儲能技術發展現狀研究

李允超， 宋華偉， 馬洪濤， 王寶玉， 薛 福

儲能技術發展現狀研究

李允超， 宋華偉， 馬洪濤， 王寶玉， 薛 福

（華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030）

對現有儲能技術進行了全面分析和系統總結，對各儲能技術特點進行了比較，對儲能技術未來發展方向進行了展望，認為近期大規模存儲仍依賴于抽水蓄能電站，其多用于電網調峰調頻和事故備用。飛輪儲能將圍繞不斷提高能量密度和降低成本進行。壓縮空氣儲能將在10MW以下級取得快速發展。電化學儲能中的新型電池如液流電池、鈉硫電池等將逐漸應用于大規模電站存儲中以削峰填谷和平滑電站出力。超導磁和超級電容儲能額定功率多在兆瓦級，如何降低成本增加壽命是關注重點。而熔融鹽蓄熱儲能會隨太陽能發電技術的發展不斷推進，同時開發具有更加優越性能的新型混合熔融鹽將是未來研究的方向。

儲能； 抽水蓄能； 壓縮空氣； 電化學儲能； 蓄熱

0 引言

儲能是指利用一定的媒介，將電能等能源以一定的形式進行存儲，在有利用需求時再將其釋放做功發電的技術。傳統利用化石能源的電站系統，其會根據用電需求進行發電、輸電和配電；而對于新型可再生能源（如風能、太陽能等）發電系統，受自然條件制約，其發電具有間歇性和波動性，直接并網運行會給電網造成很大的安全隱患。利用儲能技術，能很大程度解決太陽能、風能等可再生能源發電的波動性和間歇性問題，平滑電站出力，減小波動，提高電網運行的可靠性和安全性，同時使風能和光能等能源得以有效利用。此外，對于一些工業負荷和關鍵商業負荷，其對電網電能質量有較高要求，通過安裝儲能裝置，能夠保證用戶電能質量。儲能系統在電網削峰填谷、調頻調壓、負荷跟蹤、熱備用和電能質量管理等方面起著重要作用，同時促使可再生能源的就地消納，促進可再生能源的發展。本文對當前常用儲能技術進行了細致梳理，分析了不同儲能技術的特點和應用范圍，對其發展現狀進行了概述，對其未來發展方向進行了展望和總結。

1 儲能的分類

儲能按其所存能量的形式，可劃分為機械類儲能、電化學儲能，電磁場儲能和蓄熱儲能[1]。機械類儲能有抽水蓄能、飛輪儲能和壓縮空氣儲能等；電化學儲能有鉛酸電池儲能、鋰離子電池儲能和液流電池儲能等；電磁場儲能主要為超導磁儲能和超級電容儲能等；蓄熱儲能主要為熔融鹽儲熱技術[2]。

1.1 抽水蓄能

抽水蓄能通常是由抽水蓄能電站完成，其由上下水庫、輸水系統及發電系統等構成。在低負荷時，下水庫的水經由抽水泵進入到上水庫，以勢能形式進行儲存；在負荷需求較高時，上水庫蓄存的水自上而下推動發電機做功后進入到下水庫，勢能重新轉換為電能。抽水蓄能電站技術較為成熟，額定功率大（100-5000MW），持續放電時間長（可持續數天），壽命也較長（數十年之久），并且機組啟停靈活。然而，抽水蓄能電站對自然環境要求較高，地質條件需求嚴苛，水庫選址較為考究，且投資成本較高，建設周期長[3]。

1.2 飛輪儲能

飛輪儲能是利用多余電能驅動電機，電機帶動飛輪轉子旋轉加速，使電能以動能的形式進行存儲；當電量匱乏時，高速旋轉的飛輪轉子再驅動電機進行發電，完成動能向電能的轉化。飛輪儲能系統的儲能量和輸出量可單獨設計和控制，具有充電時間短、響應快、效率高、使用壽命較長等特點。然而，飛輪儲能自放電率極高，且放電時間也相對較短[4]。

1.3 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能是在系統電量富余時，將過剩電量驅動壓縮機壓縮空氣，將其注入到一定的儲氣系統中；當系統電量匱乏時，對儲氣系統中的壓縮空氣進行再釋放做功的技術。壓縮空氣儲能成本較低、易操作、存儲容量較大、無污染，綜合效率高。傳統利用自然巖洞或廢棄礦井作為儲氣空間的壓縮空氣儲能系統單機存儲容量大，多在百兆瓦級以上，但其對地址條件要求嚴格。隨著高壓容器技術的發展，新型壓縮空氣儲能利用高壓容器進行空氣存儲，盡管容量較低（一般在10MW以下），但其不受地理條件限制，系統更加靈活[5]。

