的能量密度、功率密度、循環壽命、環境友好性等有著重要的影響。儲能技術及其市場的快速發展，將帶動一大批各類新材料產業的發展。

（2）特種零部件及其特種加工裝備產業。儲能系統是一種新型能源裝備，需要高速旋轉、高溫、高壓、真空等特殊運行條件，要實現這些運行條件，需要一些特殊零部件的支撐，如高速飛輪儲能用的磁懸浮軸承，先進壓縮空氣儲能系統的高溫、高壓裝置，鈉硫電池儲能系統的高溫裝置等，因此，儲能技術及其市場的快速發展，將帶動一批特種零部件及其特種加工裝備產業的發展。

（3）專用控制裝備產業。儲能在智能電網、能源互聯網、分布式發電和微網系統中可以實現多方面的作用，如提高系統穩定性、改善電能質量、削峰填谷、參與需求側響應等，需要一系列專用控制設備的支撐，專用控制裝備將作為儲能技術的重要產業方向。

（4）各類儲能系統研發、制造產業。在實際應用中，儲能系統需根據實際應用需求，進行專門的設計和研發。而儲能技術多種多樣，儲能用途多種多樣。優選儲能技術，優化系統設計，需要專業化的機構進行儲能系統優化設計和研發與制造，這將催生一批專業化的儲能研發制造產業的發展。

圖9　各類儲能技術發展路線圖

5　分布式儲能的政策保障和制度創新

中國分布式儲能支持政策的制定要符合中國的國情、體現中國電力系統的特點和發展方向、還要結合中國儲能技術研發和應用現狀以及未來的發展趨勢。綜合我國儲能政策的問題，大規模儲能發展政策措施主要集中在建立主管職能部門、完善管理體制、出臺激勵政策 3 個方面。中國分布式儲能政策的創新主要從 4 個方面入手：宏觀政策、電價機制、技術標準和推動示范與應用。

（1）宏觀政策。應立刻著手制定儲能的短期和中長期發展規劃，確立規模、發展目標、資金投入、技術方向、應用類型的計劃并持續修正完善，使產業的發展有序、有重點、有目標。

（2）電價機制。首先應該出臺全國的峰谷電價政策，適時出臺分布式儲能補貼電價、需求響應補貼電價、風電儲能補貼電價、調頻輔助服務電價等，使儲能的應用價值得以合理的核算。儲能電價補貼應該考慮設定一個電價激勵的要求細則，避免產能過剩，并隨著儲能的規模化應用逐步降低直至退出。

（3）技術及標準。標準是技術發展的基礎，需要盡快制定各種儲能技術的行業標準和國家標準；同時制定儲能的電網接入標準，明確儲能技術進入電力系統的基本條件，為技術發展指明方向。

（4）推動示范與應用。出臺專門針對儲能的研發資金政策，對技術研發的系統化管理和引導；出臺儲能技術引導基金政策，將政府資金和風投機構的專業服務結合起來，扶持儲能技術向產業化發展；在儲能技術逐步成熟后，適時出臺創新技術研發資金政策，使我國在全球儲能技術領域能夠保持先進性和領先地位。

1 國家能源局. 國家能源科技“十二五”規劃（2011—2015）. 2011.

2 溫家寶. 凝聚共識， 加強合作， 推進應對氣候變化歷史進程. 溫家寶總理在哥本哈根聯合國氣候大會上的講話， 2009.

3 Energy Storage Council： http：//www.energystoragecouncil.org/.

4 國家科技部. 國家“十二五”科學和技術發展規劃. 2012.

5 國務院. 國發〔2012〕28號“十二五”國家戰略性新型產業規劃. 2012.

6 國家能源局. 可再生能源發展“十二五”規劃. 2012.

7 全國工商聯儲能專業委員會. 儲能產業研究白皮書2012. 2012.

8 全國工商聯儲能專業委員會. 儲能產業研究白皮書2013. 2013.

9 全國工商聯儲能專業委員會. 儲能產業研究白皮書2014. 2014.

