大容量儲能技術在張家口地區的探索與實踐

摘 要：首先對大容量儲能技術的發展前景、技術要求與路線進行了簡述，其次對大容量儲能技術在張家口地區應用的可行性進行了分析，然后通過張家口地區的典型儲能項目案例分析大容量儲能技術在張家口地區的應用效果，最后對張家口地區的儲能技術發展趨勢進行了預測。未來，隨著液流電池儲能、壓縮空氣儲能等儲能技術逐漸成熟、規模不斷增加、成本持續下降，這些技術都將會成為新型儲能的重要力量。以期本研究為大容量儲能技術應用提供借鑒，為中國在沙漠、戈壁、荒漠建設風儲、光儲或風光儲一體化基地提供參考。

關鍵詞：光伏發電；風電；儲能技術；大容量；電化學儲能；壓縮空氣儲能；抽水蓄能

中圖分類號：TK02 文獻標志碼：A

0" 引言

隨著《“十四五”新型儲能發展實施方案》（發改能源[2022]209號）的印發，儲能行業開始向商業化初期過渡，其市場規模穩步擴大，所起到的支撐作用初步顯現[1]。

本文針對大容量儲能技術的應用問題，首先對大容量儲能技術的發展前景、技術要求與路線進行簡述；其次，對大容量儲能技術在張家口地區應用的可行性進行分析；然后通過張家口地區的典型儲能項目案例分析大容量儲能技術在張家口地區的應用效果；最后對張家口地區的儲能技術發展趨勢進行預測。

1" 大容量儲能技術的發展前景

1.1" 大容量儲能技術概述

儲能技術是指通過介質或設備將能量存儲，并在需要時將能量釋放的技術，通常所儲存的能量為電能，其對提高電力系統的供電可靠性，改善電能質量有明顯作用。儲能技術主要包括電化學儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能技術和抽水蓄能等類型，其中，前3種儲能技術屬于新型儲能技術[2]。電化學儲能、壓縮空氣儲能、抽水蓄能是目前主流的大容量儲能技術。大容量儲能技術主要應用于平衡電力供需落差，特別是在新能源發電滲透率提高的情況下，有助于確保電力系統的長期穩定。

1.2" “雙碳”背景下的儲能

隨著“雙碳”目標的提出，中國逐步確立了新能源作為電力系統主體能源的地位，但在新能源高速發展的情況下，電力系統對可用于調峰的靈活資源的需求缺口越來越大，電力行業也在尋找更好地調峰手段和調峰資源[3]。在此背景下，中國政府出臺了一系列政策措施，用于推動儲能行業的發展。“十四五”期間，儲能項目廣泛應用，形成較為完整的產業體系，成為能源領域新的經濟增長點[4]。

1.3" 大容量儲能技術的發展歷史

中國大容量儲能技術的發展歷史可以追溯到20世紀中后期，1968年河北崗南水庫電站和1973年北京密云水庫白河水電站的建設，標志著中國抽水蓄能電站的建設正式拉開序幕。自2019年開始，儲能市場規?？焖僭鲩L，大容量儲能技術得到快速發展，其中，抽水蓄能是主要的儲能方式，電化學儲能也在快速崛起。大容量儲能技術被認為是實現電力行業脫碳的關鍵。

1.4" 大容量儲能技術的發展現狀

目前，大容量儲能技術正在受到越來越多的關注，儲能行業繼續保持高速發展態勢。

截至2022年底，中國已投運的電力儲能項目的累計裝機容量為59.8 GW，其中，抽水蓄能的累計裝機容量占比首次低于80%，同比下降8.3個百分點；新型儲能技術繼續高速發展，累計裝機容量首次突破10 GW，達到13.1GW/27.1GWh，功率規模年增長率達到128%，能量規模年增長率達到141%[5]。

1.5" 大容量儲能技術的政策支持

隨著儲能技術的快速發展，中國各地積極出臺相關政策以推動儲能項目的落地和儲能產業的發展；而補貼政策作為其中的重要手段之一，可以有效刺激儲能市場需求，促進儲能技術創新和企業運營效率提升。

中國不同地區的補貼政策側重點各有不同，但總體來說，都是圍繞儲能放電量、充電量，項目投資額、容量補貼、技術創新及儲能參與需求側響應等方面，旨在鼓勵企業加大投入，提高技術水平和市場競爭力，同時也為消費者提供更加優質和經濟的儲能服務。