1.4 電化學儲能

電化學儲能是利用化學反應，將電能以化學能進行儲存和再釋放的過程。電化學儲能有鉛酸蓄電池、鋰離子電池、液流電池等。電化學儲能能量和功率配置靈活、受環境影響小，易實現大規模利用。然而，電化學儲能目前仍存在電池充放電次數有限，使用壽命短，成本較高等缺點[6]。

1.5 超導磁儲能

超導磁儲能技術利用變流器將電能存儲在超導線圈中，必要時再將超導線圈貯存的電能釋放的技術。超導磁儲能利用超導線圈在超導狀態下電阻幾乎為零的特性，電流密度高，熱損耗極低，具有響應速度快（1-100ms）、功率密度高、壽命長、無噪聲污染等特點[7]。然而目前超導材料及維持低溫成本仍然很高，且超導磁體存在失超保護等問題仍需解決。

1.6 超級電容儲能

超級電容儲能是利用電解質極化形成的正負電容性存儲層來實現儲能的，其充放電響應快、功率密度高、使用溫度范圍廣、壽命長，但其能量密度相對較低；同時超級電容自放電率較高，一般只適用于短時間和較大功率下的用電環境，且電容元件易損耗[8]。

1.7 蓄熱儲能

蓄熱儲能是通過一定的蓄熱介質將能量以熱量的形式進行存儲，在需要時再將熱量釋放發電的過程。目前蓄熱介質實現商業化應用的是熔融鹽，其比熱容大，使用溫區廣（300-1000℃），且換熱性能優良，但其在低溫下易冷凝，限制了使用范圍。

表2 近年來世界在役抽水蓄能電站項目

2 儲能方式的比較

為更直觀地比較上述幾種典型儲能技術，表1列出了各儲能技術的參數和性能特征[9]。可以看出，抽水蓄能額定功率高、持續放電時間長，可實現大規模能量存儲，但效率偏低；飛輪儲能額定功率相對較低，持續放電時間較短；壓縮空氣儲能額定功率區域范圍較廣，這與空氣所儲容器有關，且其持續放電時間也較長，但同樣轉化效率較低；電化學類儲能中鋰離子電池較鉛酸電池能量密度高，但額定功率不及鉛酸電池，釩液流電池額定功率要高于鋰離子電池；超導磁儲能額定功率較高，但其能量密度和功率密度卻不及電容類儲能。這幾類儲能中，飛輪儲能自放電率最高，其能量損散快，超導磁儲能因超導效應其效率最高，但持續放電時間也最短，而抽水蓄能電站具有最長的使用壽命。

表1 不同儲能技術特征

3 最新研究進展

3.1 機械儲能類

3.1.1 抽水蓄能

抽水蓄能電站在國內外有較為廣泛的應用，其主要應用在電網系統的調峰、調相和調頻，為系統提供備用容量等。截止至2015年，世界范圍內抽水蓄能電站總裝機容量可達170GW，主要分布在西班牙、葡萄牙、美國等地。我國抽水蓄能電站總裝機容量也較大，為23.6GW，目前在役10MW以上機組就有26座。表2[10]列舉了近年來國內外投運的一些典型抽水蓄能電站項目，可以看出在役抽水蓄能電站容量均較大，且多用于調峰調頻和事故備用。

3.1.2 飛輪儲能

飛輪儲能各國也多有研究，當前熱點主要集中于高溫超導磁懸浮形式的飛輪儲能技術。飛輪儲能在電網調頻、可再生能源發電和不間斷電源等多領域都有應用。美國Beacon Power公司為電網調頻計劃建設一20MW級的飛輪儲能電站。德國Gmbh公司生產出了能在五秒內提供5MW輸出功率的不間斷電源，其能量來源于飛輪儲能[11]。日本研制出了多臺超導磁懸浮飛輪儲能的樣機。表3[10]列舉了一些公司生產投入使用的飛輪儲能項目，可以看出現有飛輪儲能項目額定功率都不是很高，且放電時間較短，且多應用于系統調頻、備用電源等領域。

3.1.3 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能研究歷史較為悠久，較早商業運營的儲能電站有兩座，一座位于德國（1979年投運）的

