新型電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展研究

崔俊舉

國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)源電力有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000

0 引言

隨著信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，能源互聯(lián)網(wǎng)的概念被提出。能源互聯(lián)網(wǎng)是一種與各種類型負(fù)載依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建起的新型電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是一種全新的能源利用體系。通過能源互聯(lián)網(wǎng)可綜合運(yùn)用電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和智能管理技術(shù)，對(duì)分布式能量進(jìn)行采集、儲(chǔ)存，可以實(shí)現(xiàn)電力能源的雙向流動(dòng)，達(dá)到電力能源對(duì)等互換的目的。能源互聯(lián)網(wǎng)具有可再生、分布式、互聯(lián)性、開放性、智能化5個(gè)主要特征。儲(chǔ)能技術(shù)在電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中起到重要作用。全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織在2020年7月發(fā)布的《在新冠肺炎疫情背景下加速實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)》提出，在全球新冠疫情暴發(fā)的嚴(yán)峻形勢(shì)下，各國(guó)將推動(dòng)清潔能源發(fā)展和電力互聯(lián)互通納入經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇計(jì)劃中，在聯(lián)合國(guó)層面建立全球能源互聯(lián)網(wǎng)工作機(jī)制，成立區(qū)域合作中心，支持全球能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究規(guī)劃與項(xiàng)目建設(shè)。全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織正是由我國(guó)在能源領(lǐng)域發(fā)起并成立的首個(gè)國(guó)際組織，對(duì)推進(jìn)清潔能源發(fā)展發(fā)揮著舉足輕重的作用。在這樣的背景下，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電力系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

儲(chǔ)能技術(shù)的種類較多，可按照電力能源的儲(chǔ)能過程和儲(chǔ)能形式進(jìn)行劃分，主要包括物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能兩大類別，但相關(guān)人員將超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能從物理儲(chǔ)能中分離，歸類為電磁儲(chǔ)能[1-2]。電力系統(tǒng)儲(chǔ)能原理圖如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)儲(chǔ)能原理圖

目前應(yīng)用最為成熟且廣泛的為抽水蓄能電站，該技術(shù)一直在儲(chǔ)能領(lǐng)域中保持最高占比，據(jù)統(tǒng)計(jì)，其裝機(jī)量約占儲(chǔ)電項(xiàng)目總裝機(jī)容量的90%。近10年，鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)得以快速發(fā)展，其性能得到較大程度的提升，生產(chǎn)成本得到大幅度降低。從現(xiàn)狀來看，鋰電池在電力系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)中的發(fā)展前景非常廣闊，鋰電池可以作為化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的主要代表。氫儲(chǔ)能是一種新型儲(chǔ)能技術(shù)，其特點(diǎn)是成本低廉、使用壽命長(zhǎng)，且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，使用效率也非常高，其發(fā)展前景廣闊，可以用于清潔能源消納、電網(wǎng)調(diào)峰和分布式能源系統(tǒng)等不同場(chǎng)景中。

各種不同類型的儲(chǔ)能技術(shù)在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中得以快速推廣與應(yīng)用，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出，這些電力系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)也面臨著較大的考驗(yàn)。一方面，這些儲(chǔ)能技術(shù)都存在一定的局限性，在應(yīng)用過程中會(huì)受到諸多因素的影響，如應(yīng)用場(chǎng)景、應(yīng)用方式、現(xiàn)有技術(shù)水平等，均會(huì)限制其應(yīng)用與發(fā)展，因此通常在選擇時(shí)會(huì)優(yōu)先考慮儲(chǔ)能方式所具備的突出優(yōu)點(diǎn)，或者能夠在應(yīng)用場(chǎng)景中有效的規(guī)避其缺點(diǎn)，通過這樣的方式選擇可以滿足建設(shè)需求。另一方面，可再生能源的利用與發(fā)展對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)提出了更高的需求，儲(chǔ)能技術(shù)需為可再生能源的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行提供良好的服務(wù)，這也是新時(shí)期能源行業(yè)所面臨的重大挑戰(zhàn)[3]。

