先進儲能技術
——機遇與挑戰并存

■ 文/陳永翀 劉丹丹

廣義上講，儲能就是采用某種裝置或方法儲存能量，并實現能量在空間維度移動后釋放或者在時間維度滯留后釋放。儲能技術包括儲能本體技術和儲能應用技術。根據所用的能量形式，可以將儲能本體技術大致分為4類：物理儲能、電化學儲能、化學儲能和儲熱蓄冷。

物理儲能

●抽水蓄能

物理儲能技術中的抽水蓄能是當前技術最成熟、最經濟（單位功率造價4 000～6 500元/千瓦，單位儲電成本0.2～0.5元/千瓦時）、使用壽命最長（機組使用壽命25年，水工建筑物使用壽命60年以上）的大規模電能存儲方式，主要應用于電力系統調峰調頻及備用。截至2017年5月，我國抽水蓄能電站裝機容量達到27.73吉瓦（1吉瓦為106千瓦），居世界第一，全球累計運行的抽水蓄能項目裝機容量為167.7吉瓦，占儲能總裝機容量的96%。

2003年以前，我國抽水蓄能領域相關技術研究還處于一片空白，抽水蓄能電站的設備全部是“舶來品”。當時，我國建一座抽水蓄能電站，核心機電設備投資占總體投資的一半以上，是國際市場一般水平的2倍左右。經過持續十多年的技術攻關，目前我國已經基本掌握了水泵水輪機等核心裝備技術，在建抽水蓄能機組容量達30.95吉瓦，包括安徽金寨抽水蓄能電站、河南天池抽水蓄能電站、山東文登抽水蓄能電站和山東沂蒙抽水蓄能電站等。從儲能總裝機容量占比來看，至少在2030年以前，抽水蓄能仍然是全球電力儲能容量占比最大的儲能形式。

雖然抽水蓄能技術具有成本低、壽命長和容量大等優點，但其對地理地質條件有特殊要求，一次性建設投資大，還有可能存在生態破壞和移民等問題，因此，抽水蓄能電站的規模推廣和應用受到了制約。目前，我國大部分抽水蓄能基本上只能收回靜態效益，抽水蓄能電站的動態效益一直存在“看得見、算得出、拿不到”的現象，導致我國抽水蓄能電站的經營業績較差，甚至難以生存。因而正確衡量儲能電站的效益，建立合理的電價政策，對抽水蓄能電站以及其他類型儲能電站的發展具有十分重要的意義。

●壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能是基于燃氣輪機技術發展起來的一種能量存儲方式。目前，全球共有11座壓縮空氣儲能系統，總裝機容量為646兆瓦（1兆瓦為103千瓦）。國內示范項目總規模為2兆瓦，分別是安徽蕪湖“500千瓦非補燃壓縮空氣儲能發電示范系統”和貴州畢節“1.5兆瓦壓縮空氣儲能-多能分布式微網示范項目”，同時在畢節即將完成10兆瓦系統建設。目前，全球只有德國的洪托夫（290兆瓦）和美國亞拉巴馬州的麥金托什（110兆瓦）電站進入商業化運營階段，后者曾因地質不穩定發生過坍塌事故。

為了擺脫傳統壓縮空氣儲能系統對大型儲氣洞穴以及化石燃料的依賴，帶儲熱的壓縮空氣儲能技術、液態空氣儲能技術、超臨界空氣儲能技術、燃氣蒸汽聯合循環的壓縮空氣儲能技術和與可再生能源耦合的壓縮空氣儲能技術都是目前國內外研發的重點方向。由于空氣是低密度的儲能介質，因此，如何降低系統成本、提高能量效率是壓縮空氣儲能走向應用之前需要重點解決的問題。