表3 飛輪儲能項目

Huntorf市，機組額定功率321MW，能持續放電2小時，主要用作風電場功率波動的平滑；另一座位于美國（1991年投運）的Alabama州，機組額定功率110MW，持續放電時間在24h以上，能在15分鐘內實現從啟動到最大儲能[12]。近年來，德國RWE Power公司啟動了代號為ADELE的壓縮空氣儲能項目，利用絕熱壓縮技術以期將系統效率提至70%。2011年，美國SustainX公司在等溫壓縮空氣儲能上取得較大進展[13]。我國也有多家單位對壓縮空氣儲能進行深入系統研究，目前研究方向有：1）小型百千瓦系統研發；2）系統技術經濟性分析；3）壓氣機研究；4）儲氣裝置研究。2009年，中科院工程熱物理所開展超臨界壓縮空氣儲能技術的開發，建成15kW級小型儲能系統，同時開展1.5MW級工業示范系統建設[14]。2012年7月，國家電網公司開展大規模壓縮空氣儲能關鍵技術研究，已建立500kW級（非補燃式）儲能示范系統。2016年12月，中科院儲能研發中心完成了10MW級壓縮空氣儲能集成實驗與驗證平臺調試，設計能量存儲容量40MWh、功率測量范圍0-10MW、溫度測量范圍-196-1000℃、壓力測量范圍0-10MPa，是目前容量最大、測量范圍最寬的試驗平臺。表4列舉了近年來壓縮空氣儲能電站示范項目，可以看出，近年來壓縮空氣儲能在向小型化大功率方向發展。

表4 [10]壓縮空氣儲能電站示范項目

3.2 電化學儲能類

電化學儲能傳統是以鉛酸電池和鋰離子電池為主，隨著技術的進步，鉛酸電池和鋰離子電池在生產制造工藝取得一定的進步。大規模存儲對電池儲能系統要求越來越高，一些新型電池如全釩液流電池以及鈉硫電池等被不斷研發出來；而隨著電動汽車等產業的快速增長，鋰空氣電池、鋰硫電池等也被開發以適應未來汽車發展的需求。以下介紹幾種典型電池發展現狀。

3.2.1 鉛酸蓄電池和鋰離子電池

鉛酸蓄電池在眾多電池中發展最為長久，且已有商業化的鉛酸蓄電池儲能電站，如美國曾于上世紀八十年代就建立了40MWh的鉛酸蓄電池儲能電站，并在加利福尼亞州的Chino中應用[11，15]。鋰離子電池目前正極使用較多的為鎳鈷錳鋰、磷酸亞鐵鋰、鈷鎳錳酸鋰和鈷酸鋰等材料；而負極材料多為改性的天然石墨、立方尖晶石結構的Li4Ti5O12、人造石墨、高容量硅、硬碳和軟碳等，市面上應用最多的是鎳鈷錳鋰（三元鋰電池）和磷酸鐵鋰電池[16]。在小型電子設備領域，鋰離子電池已占據大部分市場份額，但其價格高昂限制了其進一步規模化發展，因此國內外研究多集中于如何降低鋰電池制造成本和大規模工程示范。2015年，Hiroki Nagai等[17]成功實現了對透明鋰離子電池的優化改進，在陽光暴露下電池可自行充電無需額外的太陽能集板。美國“A123系統”公司在多地建造了鋰離子電池儲能電站工程示范；我國在鋰離子電池技術領域也走在世界前列，多家公司擁有自主知識產權技術，也建立了示范工程。

3.2.2 液流電池和鈉硫電池

液流電池包含多種類型，其中全釩液流和鋅溴液流電池研究較為廣泛[18，19]。全釩液流電池安全性高、深度放電能力強、污染少，是目前應用規模最大的液流電池，廣泛應用于大規模電站存儲中。大連融科正在研發兆瓦級全釩液流電池儲能系統，武漢南瑞承擔著全釩液流電池模塊化開發及系統能效優化等任務。對于鋅溴液流電池，其采用ZnBr2為電解質，電解液將負責能量的存儲。鋅溴液流電池能量密度很高，同樣可用作大規模能量存儲。美國Primus Power公司在加利福尼亞州建立了28MW×4h級鋅溴液流電池儲能電站用以平滑可再生能源發電的功率輸出；ZBB Energy公司與Redflow公司也建立了鋅溴液流電池的示范基地[10]。2015年，Wang等開發出了液流鋰空氣電池，其電解液中含有氧化還原分子，可將電池陰極與LiO2的生成和分解分離，避免電極孔隙的鈍化和堵塞，在保證高能量密度的同時，具有更高的安全性和靈活性。鈉硫電池在近幾年已廣泛應用于電網負荷的削峰填谷、平滑出力以及作為應急電源等方面。2006年，一套容量為1.2MW的鈉硫電池儲能電站在美國西弗吉尼亞州投運，用于平衡當地電力負荷[20]。