2 電力系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展存在的問題

目前，在電力系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展過程中遇到的比較突出的問題主要有兩個(gè)方面：一是技術(shù)性問題，二是戰(zhàn)略性問題。技術(shù)性問題主要表現(xiàn)在儲(chǔ)能技術(shù)性能方面存在的技術(shù)缺陷，戰(zhàn)略性問題則是表現(xiàn)在儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中遇到的瓶頸。

2.1 技術(shù)性問題

儲(chǔ)能技術(shù)在發(fā)展過程中存在各種各樣的技術(shù)性問題，主要可歸納為提高性能和降低成本[4]。

（1）性能。性能涉及多個(gè)方面，主要包括使用壽命、功率密度、能量密度等關(guān)鍵點(diǎn)。從可再生能源的需求角度看，儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)具有需求平穩(wěn)、可控地釋放、平滑波動(dòng)、跟蹤調(diào)度輸出、調(diào)峰調(diào)頻等方面的功能。如果儲(chǔ)能技術(shù)能夠完全達(dá)到上述指標(biāo)的要求就可以視作儲(chǔ)能技術(shù)未來發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)。筆者對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上不同類型的儲(chǔ)能方式進(jìn)行了比較，總結(jié)了各種儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

第一，鉛酸電池。鉛酸電池的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在原料成本低廉、輸出電壓比較穩(wěn)定、維護(hù)比較簡(jiǎn)單、可靠性較高、廢舊電池可回收利用等方面；但其缺點(diǎn)也比較突出，鉛酸電池的能量較低，為30～40 Wh/kg，而且其生產(chǎn)過程中存在一定的污染問題，需要做好三廢處理。

第二，鋰離子電池。能量密度高是鋰離子電池的主要優(yōu)點(diǎn)，并且隨著技術(shù)的發(fā)展還在不斷提高；鋰離子電池輸出電壓高、功率大，循環(huán)性能優(yōu)越；充電效率高，可進(jìn)行快速充放電。鋰離子電池也被稱為綠色電池，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染；其使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)在淺深度充放電狀態(tài)下循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到5 000次以上。鋰離子電池的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在成本高，與普通電池的相容性差，而且必需設(shè)置保護(hù)電路，用來防止出現(xiàn)過充或過放的問題。

第三，液流電池。液流電池的主要優(yōu)點(diǎn)是安全、可靠，可以進(jìn)行深度放電，對(duì)儲(chǔ)罐的尺寸要求不嚴(yán)格，可大規(guī)模使用；液流電池的充放電速率較高、使用壽命較長(zhǎng)，且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，噪聲也比較小。但是，液流電池的正負(fù)極電解液極易發(fā)生交叉污染的問題；有些環(huán)境中還需要用到價(jià)格高昂的離子交換膜；液流電池的能量轉(zhuǎn)換效率較低也是目前比較突出的技術(shù)性問題。

第四，鈉硫電池。鈉硫電池的優(yōu)缺點(diǎn)比較明顯，優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在能量大、效率高、成本低，生產(chǎn)工藝也較簡(jiǎn)單，使用壽命也較長(zhǎng)；但是，其安全性較差，所使用的原材料具有易燃的特性。后續(xù)如果能解決其安全性問題，那么該電池的應(yīng)用前景將非常廣闊。

第五，抽水蓄能。抽水儲(chǔ)能是一種利用水作為儲(chǔ)能介質(zhì)的儲(chǔ)能技術(shù)，其根本原理是利用電能與勢(shì)能之間的相互轉(zhuǎn)化，完成電能的儲(chǔ)存與管理。這種方法的電能循環(huán)效率較高，額定功率較大，運(yùn)行過程中所耗費(fèi)的資金較少，自放電率較低。但是，抽水蓄能電站的特點(diǎn)決定了其選址方面會(huì)受到諸多因素的影響，而且會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成一定的破壞。

第六，壓縮空氣儲(chǔ)能。與抽水蓄能電站建設(shè)相比，這種技術(shù)的建設(shè)成本與運(yùn)行成本都相對(duì)更低，建設(shè)規(guī)模則更大，運(yùn)行壽命也更久，具有較高的穩(wěn)定性。但是，傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能方式會(huì)消耗較多的化石燃料，造成一定的環(huán)境污染，不利于能源經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，并且會(huì)受到地理環(huán)境的影響。雖然新型地上壓縮空氣方式進(jìn)行了相關(guān)改進(jìn)，但是仍然存在運(yùn)行成本高、效率低、響應(yīng)慢等問題。

