基于能源互聯網背景芻議電力儲能技術發展問題

葉書雄

廈門海索科技有限公司，福建廈門，361000

0 引言

隨著現代科學技術的發展，儲能技術作為重要產物，是電力網絡系統建設和升級的關鍵內容。在能源互聯網建設環境中，儲能研究與技術應用都具有非常重要的意義。在能源互聯網背景下，中國的電力儲能技術依然存在一些問題，技術水平相對落后，不能滿足實際的發展需要。因此，有必要對電能存儲技術進一步深入研究。

1 能源互聯網環境下電力儲能技術發展的具體情況

1.1 現存電力儲能技術類別

1.1.1 機械類儲能

從機械式蓄能的應用形式來看，主要包括三種，即抽水蓄能、壓縮空氣蓄能和飛輪蓄能。其中的抽水蓄能，是在電網運行處于低谷狀態的時候，多余的水注入液體能源媒體，從低海拔到高海拔水庫。當電網處于高峰負荷狀態的時候，高海拔的水庫流回到儲層低驅動渦輪發電機進行發電。

該種儲能技術所發揮的功能為大規模集中儲能，技術已經成熟，在電網能源管理中以及調峰的過程中可以使用。其儲能效率可以達到65%至75%，甚至能夠達到80%至85%。其負荷響應的速度非?？?，10%的負荷變化時間僅僅需要10秒，從全停機到滿負荷發電約就需要持續大約5分鐘的時間，從全停機到滿負荷抽水約需要持續1分鐘的時間。

1.1.2 飛輪儲能

在飛輪儲能系統中，電能用于真空外殼中的加速轉子可以達到每分鐘轉幾萬轉的速度，從而將電能儲存為動能，即將大車輪儲存的慣性能量充分利用起來。該儲能技術所具備的優勢在于，壽命可以達到15年至30年，儲能效率非常高，能夠達到90%，維護少，有很好的穩定性，為高功率密度，能夠快速響應，達到毫秒級。技術的應用中也存在不足，即能量密度不是很高，只持續幾秒至幾分鐘的時間。由于軸承磨損和空氣阻力作用，會存在自放電性。

1.1.3 壓縮空氣能源儲備

在應用壓縮空氣能源儲備技術的過程中，要發揮空氣的載體作用以傳輸能量。大型壓縮空氣儲能利用多余的電能使得空氣被壓縮，并儲存在地下結構中。當需要能量的時候，壓縮空氣混合到天然氣當中，燃燒過程中釋放熱量，出現膨脹現象，就能驅動燃氣輪機發電。這種儲能技術所具備的優勢在于，發揮調峰功能，大型風場比較適合應用該技術。由于風能產生的機械功可以直接驅動壓縮機旋轉，不需要中間轉化，由此提高了效率。該儲能技術也存在缺點，就是需要大型洞穴來儲存壓縮空氣，與地理環境密切相關，合適的地點非常有限。儲能的時候需要燃氣輪機，并有一定數量的燃氣作為燃料，能源管理、負荷均衡和削峰的時候比較適用。人們曾經開發了一種非絕熱壓縮空氣儲能技術，當空氣處于壓縮狀態的時候，所釋放的熱量不是儲存起來的，而是通過冷卻的方法散失，壓縮空氣在進入渦輪之間則需要再一次加熱。因此，整個工藝效率不是很高，通常在50%以下。

1.1.4 超級儲能

根據電化學雙電層理論的發展，超級儲能也被稱為雙電層電容器，兩個電荷層之間的距離非常小，通常不足0.5毫米，使用特殊的電極結構，這樣電極的表面積增加10000倍，從而產生巨大的能力。該儲能技術的壽命長，循環次數比較多。充放電時間快，響應速度快，效率高，維修少，沒有旋轉部件[1]。工作溫度范圍比較寬，具有環保價值。該儲能技術存在缺點，即超級電容器的介電電阻很低，一般制成的電容器的電壓電阻僅僅為幾伏，儲能水平戶籍受電壓電阻的限制，所以儲能很少。其為低能量密度，投入的資金量大，有一定的自放電速率。

1.1.5 超導儲能

The plastic data of the bumper is shown in Figure 5.

