新型儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展方向研究

中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 陳永敢

1 新型儲(chǔ)能技術(shù)綜述

儲(chǔ)能技術(shù)顧名思義就是利用某種技術(shù)先將能量以某種形式儲(chǔ)存下來(lái)，在需要的時(shí)候再將能量釋放，完成能量在時(shí)空上的調(diào)配，儲(chǔ)能一般是指將暫時(shí)不用的電能轉(zhuǎn)化成其他形式的能量，在需要時(shí)再轉(zhuǎn)化為電能。而更廣泛的儲(chǔ)能是將電能、熱能、機(jī)械能等特殊的能量用不同的方式或者技術(shù)儲(chǔ)存在特定的設(shè)備中，在未來(lái)需要時(shí)，可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的具體情況，釋放出不同種類的能量以供使用[1]。最常規(guī)的儲(chǔ)能方式是抽水蓄能，技術(shù)發(fā)展最為成熟，裝機(jī)容量占比也最大，所謂新型儲(chǔ)能技術(shù)是指除抽水蓄能以外的其他儲(chǔ)能技術(shù)。新型儲(chǔ)能技術(shù)分類如圖1所示。

圖1 新型儲(chǔ)能技術(shù)分類

2 機(jī)械儲(chǔ)能

2.1 壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能是指在用電低谷時(shí)消耗電力驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)形成高壓空氣，在用電高峰時(shí)通過(guò)高壓空氣膨脹做功來(lái)產(chǎn)生電力。壓縮空氣儲(chǔ)能裝機(jī)容量大，儲(chǔ)能量級(jí)可與抽水蓄能相媲美，特別適用于大規(guī)模儲(chǔ)能，功率達(dá)到百兆瓦級(jí)，且建設(shè)周期只需要12～18個(gè)月，具有能量密度高、日常運(yùn)營(yíng)成本低、自放電率低等優(yōu)勢(shì)，技術(shù)正越來(lái)越受到青睞。壓縮空氣儲(chǔ)能通過(guò)三種技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)步：絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能、液態(tài)空氣儲(chǔ)能、超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能。目前非絕熱系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率較低，在40%～55%左右，主要由于能量以熱能形式損失，而絕熱系統(tǒng)的效率在60%～70%左右，故絕熱系統(tǒng)更具有發(fā)展前景。

2.2 重力儲(chǔ)能

重力儲(chǔ)能是利用電能將重物提升到高處，增加其重力勢(shì)能，從而完成儲(chǔ)能過(guò)程，需要時(shí)，通過(guò)重物下落過(guò)程將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，再轉(zhuǎn)化為電能。重力儲(chǔ)能項(xiàng)目具有安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。重力儲(chǔ)能采用機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)化，不會(huì)發(fā)生爆炸，安全性較強(qiáng)；同時(shí)不造成地質(zhì)生態(tài)破壞，環(huán)保效益較好；重力儲(chǔ)能建設(shè)周期通常只需要6個(gè)月左右，壽命可達(dá)30～35年，轉(zhuǎn)化效率約85%，因此從全生命周期角度來(lái)看重力儲(chǔ)能度電成本較低，約為0.5元/kWh，具備良好的經(jīng)濟(jì)性。重力儲(chǔ)能也有一定局限性。目前國(guó)內(nèi)在建的首個(gè)重力儲(chǔ)能項(xiàng)目為中國(guó)天楹在江蘇如東建設(shè)的100MWh 項(xiàng)目，相較抽水蓄能規(guī)模較小；同時(shí)重力儲(chǔ)能響應(yīng)速度達(dá)到秒級(jí)，也略低于電化學(xué)儲(chǔ)能的響應(yīng)速度。重力儲(chǔ)能具有功率大、效率高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，選址不受限制，能夠在中、長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存大量的新能源產(chǎn)生的富余能量，同時(shí)可提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，適用于西部可再生能源的大規(guī)模消納利用，重力儲(chǔ)能在西部新能源消納方面大有可為。