3.3 電磁儲能類

3.3.1 超導磁儲能

超導磁儲能研究在各國都備受關注，其可消除瞬間斷電對電網的沖擊，降低電力系統的低頻振蕩，改善電網電能質量，增加抗事故能力，有效保障電力系統的安全。美國先后開發出了5kJ級和2.5MJ級的超導磁儲能系統。日本中部電力公司利用實驗證實超導磁儲能系統在電力系統穩定電壓的可行性。另韓法德澳等國都有高溫超導磁儲能系統的相關研究報道。國內首臺MJ級（1MJ/500kVA）高溫超導磁儲能系統為中科院電工所研發，后在白銀市并網運行。華中科技大學于2005年開發了35kJ/7.5kW級超導磁儲能試驗樣機，其后中科院電工所開始研制1MJ/0.5MV·A高溫超導磁儲能系統[21]。中國電科院構建了基于YBCO和BSCCO的高溫超導體實現并網和電網功率補償[22]。

3.3.2 超級電容儲能

超級電容在保障電網安全可靠性上同樣起著重要作用，目前超級電容已有成熟的示范產品，容量可達千法拉、放電電流也為千安級。表5中列舉了典型超級電容示范工程，可見近年來超級電容額定功率多在兆瓦級，其持續放電時間仍然較短，多用于交通系統和電網中的電壓支撐。

3.4 儲熱類-熔融鹽蓄熱儲能

目前帶蓄熱功能的光熱發電系統幾乎無一例外的采用熔融鹽進行蓄熱，其在冷熱電聯供、用戶側需求響應等方面也有一定應用。目前，常采用的熔融鹽多為堿金屬、堿土金屬或一些鹽類混合物質，如混合硝酸鹽（KNO3、NaNO3按一定比例混合）、混合氯化鹽等。James等[23]證實了混合硝酸鹽能很好應用于太陽能光熱發電中，且已實現商業化。胡寶華等[24]制備的NaCl-CaCl2混合鹽，最高工作溫度可達800℃，相變潛熱約87kJ/kg。當然熔融鹽蓄熱也存在一定的局限性，如前所述，熔融鹽熔點一般都較高（約250℃），易凝固，且在使用溫度過高下易氣化等，因此開發新型具有更加優越性能的混合熔融鹽是接下來研究的重點。

4 結語

表5 典型超級電容示范

儲能系統對于電力系統的削峰填谷、調壓調頻、負荷跟蹤、電能質量控制和備用電源等起著重要作用。在未來一段時間里，抽水蓄能技術在大規模電力存儲上仍為主力技術。飛輪儲能將圍繞不斷提高能量密度和降低成本進行發展，同時高溫超導磁懸浮形式的飛輪儲能將是未來研究方向之一。壓縮空氣在大型領域已比較成熟，如何規避地形限制，發展小型高密度空氣儲能將是未來研究的重點。電化學儲能隨著大規模儲能需求和電動汽車的發展，新型高效電池將不斷被研發和示范，提升電池壽命降低成本將是接下來研究的重點。超導磁儲能技術具有高響應速度和高功率密度等特點，如何突破高溫超導材料的研發，降低使用成本將是突破的關鍵。超級電容儲能將在不斷提高能量密度、降低成本和提高器件使用壽命等方面持續關注。熔融鹽蓄熱儲能會隨太陽能發電技術的進展而不斷推進，一些新型混合熔融鹽將被不斷開發以適應未來儲熱需求。

[1]寧陽天.基于削峰填谷的儲能系統調度模型研究 [D].華北電力大學,2015.

[2]李建林,田立亭,來小康.能源互聯網背景下的電力儲能技術展望 [J].電力系統自動化,2015,（23）:15-25.

[3]鄒金,賴旭,汪寧渤.大規模風電并網下的抽水蓄能機組調頻控制研究[J].中國電機工程學報,2017,37（2）:564-571.

[4]朱熀秋,湯延祺.飛輪儲能關鍵技術及應用發展趨勢[J].機械設計與制造，2017，（1）:265-268.

