能源革命中的物理儲能技術

陳海生 凌浩恕 徐玉杰,2

1 中國科學院工程熱物理研究所 北京 100190

2 中國科學院大學 北京 100049

1 物理儲能技術的重大戰略需求

新一輪的世界能源技術革命正在興起，推動著能源結構的轉型，重塑著能源的格局[1]。構建綠色、低碳、清潔、高效、安全的能源體系是世界能源發展理念和主要方向[2]。我國能源生產和消費總量均已居世界前列，但仍存在能源結構不合理、能源利用效率不高、可再生能源利用比例低、能源安全利用水平有待進一步提高等問題。因此，推進能源改革，發展“綠色、低碳、清潔、高效、安全”的能源技術勢在必行。2014 年 6 月，習近平總書記在中央財經領導小組第六次會議上提出了推動能源消費革命、能源供給革命、能源技術革命、能源體制革命和全方位加強國際合作的“四個革命、一個合作”的五方面要求[3]，確立了我國能源安全發展的行動綱領。

促進儲能技術與產業的健康發展，對提高能源利用效率、增加可再生能源利用比例、保障能源安全、推動能源革命具有重大的戰略意義[4]。2017 年 10 月，國家發展改革委等五部門聯合印發《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》[5]，指出：“儲能是智能電網、可再生能源高占比能源系統、‘互聯網+’智慧能源的重要組成部分和關鍵支撐技術。儲能可為電網運行提供調峰、調頻、備用、黑啟動、需求響應支撐等多種服務，是提升傳統電力系統靈活性、經濟性和安全性的重要手段；儲能可顯著提高風、光等可再生能源的消納水平，支撐分布式電力及微網，是推動主體能源由化石能源向可再生能源更替的關鍵技術；儲能可促進能源生產消費開放共享和靈活交易、實現多能協同，是構建能源互聯網，推動電力體制改革和促進能源新業態發展的核心基礎。”

圖1 物理儲能種類

物理儲能一般包括物理儲電和物理儲熱兩大類，具體的儲能技術如圖 1 所示[6-10]。物理儲能具有規模大、成本低、壽命長、環保等特點，具有廣闊的應用領域和巨大的發展潛力[11]。我國對物理儲能的發展非常重視，科學技術部、國家能源局、中國科學院以及各級地方政府等均對物理儲能的發展進行了重要部署（表 1）。由此可見，物理儲能技術與產業的研究發展具有重要戰略意義。

2 國內外物理儲能技術發展現狀

據中關村儲能產業技術聯盟（CNESA）項目庫統計[12]，截至 2018 年，全球已投運儲能系統累計裝機規模為 180.9 GW，相比 2017 年增長 3%。其中：抽水蓄能的累計裝機規模最大，為 170.7 GW，同比增長 1.0%；熔融鹽儲熱的累計裝機規模為 2.8 GW，同比增長 8%（圖 2a）。截至 2018 年，中國已投運儲能系統累計裝機規模為 31.2 GW，相比 2017 年底增長 8%。其中：抽水蓄能的累計裝機占比最大，為 96%，同比增長 5%；熔融鹽儲熱的累計裝機規模為 220 MW，占比為 0.7%（圖 2b）。

表1 我國物理儲能相關的戰略規劃與指導意見

圖2 儲能裝機構成

2.1 物理儲能技術發展現狀與趨勢

2.1.1 抽水蓄能

抽水蓄能利用電能和水勢能的相互轉化進行能量存儲，具有效率高、容量大、壽命長、儲能周期不受限制等優點，是目前技術最成熟、應用最廣泛的電力儲能技術[13]。但是，由于抽水蓄能需要建造水庫和水壩，其應用受地理條件的限制[14]。表 2 為抽水蓄能技術特征，典型抽水蓄能電站規模為 100—3000 MW，主要適用于電力系統調頻、調峰填谷、能量管理、備用等方面。

抽水蓄能技術自從 1882 年國際第一座抽水蓄能電站在瑞士使用以來，已經發展近 130 多年，技術已經成熟。目前世界上在運營的最大抽水蓄能電站是 1985 年投入運行的美國巴斯康蒂抽水蓄能電站，裝機容量達到 30.03 MW[15]。

我國的抽水蓄能技術研發與建設起步較晚，1968年首次在河北省崗南水電站引進 2 臺日本制造的單機11 MW 混合式抽水蓄能機組。經過 50 余年的發展，我國抽水蓄能已從引進、吸收消化階段轉變為自主研發階段。2016 年 6 月投入商業運行的浙江仙居抽蓄電站機組是我國真正意義上第一臺完全自主設計、自主生產、自主安裝運營的設備，也標志著我國打破國外的技術壟斷，完整掌握大型抽水蓄能電站核心技術。