2" 大容量儲能的技術要求與路線

2.1" 大容量儲能的技術要求

大容量儲能技術可為電力系統穩定運行提供支撐，同時提高系統的可靠性和靈活性。對于大容量儲能技術而言，其應滿足要求：1）具備技術適合性，儲能技術必須與電力系統的特點相匹配，能夠適應電力系統的運行要求；2）具備安全、可靠性，儲能設備在各種條件下都需要具有高度的安全性和可靠性，保證其穩定運行；3）具備經濟性，儲能技術應具有低成本、高效率等特點，能夠為電力系統帶來經濟效益。

2.2" 大容量儲能技術的主要技術路線

下文以抽水蓄能、壓縮空氣儲能和電化學儲能為例，對大容量儲能技術路線進行介紹。

2.2.1" 抽水蓄能

抽水蓄能是指在電力需求低時使用電力把低處的水抽取到高處的蓄水池，然后在電力需求高時再將水從高處流下推動水輪機發電的蓄能方式。該方式可以將電網谷段時的電能，轉變為電網峰段或尖峰段時的高價值電能。

抽水蓄能是目前技術最成熟、應用最廣泛的大容量儲能技術，在削峰填谷、緊急事故備用、調頻、調相等方面發揮了重要作用[6]；且該技術的能量轉換效率高且初始投資和平準化度電成本（LCOE）低。

抽水蓄能作為大容量儲能的標桿，經常以其能量轉換效率、初始投資及LCOE等參數作為評判新型儲能技術的指標[7-8]。

2.2.2" 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能具有儲能容量大和儲能周期長等優點，其工作原理為：儲能過程中利用富余電能通過壓縮機將空氣壓縮到超臨界狀態，通過儲熱系統回收壓縮熱后，利用儲冷系統存儲的冷能將空氣冷卻液化，并儲于低溫儲罐中；釋能過程中對液態空氣進行加壓，然后通過儲冷系統將冷能儲存，空氣吸熱至超臨界狀態，并吸收儲熱系統儲存的壓縮熱使空氣進一步升溫，通過膨脹機驅動電機發電[8]。

雖然傳統的壓縮空氣儲能技術較為成熟，但由于壓縮空氣儲能系統在運行過程中需要額外的能源進行補充（壓縮過程中會造成放熱能量散失，導致膨脹過程中吸熱時需要燃燒燃氣予以補充），導致系統的能量轉換效率偏低，僅為20%～50%[7-8]。而先進絕熱壓縮空氣儲能（advanced adiabatic compressed air energy storage，AA-CAES）技術采用高壓容器作為儲氣裝置，具有大容量儲能及高效儲能等顯著優勢[9]，且項目選址布點較為靈活[10]。

2.2.3" 電化學儲能

電化學儲能包括鋰離子電池、液流電池等儲能技術類型。其中，液流電池是一種先進的電化學儲能技術，其工作時正負極電解液由各自的送液系統向電池內部輸送，通過離子交換膜實現正負極之間的離子傳導，從而實現電能的儲存和釋放。在液流電池電極反應的過程中無相變發生，物質的狀態不會發生變化，電池能夠進行深度的充電和放電。液流電池能耐受較大的電流充放，能在短時間內就完成大量的電能儲存和釋放。液流電池不受地域、環境等條件的限制，無論是從技術創新還是從應用的角度來看，都展示出了巨大的潛力和良好的市場前景。

液流電池包括全釩液流電池、鐵鉻液流電池等多種類型，其中，最接近產業化和規?；瘧玫氖侨C液流電池。全釩液流電池主要優點包括：1） 屬于水系電池，安全性好；2）基本電池單元大、液流便于熱管理、壽命長；3）技術進步快，而且“天花板”足夠高，潛力大 [7-8]。

全釩液流電池日歷壽命可達20年，循環壽命15000次以上，安全性好[11]；能量轉換效率約為70%～80%，但成本過高制約了商業化進程[12]。

2.2.4" 小結

鋰離子電池、液流電池、壓縮空氣儲能、抽水蓄能均適合采用大容量儲能技術路線。這幾種儲能技術的額定功率如圖1所示。

對鋰離子電池、液流電池、壓縮空氣儲能、抽水蓄能這幾種儲能技術的特性進行對比，其中，鋰離子電池以磷酸鐵鋰電池為例，液流電池以全釩液流電池和鐵鉻液流電池為例進行分析，具體如表1[13]所示。需要說明的是：目前鐵鉻液流電池的技術尚不成熟，相關參數數值選取的是未來技術成熟后的預測值；其余儲能技術的參數數值按照行業實際情況選取。