10 陳春武， 李娜， 鐘朋園， 等. 虛擬電廠發展的國際經驗及其實.電網技術， 2013， 37 （8） ： 2258-2263.

陳海生中科院工程熱物理所副所長、研究員、國家能源大規模物理儲能研發中心首席科學家、科技部“863”項目首席專家。1997年本科畢業于西安交通大學，2002年在中科院工程熱物理所獲博士學位。曾在比利時布魯塞爾自由大學、北京航空航天大學、英國利茲大學工作，2009年入選中科院“百人計劃”，2012年入選“萬人計劃——青年拔尖人才”，2013年入選“萬人計劃——中青年科技創新領軍人才”，主要研究領域包括新型大規模物理儲能系統、限定空間尺度流動與傳熱、葉輪機械內部流動及損失控制機理等。E-mail： chen_hs@mail.etp.ac.cn

Chen HaishengBEng PhD， is currently a professor w ith Institute of Engineering Thermophysics （IET） at Chinese Academy of Sciences（CAS）. He joined IET-CAS in 2009 as a “100-Talent Program” professor after previous em ployments w ith University of Leeds， IET-CAS，Vrije University of Brussels， and Beihang University. He has been elected to China National High-level Personnel of Special Support Program“10000-Talent Program”. He is now the deputy director of IET， director of National R&D Centre of Large Scale Physical Energy Storage and principal investigator of “863” project. He has been working on large scale physical energy storage system， flow & heat transfer in confined space， and fluid dynam ics and loss mechanism of internal flow of turbomachinery. E-mail： chen_hs@mail.etp.ac.cn

Developing Trend and Present Status of Distributed Energy Storage

Chen Haisheng1Liu Chang1Qi Zhiping2
（1Institute of Engineering Thermophysics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China；2Institute of Electrical Engineering， Chinese Academ y of Sciences， Beijing 100190， China）

Energy storage technology is considered to be the urgent needs of solving instability and interm ittent of renewable energy， as well as improving the system efficiency， security， and economy of traditional power system and district energy systems. Its status can be regarded as the strategic location in developing safe， highly efficient， and low-carbon energy technology for seizing the energy technical commanding point. In the field of intelligent m icrogrid and application of distributed renewable energy， energy storage technology has significant strategic demands and research values， and an enormous potential for development. Many energy storage technologies have rapid developments w ith distributed renewable energy generation and intelligent microgrid technology， in the fields of which， energy storage technology encounter lots of problems such as high-cost and immaturity. Because of this， only pumped hydroelectric storage is applied in large-scale. However， the proportion of renewable energy connected with power system will increase w ith the issues of energy and environment， and energy storage technology w ill have an important and irreplaceable role to play in power grid， client terminal， w ind farm， and photovoltaic power station etc.， which provides a new opportunity for developing and applying energy storage technology. The area of innovation in energy storage technology includes complementary application of energy type and power type energy storage technologies， energy integration system based on CHP and thermal storage， vehicle-togrid （V 2G） technology， virtual power plant based on energy storage and compressed air energy storage w ith w ind-solar com plementary method. These energy storage technologies have their own features， advantages and application areas， and are gaining development rapidly. And some hi-tech and new industries， such as the new materials industry， specialized accessories and their processing equipment industry， special control equipment industry， and R&D and manufacturing industry， w ill be driven by them. At the same time， the development of energy storage technology in China cannot go w ithout the protection and innovation of energy storage policy which tightly linked w ith the national infrastructure. Building com petent functional department， im proving management system， and introducing incentive policy would be the leading political measures for developing energy storage technology and macro policy， electrical price mechanism， and the technologies & standards for upgrading the energy storage application to its maturity would be the focus of the policy innovation of distributed energy storage.

energy storage， distributed renewable energy， smart m icrogrid

10.16418/j.issn.1000-3045.2016.02.009

*資助項目：中科院學部咨詢項目“大力發展分布式可再生能源應用和智能微網”修改稿收到日期：2016年1月11日