總體來說，抽水蓄能技術正朝著大容量、高水頭、高效率、智能化方向發展，具體關鍵技術包括：高水頭大功率水泵水輪機、高轉速大功率發電機、變速調節控制、無人化智能控制與集中管理、信息化施工、隧道掘進機開挖技術、新型鋼材和瀝青混凝土技術等。

2.1.2 壓縮空氣儲能系統

傳統壓縮空氣儲能系統是基于燃氣輪機技術，利用電能和空氣內能進行能量儲存的系統。傳統壓縮空氣儲能系統具有容量較大、周期長、壽命長、投資相對小等優點，但由于其不是一項獨立的技術，必須同燃氣輪機電站配套使用，依賴燃燒化石燃料提供熱源，且依賴大型儲氣室，如巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等，因此應用也受到地理條件的限制[16]。表 3 為壓縮空氣儲能技術特征，可見，壓縮空氣儲能系統與抽水蓄能技術特性相似，其應用領域與抽水蓄能也相同。

傳統壓縮空氣儲能技術自從 1949 年 Stal Laval 提出利用地下洞穴實現壓縮空氣儲能以來，國際上只有兩座大規模傳統壓縮空氣儲能電站投入商業運行，分別是德國的 290 MW Huntorf 電站和美國的 110 MW McIntosh 電站[17]。此外，日本建設 2 MW 傳統壓縮空氣儲能示范電站。我國只進行了傳統壓縮空氣儲能技術相關理論研究。

表2 抽水蓄能技術特征

表3 壓縮空氣儲能技術特征

傳統壓縮空氣儲能系統存在依賴大型儲氣洞穴、依賴化石燃料兩大技術瓶頸，嚴重限制了其推廣應用。近年來，為解決上述技術瓶頸，國內外學者開發了多種新型壓縮空氣儲能系統。目前國際上已經實現 MW 級示范的系統包括：美國 SustainX 公司等溫壓縮空氣儲能系統、美國 General Compression 公司蓄熱式壓縮空氣儲能系統、英國 Highview 公司液態空氣儲能系統[18]。國內，中國科學院工程熱物理研究所于 2009 年在國際上首次提出超臨界壓縮空氣儲能系統[19]，并研制了國際首套 1.5 MW 和 10 MW 示范系統，系統效率高于全球所有同等規模系統的效率，并且已實現產業化，目前正在開展 100 MW 級系統技術研發與示范。

壓縮空氣儲能技術正朝著不依賴化石燃料、不依賴大型儲氣室、提高系統效率方向發展，主要通過提高關鍵部件技術性能、優化系統集成與控制技術等手段來實現，具體關鍵技術包括寬負荷壓縮機技術、高負荷膨脹機技術、高效蓄熱技術、儲氣技術和系統集成與控制技術等。

2.1.3 飛輪儲能

飛輪儲能是利用電能和飛輪動能相互轉化的能量存儲形式，具有單機功率大、效率高、循環壽命長、響應速度快等優點[20]，具體技術性能見表 4。該技術適用于調頻、調峰、移動應急電源（EPS）和不間斷電源（UPS）等領域。

國外發達國家已經出現了很多高性能的飛輪儲能產品。美國進展最快：美國 Active Power 公司的 100—2000 kW UPS、Pentadyne 公司的 65—1000 kVA UPS、Beacon Power 公司的 25 MW Smart Energy Matrix、波音公司高溫超導磁浮軸承的 100 kW/5 kWh 飛輪儲能，以及 SatCon Technology 公司的 315—2200 kVA UPS 等產品已經應用于電力系統穩定控制、電力質量改善和電力調峰和風力發電全頻調峰等領域[21]。在高溫超導飛輪儲能系統的研制方面，美國波音、德國 ATZ 等公司處在世界前列，日本 ISTEC 和韓國 KEPRI 也進行了卓有成效的研究[22]。我國飛輪儲能處于關鍵技術突破階段，與國外先進技術水平差距有 5—10 年[23]，且多與其他儲能方式配合使用 。

飛輪儲能正朝著增加飛輪單機與單元儲能容量、增加功率、提高效率的方向發展，其關鍵技術包括先進復合材料飛輪技術、高速高效電機技術、磁懸浮軸承技術、飛輪陣列技術等。

2.1.4 超導儲能

超導儲能系統是目前唯一能將電能直接存儲為電流的儲能系統，具有響應速度快、效率高，以及有功和無功輸出、可靈活控制等優點[24]，表 5 為超導儲能技術特征，主要應用于提高電網的電能質量領域。