●飛輪儲能

飛輪技術分為低速飛輪技術和高速飛輪技術兩類。其中，低速飛輪儲能技術主要應用于通信、數據中心和軌道交通等領域；高速飛輪儲能技術主要適用于快速、高功率型應用，可以為電網提供調頻服務，產業和技術多集中于美國、英國、法國、德國等國，我國飛輪儲能產品還沒有得到量產。美國Beacon Power公司曾經是全球大規模飛輪儲能應用的先驅，開創了飛輪儲能系統與電力公司合作的先例，使電力市場開始接受飛輪儲能技術。不過，在2011年10月，Beacon Power公司因財務危機深陷泥沼，不得不申請破產保護。

●超導儲能

超導儲能系統由超導材料制成的線圈、功率調節系統和低溫制冷系統等組成，能量以超導線圈中循環流動的直流電流形式儲存在磁場中。超導儲能具有響應速度快（毫秒級）和轉換效率高（≥96%）等優點，可實現與電力系統的實時大功率補充和能量交換，避免電網瞬間斷電對用電設備的不利影響，可以提升電力系統的穩定性。目前，在液氦溫度條件下工作的低溫超導磁儲能裝置的最大實用化容量已達到億焦耳級，而在液氮溫度條件下工作的高溫超導磁儲能裝置容量只能達到兆焦耳級。無論是低溫超導還是高溫超導，昂貴的低溫制冷成本大大限制了超導儲能技術的實際應用場景。也許只有到了常溫超導材料研發成功的那一天，超導儲能技術才有可能獲得廣泛應用。

電化學儲能

●電池儲能

電化學儲能技術包括電池儲能和超級電容器儲能兩種類型，是目前發展最為迅速的儲能技術。相對于抽水蓄能而言，將電池儲能的方式用于集中式大規模電網調峰，成本還是太高。電池儲能技術比較適合應用于百千瓦至百兆瓦級的電力調頻，其調頻效果是水電機組的1.7倍，遠好于火電機組，已經顯現出商業應用前景。

鋰離子電池、鉛酸（碳）電池、液流電池、鈉硫電池和超級電容器是正在發展的幾類電化學儲能技術。其中，鋰離子電池在可再生能源并網、微網系統和改善電能質量方面有不少示范應用，如2012年我國建立的20兆瓦級張北風光儲輸項目、2013年日本建立的40兆瓦級仙臺變電站鋰離子電池儲能系統、2014年美國西弗吉尼亞州建立的32兆瓦級勞雷爾山儲能電站等均已成功運行。但是，大規模鋰離子電池儲能系統的高成本和高安全隱患仍是目前需要解決的問題。另外，鋰離子電池的回收處理較為困難，需要有較大的技術變革才能達到低成本、長壽命、高安全和易回收的規模應用標準。中國科學院電工研究所與北京好風光儲能技術有限公司合作開發的鋰漿料電池儲能技術，有可能會在低速電動車、基站儲能和電力儲能領域獲得廣泛應用。

鉛酸電池主要用作發電廠、變電廠的備用電源以及電動汽車的啟動電源，在維持電力系統安全、穩定和可靠運行方面發揮著極其重要的作用。其優點是耐溫性能好、安全性高、成本低，缺點是能量密度和功率密度小、循環壽命短且易造成環境污染。在鉛酸電池基礎上發展的長循環壽命鉛碳電池有可能在未來兆瓦級儲能系統中得到應用。

液流電池是一種容量型電化學儲能裝置，優點是安全性高、循環壽命較長、回收再生容易，缺點是系統復雜、能量密度低、系統運維成本較高。目前，全釩液流電池的模塊技術已經基本成熟，但國產新型隔膜的穩定化生產仍存在問題。另外，雖然全釩液流電池的模塊效率可以達到80%以上，但系統整體運行的實際能量效率較低（53%～72%），影響了該技術的大規模商業應用。

鈉硫電池儲能密度高，可實現大電流、大功率放電，但運行時溫度很高（300oC以上），幾年前曾發生儲能電站燃燒事故，可靠性和安全性受到質疑。日本NGK公司是國際上第一個將鈉硫電池產業化的機構，全球運行的鈉硫電池儲能電站裝機容量已達450兆瓦時/3 000兆瓦時。