超導儲能系統的構成上來看，主要為線圈、PCS和低溫系統，低溫系統由超導材料制成，放在低溫容器中。當直流電處于超導線圈中循環的時候，能量在磁場中存儲。由于電能是在磁場中直接存儲的，沒有實現轉換，無論是充電，還是放電，速度都非常快，大約為幾毫秒至幾十毫秒，功率密度很高。響應速度非?？?，可以提高配電網的電能質量。該儲能技術所存在的缺點是，超導材料價格高，維持低溫制冷運行需要大量的能源。能量密度低，所持續的時間僅僅為幾秒鐘。雖然已經有商用低溫和高溫超導儲能產品，但成本非常高，技術維護復雜，在電網中幾乎不會使用，而是停留在實驗層面。

1.1.6 鋰離子電池

鋰離子電池中嵌入有化合物，其正極和負極是不同的鋰離子。在進行充電時的過程中，Li+從正極流出，發揮電解液的傳輸作用，進入到負極。如果負極是富鋰狀態，正極處于貧鋰狀態。鋰離子電池有很高的效率，能夠超過95%，放電的過程需要比較長時間，為幾個小時，循環次數甚至可以達到5000次以上，能夠快速響應，鋰離子電池是比能最高的實用電池，有多種材料可用于其正極和負極。但是，鋰離子電池價格高，有時過充會導致發熱、燃燒等安全問題，所以需要采用過充保護的方式。

1.1.7 熱儲能

在熱能儲存系統中，熱能儲存在一個絕熱容器的介質當中，可以在以后需要時轉換回電能，也可以直接使用而不需要轉換回電能。蓄熱技術有很多種，在顯熱蓄熱模式下，蓄熱介質可以為液態水。熱水可直接使用，也可以用于房間供熱。運行的過程中，熱水的溫度是可變的。該儲能技術存在不足，需要多種高溫化學熱工介質，導致其應用受到限制。由于蓄熱能能夠儲存大量的熱量，在利用的過程中，在可再生能源發電中會起到一定的作用。熔鹽是熱太陽能電站常用的相變材料。此外，還有許多其他種類的蓄熱技術正在開發當中，都可以發揮不同的作用。

1.1.8 化學類儲能

氫氣是由廢棄的風能產生的，通過電解將水分解成氫和氧得到的。氫氣可以直接作為能量的載體，然后氫氣與二氧化碳經過化學反應之后就可以生成合成天然氣(甲烷)，生成合成天然氣作為另一種二次能量載體。使用這兩種材料作為能量載體的優點是能量存儲非常大，能夠達到太赫茲級，其可以保存很長時間，甚至幾個月。除了發電之外，氫和合成天然氣還可以用于其他方面，比如交通運輸。該儲能技術也存在不足，即全循環效率不是很高，制氫效率僅為70%左右，而合成天然氣的生產效率為60%至65%，從發電到用電的全循環效率不是很高，僅僅為30%至40%。

1.2 基于能源互聯網背景的電力儲能技術類別

1.2.1 廣域能源網絡應用

骨干網運行的過程中應用大規模儲能技術，可以做到能源生產集中化，用于管理廣域能源，如果能源生產的規模比較大，而且有大量的能源傳輸，可以確保能量處于緩沖狀態，如此可以支持廣域能源的調度工作，保證系統的供應與需求持有平衡狀態。儲能容量非常大的運營商可以在能源市場直接交易，隨著能源市場中不斷變化的價格，能源買賣也更加靈活，還可以提供高附加值的調整服務。

1.2.2 局部能源網絡有效應用

在局域能源網絡運行的時候，儲能的過程中還要配合能量轉換裝置，確保系統的運行效率高，而且保證經濟性。當局域能源網管理系統運行的時候，需要考慮到存儲能源的狀態，還要明確供應與需求預測信息，充分考慮到能源的價格，針對局域網絡運行過程中的能源生產以及消費將決策制定出來，買賣能源的時候還可以在能源市場中實現。應用網絡技術建立虛擬能源站，由于生產者存在分散性，對其行為難以預測，要有效管理分布式電源以及電動汽車，難度是非常大的。通過發揮儲能的作用，能源生產者雖然比較分散，但是供應能源的能力更強，還可以進入到能源市場進行交易。