第七，飛輪儲(chǔ)能。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的損耗非常低，功率密度較高，有著較為突出的能量轉(zhuǎn)化效率，充電時(shí)間較短，對(duì)周圍環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生危害，使用壽命較長(zhǎng)。但是，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的自放電率較高，實(shí)際儲(chǔ)能密度低，最終表現(xiàn)為價(jià)格高昂。

第八，超導(dǎo)儲(chǔ)能。雖然超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的充放電效率非常高、功率密度也較高，有著比較突出的響應(yīng)速度。但是，由于超導(dǎo)材料的價(jià)格非常昂貴，同時(shí)電力系統(tǒng)需要維持低溫制冷運(yùn)行，導(dǎo)致其能源消耗較高，不適合大范圍推廣使用。

第九，超級(jí)電容器。超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在充放電循環(huán)次數(shù)多，充放電的時(shí)間比較快，有著較快的響應(yīng)速度，維護(hù)簡(jiǎn)單，屬于環(huán)境友好型；其缺點(diǎn)是儲(chǔ)能量較小，能量密度低，需要投入較高的資金，還存在自放電的可能。

（2）各種儲(chǔ)能電池的技術(shù)難點(diǎn)。通過分析可知，鋰離子電池在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域有著較明顯的優(yōu)勢(shì)。鋰離子電池的正負(fù)極是采用鋰或者鋰合金材料，并且使用了非水電解質(zhì)溶液，主要由正負(fù)極、隔膜和電解液三個(gè)部分組成[5]。可用于鋰電池生產(chǎn)材料也非常廣泛，如磷酸鐵鋰、鈦酸鋰、鎳鈷錳酸鋰。目前，在鋰離子電池發(fā)展過程中面臨的難點(diǎn)問題是如何有效解決鋰離子電池的使用安全問題、充放電速率問題、使用壽命問題以及存儲(chǔ)能量的密度問題，如果這些問題得不到有效解決，鋰離子電池的發(fā)展將會(huì)陷入瓶頸[6]。目前很多電動(dòng)汽車產(chǎn)品上所使用的電池均為鋰電池，其使用安全與續(xù)航是人們所關(guān)注的重點(diǎn)問題。除了鋰離子電池，其他類型的電池也有著廣闊的發(fā)展空間，如鈉硫電池，目前在歐洲和日本市場(chǎng)中的應(yīng)用比例相對(duì)較高，雖然鈉硫電池的能量密度較高、成本較低，但是對(duì)于運(yùn)行的條件要求非常高，整體投入資金較多，其安全性與經(jīng)濟(jì)性的問題亟待解決。鉛碳電池在國(guó)外市場(chǎng)應(yīng)用較早，相對(duì)于鉛酸電池來說，鉛碳電池的各項(xiàng)指標(biāo)更優(yōu)，但是由于鉛碳電池所使用的關(guān)鍵材料并沒有實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，同時(shí)其使用壽命較短，因此鉛碳電池在我國(guó)沒有得到快速推廣。

氫儲(chǔ)能技術(shù)是以化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，現(xiàn)階段有些國(guó)家已經(jīng)將這種技術(shù)進(jìn)行了推廣，但是目前尚處于初始建設(shè)階段。在物理儲(chǔ)能技術(shù)中，當(dāng)前應(yīng)用較廣的有壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能等。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在能源多媒體中應(yīng)用效果比較顯著，與不均衡、不同步的太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能等相比，空氣能相對(duì)更為穩(wěn)定，操作也更加便捷，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)本身屬于環(huán)境友好型，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，安全性也非常高。然而，對(duì)地理?xiàng)l件的要求比較嚴(yán)格和建設(shè)費(fèi)用高昂限制了該技術(shù)的發(fā)展。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)雖然能夠提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和靈活性，尤其是針對(duì)可再生能源的消納效果明顯，但是該技術(shù)在我國(guó)尚未得到大范圍的推廣使用，成熟運(yùn)作的產(chǎn)品較少，需要在技術(shù)性方面進(jìn)入深入研究。超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容器這兩種儲(chǔ)能技術(shù)均利用了電磁原理，各種研究數(shù)據(jù)表明，這兩種技術(shù)具有效率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際應(yīng)用中受到原材料與研發(fā)技術(shù)的限制，一些技術(shù)性的問題得不到有效解決，影響其發(fā)展應(yīng)用[7]。