3 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能是利用電能對(duì)放置在真空外殼中的轉(zhuǎn)子進(jìn)行加速，從而將電能以機(jī)械能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，并利用大轉(zhuǎn)輪儲(chǔ)存的慣性能來(lái)儲(chǔ)存電能。飛輪儲(chǔ)能具有響應(yīng)速度快、功率密度高、不受充放電次數(shù)限制等優(yōu)點(diǎn)。飛輪儲(chǔ)能的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到毫秒級(jí)，同時(shí)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種純物理儲(chǔ)能裝置，因此不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，飛輪儲(chǔ)能單機(jī)功率可達(dá)2000～3000kW，可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能0.5～100kWh，且沒(méi)有化學(xué)儲(chǔ)能充放電次數(shù)的限制。飛輪儲(chǔ)能也有缺點(diǎn)，成本較高，能量密度低，儲(chǔ)能容量少，安全性還有待改進(jìn)。飛輪儲(chǔ)能主要應(yīng)用領(lǐng)域是調(diào)頻，由于飛輪儲(chǔ)能具有短時(shí)高頻的特點(diǎn)，適合應(yīng)用在電力系統(tǒng)調(diào)頻方面，同時(shí)在分布式發(fā)電及微網(wǎng)、軌道能量回收、電力輸配、備用電源方面也有應(yīng)用。

4 電化學(xué)儲(chǔ)能

4.1 鉛蓄電池

鉛蓄電池應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最為成熟，成本低廉，是一種通用的儲(chǔ)能技術(shù)，可被用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和電網(wǎng)調(diào)峰等，既可以用于短期平滑也可以應(yīng)用于深度循環(huán)充放電。具有很快的響應(yīng)能力，可以在數(shù)毫秒內(nèi)將輸出功率從0% 提升到 100% 額定功率。但鉛酸蓄電池在充放電次數(shù)上有所限制，循環(huán)使用壽命還有待提高，離大規(guī)模儲(chǔ)電的要求仍有較大差距。此外，由于使用大量的鉛作為電池材料，存在環(huán)境污染的隱患，在鉛蓄電池整個(gè)使用壽命周期內(nèi)都應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的管理。

4.2 鋰離子電池

對(duì)于鋰電池來(lái)說(shuō)，最常用的是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。三元體型鋰電池比能量較其他鋰電池高，但是，非常受循環(huán)技術(shù)和安全技術(shù)的限制。該類電池如果受到較大力的沖擊，集中在一點(diǎn)的沖擊以及遇到過(guò)充或者短路問(wèn)題時(shí)，其內(nèi)部溫度能夠快速達(dá)到 200～300℃，極易導(dǎo)致正極部分內(nèi)部反應(yīng)引起電池整體膨脹甚至爆炸[3]。磷酸鐵鋰電池正極材料的分解溫度在700℃左右。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件下，短路的磷酸鐵鋰電池單體很少著火，因此磷酸鐵鋰電池在安全性方面比三元電池具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，三元鋰電池的理論壽命約為800～1000次循環(huán)，而磷酸鐵鋰電池的理論壽命約為2000次或以上。從循環(huán)壽命的角度來(lái)看，磷酸鐵鋰電池在應(yīng)用和推廣方面更有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也更加安全。

4.3 全釩液流電池

全釩液流電池采用不同價(jià)態(tài)的釩離子溶液分別作為正極和負(fù)極材料，通過(guò)氧化還原反應(yīng)進(jìn)行充放電。全釩液流電池具有安全性高、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、長(zhǎng)期儲(chǔ)能的特點(diǎn)。全釩液流電池的介質(zhì)為含釩離子的稀硫酸水溶液，工作環(huán)境為常溫常壓，不易發(fā)生爆炸和燃燒。在100%充放電循環(huán)下，充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)20000次以上，整個(gè)生命周期的保能率可達(dá)100%。是大容量高效儲(chǔ)能技術(shù)解決方案的首選之一。同時(shí)，釩電池適用于中長(zhǎng)期儲(chǔ)能，儲(chǔ)能時(shí)間可達(dá)4～12h。全釩液流電池成本較高，技術(shù)還有待改進(jìn)。目前全釩液流電池電堆的額定工作電流密度較低，造成其功率密度較低、材料用量大，成本高[4]。

5 氫儲(chǔ)能/熱儲(chǔ)能

5.1 氫儲(chǔ)能

氫儲(chǔ)能技術(shù)利用電—?dú)洹姷幕プ冃浴；驹硎请娊馑螳@得氫和氧，利用多余電力大規(guī)模生產(chǎn)氫。首先，將電能轉(zhuǎn)化為氫能并儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)電力輸出不足時(shí)，使用氫燃料電池或其他方法再將其轉(zhuǎn)換回電能。氫能清潔、高效，是化學(xué)儲(chǔ)能的延伸，氫能是最理想的能量載體，具有能量密度高、運(yùn)行成本低、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn)。氫儲(chǔ)能缺點(diǎn)主要是效率較低、儲(chǔ)氫技術(shù)難、安全性較低。氫儲(chǔ)能技術(shù)目前還不成熟，高工產(chǎn)研氫電研究所曾作出分析，氫儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)效率僅35%左右，相較于其他儲(chǔ)能較低，同時(shí)儲(chǔ)氫技術(shù)仍需突破，氫氣是一種無(wú)色無(wú)味且易燃易爆氣體，安全性需要進(jìn)一步提高。氫儲(chǔ)能是一種很有前景的儲(chǔ)能技術(shù)，可應(yīng)用于新能源消納、電網(wǎng)調(diào)峰填谷、用戶冷熱電氣聯(lián)供、微電網(wǎng)等多種場(chǎng)景。氫儲(chǔ)能技術(shù)若要進(jìn)行大規(guī)模地應(yīng)用，必須先解決儲(chǔ)氫、運(yùn)氫的安全和成本問(wèn)題，氫能儲(chǔ)運(yùn)在產(chǎn)業(yè)鏈中成本較高，高效率和低成本是氫能儲(chǔ)運(yùn)的發(fā)展趨勢(shì)。