2 能源互聯網環境背景下的電力儲能技術發展問題

2.1 技術發展存在多樣的限制

在技術發展會存在多樣的限制，主要體現為大容量儲能規劃不能與可再生能源發電協同調度，儲能的能量流量大，能量調度技術不能很好地發揮作用。蓄能轉換裝置不能一體化設計，也不能協調配置。對于能源交易以及儲能定價機制都不能充分考慮，導致儲能技術的優勢不能充分發揮[2]。

2.2 戰略規劃尚不足

在戰略規劃中，較高比例的可再生能源電網不能得到支持，多能源系統運行的過程中缺乏靈活性和可靠性，多能源系統的能量管理以及路徑不能得到優化，能源交易缺乏一定的自由度。

3 基于能源互聯網背景的電力儲能技術發展思考

3.1 探索技術發展的方向

其一，大容量儲能規劃協同可再生能源發電調度的相關技術。儲能的規模比較大與可再生能源發電之間要有更好的協同性，即需要將相關規劃制定出來，電網級儲能應用要得以實現，其是需要解決的關鍵問題，調度工作也是需要重點關注的。在研究儲能規劃以及調度方法方面，相關的研究依然處于起步階段。在這項工作中存在很多的難點，主要是四個方面：第一個方面，針對新能源發電所存在的不確定性構建的模型、控制能源儲備成本的模型、評估系統風險的模型、優化問題并予以解決的模型。關于其他的方面，諸如應用新能源供應熱量制氫，大規模電動汽車充電、放電條件的靈活性，電力系統與其他能源系統之間的耦合等等，還要充分考慮到高效利用新能源的問題。

其二，關于能源儲備方面，優化能量流以及調度能量方面依然存在不足。地方能源互聯網需要重點解決的問題是優化能量耦合結構，優化能量流優化，還要管理能量調度。如果當系統中涵蓋儲能的時候，需要在特定的時期內將多個潮流段聯合起來并不斷優化。通過運行能量優化調度模型，對于能源儲備、能量釋放以及空閑狀態都要合理調配。

其三，針對蓄能轉換裝置實施一體化設計，還要協調好各種配置。通過發揮儲能的作用將能源的耦合關系建立起來，對儲能容量合理分配，這是應用能源互聯網的過程中需要直接面對的技術問題?，F在針對這方面的研究不是很多，儲能會在一定程度上影響系統能量傳輸以及轉換的經濟性，還會影響效率，對于可靠性以及動態特性都會有不同程度的影響，對于此都需要作出評價。

3.2 戰略規劃策略

其一，支持較高比例的可再生能源電網運行。儲能需求主要包括兩種類型，一種類型是電力服務，另一種類型是能源服務。當開展電力服務工作中，對于大容量儲能技術需要快速響應，從能源服務的角度而言，要實現雙向儲能，對于儲能容量需要有長時間尺度要求、循環效率比較高，且不會消耗更多的成本，在進行再生能源發電的時候，就會轉移時間維度。如果大規模儲能技術是單向的，比如進行氫以及熱量的存儲，就可以進行新能源轉化，使其以其他能源形式存在[3]。

其二，多能源系統要有較高的靈活性和可靠性。在互聯網上，多種能量流實現耦合，而且相互之間產生作用，使得多種能量系統的運行更加靈活，有較高的可靠性，而且還需要多種能量存儲，使得能量與緊密耦合之間存在緊密相關性。

其三，支持多能源系統的能量管理，同時優化路徑。多能源系統運行決策過程中，主要的對象是能量存儲以及釋放，系統在運行的過程中要充分考慮到儲能狀態，明確其動態變化情況，對于儲能功率的方向以及大小加以確定，使得系統的供應和需求保持平衡狀態。系統潮流的分布必然會對系統的運行產生一定的影響，不能保證其經濟性，也無法提高效率。系統潮流優化的過程中，有兩個非常重要的控制變量，一個是潮流方向，另一個是蓄能量，可以對潮流路徑優化。

4 結語

通過上面的研究可以明確，隨著社會經濟的不斷發展，對能源技術的需求也越來越高。特別是儲能技術、電動汽車、電化學儲能技術等方面對電能儲能技術提出了很大的要求。電力儲能技術的轉型升級對我國國民經濟有著巨大的影響。因此，有必要加快能源互聯網背景下的電能存儲技術的研發，以促進我國能源產業的持續發展。