3" 張家口地區發展大容量儲能技術的可行性分析

3.1" 張家口地區發展大容量儲能技術的背景

《河北省張家口市可再生能源示范區發展規劃》[14]指出：張家口地區應大力推廣應用儲能新技術，積極探索商業化儲能方式，逐步降低儲能成本，依托行業領軍企業，在崇禮縣、張北縣開展大容量儲能試點，為實現可再生能源全覆蓋做好示范?；诖?，張家口地區開展了大容量儲能試點。

張家口地區儲能項目背景情況：1）該地區正在策劃建設以抽水蓄能為主，電化學儲能和壓縮空氣儲能為輔的千萬千瓦級儲能示范基地；2）按照《河北省2023年抽水蓄能開發建設推進方案》，張家口地區正在推進崇禮常峪口、懷安西坪山、蔚縣九宮山、懷來官廳和赤城白河5個抽水蓄能項目；3）抽水蓄能電站正在建設中；4）鐵鉻液流電池、壓縮空氣儲能等儲能技術路線的示范項目已建成投運；5）鋰離子電池儲能作為大容量儲能技術應用中發展最快的電化學儲能技術，在張家口已批復的電化學儲能電站中占主導地位，但目前尚無鋰離子電池儲能電站建成投產。

3.2" 張家口地區發展大容量儲能技術的市場需求

截至2021年7月底，張家口地區風電和光伏發電的總裝機容量達1858.8萬kW，其中，風電裝機容量為1254.5萬kW、光伏發電裝機容量為 604.3萬kW。雖然新能源裝機容量逐漸增加，但其利用率卻呈下滑態勢。根據冀北電網公司估算，在張家口地區已規劃的新能源發電裝機容量目標基礎上，新能源發電裝機容量每增加300萬kW，即使配置20%（4 h）儲能設施，新能源利用率仍下降約0.6～0.7個百分點。在北京市、天津市、河北省北部地區本地火電機組靈活性改造基礎上，2022年以后張家口地區新投產的新能源發電項目需配置大容量儲能設施，才能將新能源利用率提升至95%左右，張家口地區的儲能市場需求巨大。

3.3" 國家對張家口可再生能源示范區的支持

為加快推進張家口地區的可再生能源示范區建設，國家發展改革委不僅印發了《張家口可再生能源示范區發展“十四五”規劃》[15]，還成立了示范區建設協調推進工作組和示范區專家咨詢委員會等機構。

《張家口可再生能源示范區發展“十四五”規劃》[15]指出，需開展“風光儲氫”“風光火儲”等源網荷儲一體化和多能互補的儲能應用；鼓勵用電大戶在用戶側建設以峰谷電價差為商業模式的新型儲能電站；以企業自建、共建共享等多種方式，在電網側建設并運營安全高效的新型儲能電站；做好中長期抽水蓄能電站布局，積極推動尚義抽水蓄能項目按期投產。

3.4" 張家口發展大容量儲能技術的商業模式探索

抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電化學儲能等儲能技術在中國已經取得了長足的進步，張家口市可再生能源示范區積極探索各種儲能應用模式，比如：“新能源+儲能”、“火電機組+儲能”等模式也在不斷涌現。

風電和光伏發電項目配建儲能系統的模式是解決風電和光伏發電平滑上網問題的重要手段，特別是在大型風電和光伏發電基地的運行中顯得尤為重要。當風電和光伏發電因天氣等因素產生波動時，通過儲能系統可以平衡電網負荷，保證電力供應的穩定性。

從商業角度來看，一些企業可以選擇投資或租賃儲能系統的模式，通過長期的運營收益來回收投資。

目前，河北省北部地區及張家口市的各個新能源企業都在積極探索儲能技術的各種商業模式，預計近期會出臺儲能相關政策。

4" 張家口地區的典型儲能項目案例

4.1" 尚義抽水蓄能電站

位于張家口市尚義縣小蒜溝鎮的尚義抽水蓄能電站，是張家口市的首個抽水蓄能電站，其總裝機容量為140萬kW。該抽水蓄能電站建成后，將承擔一系列重要任務，包括國家電網的調峰、填谷、調頻、調相等，同時還將為緊急事故提供備用電源。

4.2" 張北縣壓縮空氣儲能國家示范項目

位于張家口市張北縣的壓縮空氣儲能國家示范項目是國際首套百兆瓦先進壓縮空氣儲能國家示范項目，規模為100MW/400MWh，設計的系統效率為70.4%。該示范項目被列入中國科學院先導A專項，裝機容量排名全球第1。該項目研發團隊于2009年提出了超臨界壓縮空氣儲能技術，提高了壓縮空氣儲能系統的系統效率。