5.2 熔鹽儲(chǔ)能

熔鹽儲(chǔ)能采用智能互補(bǔ)系統(tǒng)，使用風(fēng)電、光伏、夜間低谷電源為熔鹽電加熱器供電。熔鹽通過(guò)熔鹽電加熱器加熱，儲(chǔ)存熱量；高溫熔鹽在放熱過(guò)程中，與換熱系統(tǒng)中的水交換熱量，釋放熱量。熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)具有規(guī)模大、時(shí)間長(zhǎng)、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。熔鹽儲(chǔ)熱具備單日10h 儲(chǔ)熱能力，且儲(chǔ)能規(guī)模可達(dá)幾百兆瓦。

熔鹽儲(chǔ)能工作原理是加熱熔鹽儲(chǔ)能，并通過(guò)蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，整個(gè)過(guò)程不產(chǎn)生污染排放。根據(jù)CNESA 全球儲(chǔ)能項(xiàng)目庫(kù)，截至2021年底，熔鹽儲(chǔ)熱占我國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)1.2%，熔鹽儲(chǔ)熱規(guī)模達(dá)到0.5GW，主要應(yīng)用在光電發(fā)熱方面，特點(diǎn)是將儲(chǔ)熱和傳熱介質(zhì)合為一體。未來(lái)熔鹽儲(chǔ)熱在清潔供熱、火電靈活性改造方面有廣闊的發(fā)展空間。熔鹽儲(chǔ)熱可以將棄風(fēng)、棄光電、低谷電等電能儲(chǔ)存起來(lái)，在需要的時(shí)候釋放，減少用戶用能成本；同時(shí)可以為火電電廠減小供熱機(jī)組熱負(fù)荷，或增大供熱機(jī)組發(fā)電出力調(diào)節(jié)范圍，提高電廠的運(yùn)行靈活性。

6 不同儲(chǔ)能類型發(fā)展展望

不同的儲(chǔ)能技術(shù)類型各有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用不同的應(yīng)用場(chǎng)景，不同儲(chǔ)能類型技術(shù)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1，各自處在不同的發(fā)展階段。常規(guī)抽水蓄能技術(shù)成熟，容量規(guī)模大，運(yùn)行成本低，負(fù)荷響應(yīng)速度快，但受制于地理?xiàng)l件限制，鋰離子電池和鉛酸電池商業(yè)化成熟，占據(jù)目前電化學(xué)儲(chǔ)能的主要份額，全釩液流電池異軍突起，安全性高，使用壽命長(zhǎng)，原材料不受限制，適用于大規(guī)模儲(chǔ)能，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α嚎s空氣儲(chǔ)能技術(shù)逐漸成熟，我國(guó)的壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目正式進(jìn)入百兆瓦級(jí)時(shí)代，其中人工硐室儲(chǔ)氣技術(shù)可擺脫天然洞穴依賴，有利于百兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站靈活選址，為大規(guī)模推廣奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。重力儲(chǔ)能安全性和經(jīng)濟(jì)性兼具，具有不錯(cuò)的發(fā)展前景，目前還處在試驗(yàn)探索階段，技術(shù)有待驗(yàn)證。飛輪儲(chǔ)能調(diào)頻性能優(yōu)越，但價(jià)格較高，存在一定的安全隱患。氫儲(chǔ)能極具發(fā)展?jié)摿Γ珰錃獾娜键c(diǎn)較低，易爆炸，對(duì)儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的安全性也有極高的要求，儲(chǔ)氫技術(shù)還有待突破。熔鹽儲(chǔ)熱受益于西北風(fēng)光大基地配儲(chǔ)需求，大型化特征明顯，有望實(shí)現(xiàn)跨越式增長(zhǎng)。

表1 不同儲(chǔ)能類型技術(shù)參數(shù)對(duì)比