自 1969 年法國 Ferrier 提出超導儲能以來，只有美國等少數國家開發出商業性產品，日本、德國等國家開發出原理樣機。美國已有 6 臺 3 MJ/8 MVA 小型超導儲能系統成功地安裝在威斯康星州公用電力的北方環型輸電網[25]。德國公司 ACCEL Instrument GmbHh 和 EUS GmbH 聯合開發了 2 MJ 超導磁體用于實驗室的 UPS 系統。日本 Chubu Electric Power 公司和國家能源開發組織啟動了一項 10 MW/19 MJ 超導儲能裝置研發項目[26]。

表4 飛輪儲能技術特征

表5 超導儲能技術特征

我國較早地開展了超導儲能的基礎理論和關鍵技術研究，并取得了顯著成果。中國科學院電工研究所于 2008 年完成 1 MJ/0.5 MVA 高溫超導儲能系統的研制，并在甘肅白銀實施了世界首座超導變電站限流-儲能示范工程，其具有目前世界上最大的高溫超導磁體，這標志著我國超導技術基本達到國際先進水平，并在國際率先實現完整超導變電站系統的運行[27]。

中、大功率（1—10 MW/10—50 MJ 級）是超導儲能系統的研發方向，其關鍵技術包括超導材料技術、低溫制冷技術、超導限流技術、功率變換調節技術和系統動態監控技術等。

2.1.5 物理儲熱

根據儲熱形式，物理儲熱可分為顯熱儲熱和潛熱儲熱技術。其中，顯熱儲熱技術儲能密度低、體積大、溫度輸出波動大、成本低、裝置結構簡單、技術成熟，已有商業化產品；潛熱儲熱技術具有儲能密度高、體積小、溫度輸出平穩等優點，但循環壽命有待提升，正處于低溫、小規模示范應用階段，是目前的研究熱點[28]。表 6 為物理儲熱技術特征，可廣泛應用于能源網絡的“削峰填谷”、風電儲存利用、太陽能熱發電、工業余熱利用、交通運輸過程中的溫度自調控、建筑物溫度自調節、電廠余熱回收及微型和智能電網等領域。

顯熱儲熱材料可分為低溫、中溫和中高溫儲熱材料。水的比熱大，主要用于低溫儲熱；導熱油、硝酸鹽的沸點比較高，常用于中溫儲熱；鎂磚、混凝土、熔融鹽等是主要的中高溫儲熱材料；高溫混凝土已應用在太陽能熱發電等領域[29]。2013 年，美國阿肯色大學開發出可耐 500oC 的中高溫新型混凝土；同年，國家電網公司在北京建成首個采用鎂磚為蓄熱材料的集中電采暖試點示范項目，工作溫度范圍 150oC—500oC。

潛熱儲熱材料可分為常低溫、中溫和中高溫相變材料[30]。常低溫相變材料主要包括聚乙二醇、石蠟和脂肪酸等有機物及無機水合鹽，中溫相變材料主要包括硝酸鹽等無機鹽和有機糖醇等有機材料，中高溫相變材料主要包括氟化物、氯化物和鹽酸鹽等無機鹽、金屬和合金等[31]。德國 ZAE 公司采用沸石為相變儲熱材料，建成 4 MWh 移動儲熱供熱裝置。江蘇啟能新能源材料有限公司采用相變溫度為 95oC 的水合鹽相變儲熱技術實現供暖，儲熱容量為 12 MWh。新疆阿勒泰市風電清潔供暖示范項目采用南京金合能源材料有限公司的相變儲熱磚，儲熱密度超過 835 kJ/kg 和 1680 MJ/m3。綜上，相變儲熱技術具有儲能密度高、體積小、溫度輸出平穩等優點，但循環壽命有待提升，隨著國內電能替代的發展需要，目前已經成為研究熱點。

2.2 國內外技術發展差距

雖然我國政府對儲能愈來愈重視，但是經過多方數據調研，由于發展較晚，整體上我國儲能技術與國際還有較大的差距（圖 3）。除新型壓縮空氣儲能系統外，國際上其他物理儲能技術都處在應用或推廣階段，而我國只有抽水蓄能和顯熱儲熱技術實現了推廣，其他物理儲能技術均處在示范與研發階段。

表6 物理儲熱技術特征

圖3 國內外儲能技術發展階段比較

國內外儲能技術指標的比較見圖 4。在規模方面，除新型壓縮空氣儲能外，其他儲能技術的規模較國外仍有一定的差距，特別是傳統壓縮空氣儲能、飛輪儲能和超導儲能；在效率方面，除新型壓縮空氣儲能外，其他儲能技術的效率均低于國外水平；在壽命方面，國內飛輪儲能和超導儲能技術壽命遠低于國外水平。