2.2 戰(zhàn)略性問題

儲(chǔ)能技術(shù)要想得以快速發(fā)展，在國(guó)家層面，應(yīng)制訂相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃，構(gòu)建完善的核心技術(shù)研發(fā)體系，制訂嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)體系，引導(dǎo)市場(chǎng)的運(yùn)作機(jī)制與商業(yè)化運(yùn)行模式。由于我國(guó)在儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，電力系統(tǒng)儲(chǔ)能核心技術(shù)的研發(fā)體系并不完善，尤其是頂層設(shè)計(jì)與底層環(huán)節(jié)的支撐上表現(xiàn)得較為突出，現(xiàn)階段核心技術(shù)并不能夠支撐電力儲(chǔ)能目標(biāo)需求的實(shí)現(xiàn)，技術(shù)滯后是阻礙發(fā)展的根本原因。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)體系的不完善也形成了很大阻礙，由于電力儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)涉及范圍非常廣泛，涵蓋了工程、環(huán)境、消防、交通等領(lǐng)域，電力儲(chǔ)能項(xiàng)目的建設(shè)發(fā)展還需要相關(guān)領(lǐng)域的制度與標(biāo)準(zhǔn)的支撐。電力儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)需要大量資金的投入，目前處于高投資、低回報(bào)的階段，而良好市場(chǎng)化與商業(yè)化運(yùn)作是解決電力儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域資金難題的重要途徑[8]。

3 儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展措施

3.1 做好多種能源的合理調(diào)度

在當(dāng)前能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，各種可再生能源的加入使網(wǎng)絡(luò)變得復(fù)雜，新能源+儲(chǔ)能的運(yùn)作模式是解決電源側(cè)不確定性的關(guān)鍵。通過對(duì)多種能源的合理調(diào)度與監(jiān)控，可以增加電力能源的可調(diào)性與電網(wǎng)的適應(yīng)性，利用調(diào)度系統(tǒng)收集各種數(shù)據(jù)、發(fā)送控制指令、控制系統(tǒng)的運(yùn)行，可以使電力系統(tǒng)能源互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行效率得到大幅提升。

3.2 做好大容量?jī)?chǔ)能的規(guī)劃布局

能源互聯(lián)網(wǎng)的初衷是提高清潔能源的利用效率，這需要大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)的支持。在實(shí)際工作中應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行提升與優(yōu)化，努力提升效率、降低成本，還要綜合考慮用戶側(cè)、發(fā)電側(cè)、配電網(wǎng)側(cè)的各因素，做好大容量?jī)?chǔ)能的整體規(guī)劃布局，合理配置容量。

3.3 實(shí)現(xiàn)集成化與模塊化儲(chǔ)能

隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，集成化與模塊化已成為智能設(shè)備發(fā)展的主要趨勢(shì)，這對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展也有著較大的幫助。此外，加快儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成化、模塊化研發(fā)，提高系統(tǒng)控制的工作效率，使能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行更加的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定，是當(dāng)前一項(xiàng)戰(zhàn)略性任務(wù)。

4 結(jié)束語

在當(dāng)前全球能源危機(jī)的背景下，大力發(fā)展電力系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。全球能源互聯(lián)網(wǎng)具有智能化、前瞻性、復(fù)雜性、物聯(lián)性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，有助于我國(guó)完善傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)體系，大量可再生能源的開發(fā)與利用，從而為我國(guó)社會(huì)發(fā)展提供便利。基于此，相關(guān)部門需要依托能源互聯(lián)網(wǎng)體系，做好技術(shù)方面的突破與戰(zhàn)略方面的引導(dǎo)，重點(diǎn)解決電力儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展過程中技術(shù)性與戰(zhàn)略性問題，推進(jìn)電力儲(chǔ)能技術(shù)的健康發(fā)展。