儲(chǔ)能技術(shù)分類及市場需求分析

董 舟，王 寧，李 凱，況 波，李江波，朱 青

（中國電建集團(tuán)河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050031）

儲(chǔ)能主要是指電能的儲(chǔ)存，并通過某種介質(zhì)或者設(shè)備，將各種形式的能量儲(chǔ)存起來，根據(jù)現(xiàn)場所要應(yīng)用的形式，將特定的能量釋放出來的過程。儲(chǔ)能技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)電、輸電、配電、用電四大環(huán)節(jié)，也是發(fā)展可再生能源接入、分布式發(fā)電、微電網(wǎng)和電動(dòng)汽車的必要支持技術(shù)。根據(jù)能量的具體形式，儲(chǔ)能可分為化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能等。

1 儲(chǔ)能技術(shù)分類及應(yīng)用特點(diǎn)

1.1 化學(xué)儲(chǔ)能

化學(xué)儲(chǔ)能主要是指電池儲(chǔ)能，其在儲(chǔ)能密度、儲(chǔ)能效率、儲(chǔ)放電速率等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。化學(xué)儲(chǔ)能主要適用于新能源發(fā)電側(cè)平滑波動(dòng)、調(diào)頻等快速響應(yīng)的應(yīng)用場景。目前適合電網(wǎng)規(guī)模化應(yīng)用的電池技術(shù)主要有鉛酸電池、鋰電池、鈉硫電池和液流電池[1]。

（1）鉛酸電池。鉛酸電池具有儲(chǔ)能容量大、成本低、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但儲(chǔ)能密度低、自放電率高、循環(huán)壽命短、重金屬污染、深度放電對(duì)電池壽命影響較大。目前，鉛酸電池在備用電源領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模最大，例如，在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)提供斷路器開關(guān)電源，在電廠、變電站中起到獨(dú)立供電中斷的作用。

（2）鋰電池。相較于鉛酸蓄電池，鋰電池具有能量密度高、充放電效率高、安全性高的優(yōu)點(diǎn)，可通過串聯(lián)或并聯(lián)獲得高電壓或高容量，但電池壽命仍有待提高。鋰電池各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破以及資源和環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)，使得其在新能源汽車、新能源發(fā)電、智能電網(wǎng)、國防軍工等領(lǐng)域備受青睞。

（3）鈉硫電池。鈉硫電池具有能量密度高、充放電效率高、運(yùn)行成本低、占地面積小、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。但放電深度和循環(huán)壽命有待提高，運(yùn)行需要保持300℃的高溫環(huán)境，運(yùn)行安全性還需要更多工作予以保障。鈉硫電池系統(tǒng)在平滑可再生能源發(fā)電功率輸出、削峰填谷、應(yīng)急電源等領(lǐng)域已有應(yīng)用。

（4）液流電池。液流電池具有高功率的輸出、能夠進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，安全穩(wěn)定的傳輸優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行深度的放點(diǎn)與大電流放點(diǎn)過程，并無需進(jìn)行特殊保護(hù)。液流電池適用于平抑新能源發(fā)電波動(dòng)、輔助調(diào)峰、邊遠(yuǎn)地區(qū)供電、工廠及辦公樓供電、不間斷電源場所等，主要包括鋅溴液流電池，氯化鋅液流電池和全釩液流電池等。

1.2 電磁儲(chǔ)能

電磁儲(chǔ)能主要包括超級(jí)電容器儲(chǔ)能和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能，是功率型儲(chǔ)能技術(shù)。

（1）超級(jí)電容器。超級(jí)電容器具有循環(huán)效率高、充放電速度快、功率密度高、循環(huán)充放電次數(shù)多、工作溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。它主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，具有時(shí)間短、功率負(fù)荷平滑、峰值電能質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。其制約因素主要是能量密度低、自放電率較高、成本較高。

（2）超導(dǎo)磁儲(chǔ)能。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能是將通過變流器進(jìn)入線圈的電能轉(zhuǎn)換為磁能進(jìn)行儲(chǔ)存的一種儲(chǔ)能技術(shù)，在進(jìn)行轉(zhuǎn)換電能時(shí)，功率輸送無需進(jìn)行能源的形式轉(zhuǎn)換，其響應(yīng)的速度為ms級(jí)，轉(zhuǎn)換與循環(huán)的效率較高，具有較大的功率密度和比容量。

1.3 物理儲(chǔ)能

物理儲(chǔ)能主要包括抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能等。

（1）抽水蓄能。抽水蓄能是目前最成熟、建設(shè)規(guī)模最大的蓄能方式。其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括系統(tǒng)的峰值負(fù)荷調(diào)節(jié)、調(diào)頻、相位調(diào)制、應(yīng)急備用、黑啟動(dòng)和后備容量。進(jìn)一步提高整體經(jīng)濟(jì),高水頭抽水蓄能機(jī)組,高速度、大容量發(fā)展方向，未來的重點(diǎn)將基于振動(dòng)和空蝕、變形、止水以及磁性的研究，側(cè)重于操作的可靠性和穩(wěn)定性，水量不大，使用連續(xù)供電的質(zhì)量要求較高的速度控制單元，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率控制[2]。