●超級電容器儲能

相對于電池儲能，超級電容器能量密度很低，但工作溫度范圍寬，充放電速度快，反復充放電次數可達幾萬次。因此，超級電容器儲能適合于需要提供短時較大脈沖功率的場合，如應對電壓暫降和瞬時停電、抑制電力系統低頻振蕩以及提高電能質量等。目前，美國、日本、俄羅斯的產品幾乎占據了整個超級電容器市場，國內能夠批量生產并達到實用化水平的有上海奧威、寧波中車等公司。但是，能量密度低、成本高，多單體串聯時帶來的一致性檢測問題以及壽命和安全問題仍是超級電容器發展面臨的主要挑戰。隨之而來的新的發展方向有超級雙電層電容器、鋰離子混合型超級電容器、石墨烯柔性超級電容器等，為超級電容器的發展提供了新思路。

化學儲能

雖然抽水蓄能和壓縮空氣是大規模電網調峰的首選儲能方式，但兩者都受到地理條件的嚴格限制，推廣范圍有限。化學儲能以氫能、合成燃料等清潔可再生能源的直接或間接存儲為代表，雖然目前成本較高，但在未來可能應用于電網的規模調峰和調頻。儲氫系統利用電解水技術或其他技術得到氫氣，將氫氣存儲于儲氫裝置中，再利用燃料電池技術將存儲的能量回饋到電網，或將氫氣通過管道輸送，直接應用到氫氣產業鏈中。歐洲有多個配合新能源接入使用的氫儲能系統的示范工程：德國在普倫茨勞市建立了風能-氫能混合動力發電廠；意大利在普利亞地區建設了39兆瓦的氫儲能系統；法國在科西嘉島建設了200千瓦的氫儲能系統；挪威在西海岸建設了55千瓦的制氫和10千瓦的氫發電系統。從技術層面來講，如何進一步提高儲氫材料的儲氫容量、循環穩定性以及降低氫生產及輸運成本是研究者仍在解決的問題。

合成燃料有很多種，如把煤、油頁巖或瀝青砂轉變為石油或汽油，從污水和淤泥中提取甲烷，從生物質中提取乙醇等其他碳氫燃料。利用植物的自然光合作用或者新型光化學轉換材料的人工光合作用，將光能轉化為生物質能或化學能并加以儲存和釋放，也是一類重要的化學儲能方式。目前，合成燃料面臨的主要問題是反應過程復雜，副反應較多，工藝尚不成熟，催化劑的選擇和反應過程的設計還有待進一步改進。

儲熱蓄冷

儲熱方式主要有顯熱儲熱、潛熱儲熱（也叫相變儲熱）和化學反應儲熱三種。其中，顯熱儲熱與物質的比熱容、密度等相關，主要應用于建筑取暖、生活用熱水、農林作物干燥、空氣加熱干燥系統以及太陽能熱發電系統等。相變儲熱材料主要有有機類、熔融鹽類、合金類和復合類等，其應用研究主要集中在太陽能熱發電系統儲熱、地面太陽能的直接熱利用、建筑物圍護結構儲熱和轉移電力峰值負荷、平衡電力應用的空調儲熱、工業余熱廢熱回收系統儲熱以及保暖服裝、冷敷保健、儀器散熱等領域。從目前煤改氣和煤改電的趨勢來看，與多能互補相配合的儲熱技術將在我國北方地區獲得廣泛應用。

“可再生能源+儲能”是未來新能源發展的必然選擇。加強先進儲能技術研究，推動儲能產業發展，對于促進我國能源生產和利用方式變革，普及應用可再生能源，調整優化能源結構，構建安全、穩定、經濟、清潔的現代能源產業體系具有重要的戰略意義。