4.3" 張北縣大河鄉的國家風光儲輸示范工程

張北縣大河鄉的國家風光儲輸示范工程的儲能系統采用了多種技術路線，但以全釩液流電池作為其核心技術，裝機容量為8 MW。該工程于2011年投產，是當時全球為數不多的長時間投運的兆瓦級全釩液流電池儲能系統之一。張北縣大河鄉的國家風光儲輸示范工程工作原理如圖2所示。

張北縣大河鄉的國家風光儲輸示范工程的儲能系統在應用過程中表現出了性能和技術優勢，為全球液流電池行業積累了寶貴的大容量液流電池儲能系統運行和維護經驗。

4.4" 沽源縣戰石溝鐵鉻液流電池儲能示范項目

沽源縣戰石溝鐵鉻液流電池儲能示范項目是國家電投集團鐵鉻液流電池儲能技術在實戰中的首次示范應用，是全國鐵鉻液流電池儲能項目應用中的首個案例。鐵鉻液流電池儲能系統位于沽源縣戰石溝光伏電站內，其現場圖如圖3所示。

該鐵鉻液流電池儲能示范項目由8臺具備6 h儲能時長的31.25 kW“容和一號”電池堆模塊構成，形成了總容量為250kW/1.5MWh的鐵鉻液流電池儲能系統。項目利用了鐵鉻液流電池儲能技術的突出優勢，即在長時間能量存儲場景中表現出色，并能有效適應高溫與嚴寒天氣帶來的不良影響，具有顯著的安全性能。項目于2020年投入試運行，在2022年冬奧會期間發揮了重要作用，為賽事場館提供了超過5萬kWh的清潔能源電力。

5" 張家口地區儲能技術未來趨勢預測

張家口地區的風光資源豐富，且臨近京津電力負荷中心，隨著風儲、光儲或風光儲一體化項目的大規模投運，儲能規模將大幅度增加。截至2023年底，張家口地區已建成的鐵鉻液流電池、全釩液流電池、壓縮空氣儲能等儲能示范項目名稱及容量如表2所示。

電化學儲能預計會成為張家口地區的主流儲能技術路線。其中，鋰離子電池儲能在規劃的獨立儲能電站（抽水蓄能電站除外）中的占比最高。張家口地區已規劃或批復的不同技術路線的儲能電站，如圖4所示[16]。

由于抽水蓄能受地理環境因素限制，在張家口的發展會受到一定影響。隨著液流電池儲能、壓縮空氣儲能等儲能技術逐漸成熟、規模不斷增加、成本持續下降，這些技術都將會成為新型儲能的重要力量。

6" 結論

本文針對大容量儲能技術的應用問題，首先對大容量儲能技術的發展前景、技術要求與路線進行了簡述，其次對大容量儲能技術在張家口地區應用的可行性進行了分析，然后通過張家口地區的典型儲能項目案例分析大容量儲能技術在張家口地區的應用效果，最后對張家口地區的儲能技術發展趨勢進行了預測。未來，隨著液流電池儲能、壓縮空氣儲能等儲能技術逐漸成熟、規模不斷增加、成本持續下降，這些技術都將會成為新型儲能的重要力量。本研究可為大容量儲能行業發展提供有益借鑒，為中國在沙漠、戈壁、荒漠建設風儲、光儲或風光儲一體化基地提供一定的參考。

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Exploration and Practice of Large Capacity Energy Storage Technology in Zhangjiakou area

Wang Xianli

（Yongding River Investment Co.，Ltd，Beijing 100193，China）

Abstract：Firstly，the development prospects，technical requirements，and routes of large capacity energy storage technology are briefly described. Secondly，the feasibility of applying large capacity energy storage technology in Zhangjiakou area is analyzed. Then，the application effect of large capacity energy storage technology in Zhangjiakou area is analyzed through typical energy storage project cases. Finally，the development trend of energy storage technology in Zhangjiakou area is predicted. In the future，with the gradual maturity，increasing scale，and continuous cost reduction of energy storage technologies such as flow battery energy storage and compressed air energy storage，these technologies will become important forces for new energy storage. In the hope that this study can provide reference for the application of large capacity energy storage technology，and provide reference for China to build wind-storage bases，PV-storage bases or integrated wind-PV-storage bases in deserts，Gobi and other areas.

Keywords：PV power generation；wind power；energy storage technology；large capacity；electrochemical energy storage；compressed air energy storage；pumped storage