（2）飛輪儲(chǔ)能。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)比較成熟，具有可長期循環(huán)使用、壽命長、幾乎不受充放電次數(shù)限制、安裝維護(hù)方便、對(duì)環(huán)境無危害的優(yōu)點(diǎn)。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)既可以提供有功和無功功率，又可以從配網(wǎng)中吸收有功和無功功率，適合應(yīng)用于配電網(wǎng)的電能質(zhì)量控制，負(fù)荷跟蹤性好，能自動(dòng)調(diào)節(jié)自身運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)控制配電網(wǎng)電能質(zhì)量，但其容量通常在5kW~1.5MW之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能的容量。

（3）壓縮空氣儲(chǔ)能。壓縮空氣儲(chǔ)能屬于能量型規(guī)模化電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)，具有儲(chǔ)能容量大、存儲(chǔ)時(shí)間長、建設(shè)周期較短、壽命長且無污染等優(yōu)點(diǎn)，可用于削峰填谷、平抑可再生能源間歇性和參與電網(wǎng)二次調(diào)頻等[3]。壓縮空氣儲(chǔ)能裝機(jī)容量可達(dá)數(shù)百兆瓦，規(guī)模僅次于抽水蓄能，且技術(shù)較為成熟，其響應(yīng)時(shí)間等特性適用于電網(wǎng)調(diào)峰，便于開展大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。

1.4 儲(chǔ)能技術(shù)性能對(duì)比

目前，沒有一種儲(chǔ)能技術(shù)能夠同時(shí)滿足能量密度、功率密度、儲(chǔ)能效率、使用壽命、環(huán)境、成本等大規(guī)模應(yīng)用的要求。不同的儲(chǔ)能技術(shù)具有不同的性能特點(diǎn)，也決定了其不同的電網(wǎng)應(yīng)用場景。各種儲(chǔ)能技術(shù)關(guān)鍵性指標(biāo)對(duì)比見表1。

2 儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀簡介

根據(jù)國際能源署（IRENA）數(shù)據(jù)，到2017年中，全球儲(chǔ)能的累計(jì)裝機(jī)為176GW。其中，抽水蓄能裝機(jī)容量169GW、占全球電力儲(chǔ)能總裝機(jī)的96%,蓄熱儲(chǔ)能裝機(jī)容量3.3GW、占全球電力儲(chǔ)能總裝機(jī)的1.9%，電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)容量1.9GW、占全球電力儲(chǔ)能總裝機(jī)的1.1%，機(jī)械儲(chǔ)能（飛輪儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能）總裝機(jī)容量1.6GW、占全球總裝機(jī)容量的0.9%。同時(shí)期，我國可統(tǒng)計(jì)儲(chǔ)能總裝機(jī)為28.9GW，約占全球電力儲(chǔ)能總裝機(jī)的16.4%，主要為抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能，其中抽水蓄能裝機(jī)量占比接近99%[4]。

表1 各種儲(chǔ)能技術(shù)關(guān)鍵性能指標(biāo)對(duì)比

3 儲(chǔ)能市場需求分析

截止2017年底，我國風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量為164GW，太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量為130.25GW。根據(jù)《中國可再生能源發(fā)展路線圖2050》研究報(bào)告，中國的風(fēng)能資源潛力在3000GW左右，但風(fēng)、光可再生能源的發(fā)電特性受到自然條件的約束，特點(diǎn)為間歇性發(fā)電和不穩(wěn)定性發(fā)電。

在一天時(shí)間內(nèi)，客戶端用電不穩(wěn)定，電力負(fù)荷受白天高峰和夜間低谷的周期性變化影響，負(fù)荷峰谷差高達(dá)發(fā)電量的30%~40%，給發(fā)電和調(diào)度帶來困難。建立調(diào)峰電站和大規(guī)模、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、響應(yīng)迅速的儲(chǔ)能系統(tǒng)，將非峰功率轉(zhuǎn)化為峰功率，是實(shí)現(xiàn)發(fā)電與用電解耦和負(fù)荷調(diào)節(jié)的有效途徑。

4 結(jié)語

隨著電力需求和生產(chǎn)的不斷增長，電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差不斷擴(kuò)大。電力蓄能系統(tǒng)迫切需要與之相匹配，平滑電力負(fù)荷，提高設(shè)備運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以“拼接”間歇性可再生能源，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而解決可再生能源發(fā)展的瓶頸問題。本文通過對(duì)各類儲(chǔ)能技術(shù)特性和市場需求分析，闡明了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)在電力建設(shè)中的重要作用和巨大發(fā)展前景，我們應(yīng)進(jìn)一步加大相關(guān)技術(shù)研究，切實(shí)推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，使其在未來智能電網(wǎng)、可再生能源接入、分布式發(fā)電、微網(wǎng)以及電動(dòng)汽車發(fā)展中發(fā)揮其重要作用。