3 國內外物理儲能政策現狀

3.1 美國政策

美國儲能技術的快速發展與政府政策密不可分。這些政策覆蓋了產業發展規劃、電價激勵、設備投資激勵、示范項目激勵等方面。其中，產業發展規劃政策主要有《美國加州儲能激勵法案》、美國能源部“SunShot 計劃”等；電價激勵政策主要有聯邦能源管理委員會 745 號令、755 號令、784 號令、792 號令等；設備投資激勵政策主要包括“自發電系統激勵計劃”等；示范項目激勵政策主要有《美國復蘇與再投資法案》等。整體而言，美國政策具備全面性和可持續發展性，并輔以大規模的政府資金支持。

3.2 日本政策

日本儲能政策主要包括產業發展規劃、電價激勵、可再生能源發展、分布式能源系統發展、設備投資激勵政策等。其中，產業發展規劃政策主要包括“日光計劃”“月光計劃”“新日光計劃”等；電價激勵政策主要有抽水蓄能的推動政策等；可再生能源發展政策主要包括電力企業采購可再生能源電力的特別措施法、電力公用事業的經營者采購可再生能源的特別措施法等；分布式能源系統發展政策主要有《節能法修正案》；設備投資激勵政策主要有鋰離子電池儲能補貼政策。整體而言，日本政策具有前瞻性、全面性、高效性和可持續性的特點。

3.3 德國政策

德國儲能政策主要包括產業發展規劃、電價激勵、設備投資、可再生能源發展政策。其中，產業發展規劃政策有“第六次能源研究計劃”；電價激勵政策有“自消費”稅；設備投資激勵政策有德國光伏儲能補貼政策；可再生能源發展政策有《可再生能源法案》。整體而言，德國政策具備針對性和高效性。

圖4 國內外儲能技術水平比較

3.4 中國政策

國內儲能政策主要停留在指導層面，雖然近些年出臺了若干促進可再生能源發展、分布式光伏發展、電力體制改革的政策，加大了對儲能技術研發的重視程度，但并沒有針對儲能產業機制系統的方案。因此，需要結合國內市場特點，借鑒國外先進經驗，制定出符合我國國情要求，促進儲能產業穩定、長遠、健康發展的政策。

4 我國物理儲能技術發展問題與挑戰

4.1 技術方面

關鍵技術難題。從技術角度來看，影響儲能技術規模化應用的重大技術瓶頸還有待解決，比如大型抽水蓄能機組國產化程度較低，100 MW 級及以上壓縮空氣儲能中高負荷壓縮機和膨脹機技術尚未完全掌握；飛輪儲能的高速電機、高速軸承和高強度復合材料等關鍵技術尚未突破；超導儲能系統的高溫超導材料和超導限流技術等尚未突破等。

技術路線難題。從技術路線角度來看，除抽水蓄能外的物理儲能技術正處在關鍵時期：一方面技術亟待應用檢驗，另一方面應用側在選擇不同技術時又倍感困惑。這對技術的不斷創新提出了更高要求，迫切需要明確相關物理儲能技術發展路線，對其發展提供指導。

4.2 政策方面

標準體系缺失。相關配套管理規范和技術標準缺失，一定程度上導致并網發電企業對儲能技術的應用缺乏內在動力。在產品方面，應建立強制性認證機制，走“先標準、后制造”之路，為儲能產業的發展提供政策保障。

激勵政策不夠完備。目前無論是工商業用戶還是居民用戶，“峰谷電價”等政策的缺失使得用戶端缺乏對儲能應用的熱情和動力。而且現階段我國只有對可再生能源發電的上網電價政策，沒有針對與可再生能源配套的儲能部分的鼓勵政策。此外，由于示范應用的成本較高，如不制定合理的示范項目激勵政策，很難推動儲能系統的商業化運行。

5 建議

（1）加強儲能規模化應用關鍵技術的持續支持力度，針對多種應用，鼓勵并行發展具有不同技術特征的多種儲能技術。對具有重大應用前景、國內已開展基礎研究但尚未掌握的新型儲能技術，通過持續支持，使其盡快達到示范驗證水平。對已獲支持的儲能技術，在充分評估下，對于確實有重大應用前景、進展良好、技術成熟度較高的技術，進一步強化支持，突破瓶頸技術，推進相關技術向產業化和商業化發展。

（2）制定我國物理儲能技術發展路線，包含近、中、長期規劃，作為中國儲能產業發展的目標性指導文件。近期規劃應明確重點發展的技術類別、確立示范項目資金支持和應用方向；中、長期規劃應確立規模、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，使技術的發展有序、有重點、有目標。

（3）出臺儲能示范項目相關配套管理規范和技術標準，建立強制性認證機制。規范儲能產品規格和性能，推動儲能產品規范化生產和示范項目的標準化建設，促進儲能產品和行業的健康發展。

（4）出臺分布式儲能應用的鼓勵辦法、儲能技術和產業發展相關的激勵政策等。增加儲能的應用領域，為儲能建立價格機制、硬件設施投運機制、示范應用項目承擔機制，促進儲能產業發展。