[5]陳仕卿，許劍，張新敬，等.儲能過程設計參數對壓縮空氣儲能系統性能影響研究[J].熱能動力工程，2017，32（3）:40-46.

[6]宋維鑫，侯紅帥，紀效波.磷酸釩鈉Na3V2（PO4）3電化學儲能研究進展[J].物理化學學報，2017，33（1）:103-129.

[7]王新普，楊軍，陳杰軍，等.一種超導磁儲能裝置控制方法[J].武漢大學學報（工學版），2017，50（2）:220-227.

[8]尚彤，崔學深，徐明榮，等.蓄電池-超級電容混合儲能系統放電控制策略 [J].電源技術，2017，41（4）:595-597.

[9]CHEN H，CONG T N，YANG W，et al.Progress in electrical energy storage system:A critical review[J].Progress in Natural Science，2009，19（3）:291-312.

[10]王姝.儲能技術應用于電力系統時的協調控制研究[D].華中科技大學，2015.

[11]王姝，石晶，龔康，等.多元復合儲能系統及其應用 [J].電力科學與技術學報，2013，28（3）:32-38.

[12]張文亮，丘明，來小康.儲能技術在電力系統中的應用 [J].電網技術，2008，32（7）:1-9.

[13]陳來軍，梅生偉，王俊杰，等.面向智能電網的大規模壓縮空氣儲能技術 [J].電工電能新技術，2014，33（6）:1-6.

[14]王志文，熊偉，王海濤，等.水下壓縮空氣儲能研究進展[J].儲能科學與技術，2015，4（6）:585-598.

[15]MOORE T，DOUGLAS J.Energy storage，big opportunities on a smaller scale[J].EPRI J，2006，16-23.

[16]陸浩，劉柏男，褚賡，等.鋰離子電池負極材料產業化技術進展[J].儲能科學與技術，2016，5（2）:109-119.

[17]NAGAI H，SATO M.Highly Functionalized Lithium-Ion Battery[M].Alkali-ion Batteries.Intech.2016.

[18]FABJAN C，GARCHE J，HARRER B，et al.The vanadium redox-battery：an efficient storage unit for photovoltaic systems[J].Electrochimica Acta，2001，47（5）:825-831.

[19]LEX P，JONSHAGEN B.The zinc/bromine battery system for utility and remote area applications[J].Power Engineering Journal，1999，13（3）:142-148.

[20]孫文，王培紅.鈉硫電池的應用現狀與發展 [J].上海節能，2015，（2）:85-89.

[21]劉洋，唐躍進，石晶，等.超導磁儲能系統發展現狀及前景 [J].南方電網技術，2015，9（12）:58-64.

[22]陳孝元.超導磁儲能能量交互模型及其應用研究 [D].電子科技大學，2015.

[23]PACHECO J E，SHOWALTER S K，KOLB W J.Development of a molten-salt thermocline thermal storage system for parabolic trough plants[J].Journal of solar energy engineering，2002，124（2）:153-159.

[24]胡寶華，丁靜，魏小蘭，等.高溫熔鹽的熱物性測試及熱穩定性分析[J].無機鹽工業，2010，42（1）:22-24.

Research on the Development of Energy Storage Technology

LI Yun-chao， SONG Hua-wei， MA Hong-tao， WANG Bao-yu， XUE Fu

（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

The existing energy storage technology was analyzed and summarized.The characteristics of each energy storage technology were compared.The future development direction of the energy storage technology was forecast.It was found that the recent large-scale storage was still dependent on the pumped storage power station,which was used for power distribution and power supply.The flywheel storage technology will be improved around the energy density and reducing costs.The compressed air storage will be developed in 10MW level.The electrochemical energy storage such as liquid batteries and sodium sulfur batteries will be gradually applied in large-scale power plant storage,which was used for the peak load shifting and smoothing plant output.The rated power of superconducting magnetic energy storage and super capacitor energy storage was at the MW level,thus,how to reduce the cost and increase the life expectancy should be of concern.The molten salt heat storage technology will be developed with the development of solar power technology.The development of new mixed molten salts will be the direction of the future research.

energy storage； pumped storage； compressed air； electrochemical energy storage；heat storage

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.04.013

TM91

A

2095-3429（2017）04-0056-06

李允超（1987-），男，浙江臺州人，博士，主要從事火電廠節能減排與生物質能的開發利用等工

2017-06-23

修回日期：2017-07-27