儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀研究

李允超， 宋華偉， 馬洪濤， 王寶玉， 薛 福

儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀研究

李允超， 宋華偉， 馬洪濤， 王寶玉， 薛 福

（華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030）

對現(xiàn)有儲能技術(shù)進行了全面分析和系統(tǒng)總結(jié)，對各儲能技術(shù)特點進行了比較，對儲能技術(shù)未來發(fā)展方向進行了展望，認為近期大規(guī)模存儲仍依賴于抽水蓄能電站，其多用于電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻和事故備用。飛輪儲能將圍繞不斷提高能量密度和降低成本進行。壓縮空氣儲能將在10MW以下級取得快速發(fā)展。電化學(xué)儲能中的新型電池如液流電池、鈉硫電池等將逐漸應(yīng)用于大規(guī)模電站存儲中以削峰填谷和平滑電站出力。超導(dǎo)磁和超級電容儲能額定功率多在兆瓦級，如何降低成本增加壽命是關(guān)注重點。而熔融鹽蓄熱儲能會隨太陽能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展不斷推進，同時開發(fā)具有更加優(yōu)越性能的新型混合熔融鹽將是未來研究的方向。

儲能； 抽水蓄能； 壓縮空氣； 電化學(xué)儲能； 蓄熱

0 引言

儲能是指利用一定的媒介，將電能等能源以一定的形式進行存儲，在有利用需求時再將其釋放做功發(fā)電的技術(shù)。傳統(tǒng)利用化石能源的電站系統(tǒng)，其會根據(jù)用電需求進行發(fā)電、輸電和配電；而對于新型可再生能源（如風(fēng)能、太陽能等）發(fā)電系統(tǒng)，受自然條件制約，其發(fā)電具有間歇性和波動性，直接并網(wǎng)運行會給電網(wǎng)造成很大的安全隱患。利用儲能技術(shù)，能很大程度解決太陽能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電的波動性和間歇性問題，平滑電站出力，減小波動，提高電網(wǎng)運行的可靠性和安全性，同時使風(fēng)能和光能等能源得以有效利用。此外，對于一些工業(yè)負荷和關(guān)鍵商業(yè)負荷，其對電網(wǎng)電能質(zhì)量有較高要求，通過安裝儲能裝置，能夠保證用戶電能質(zhì)量。儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)削峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓、負荷跟蹤、熱備用和電能質(zhì)量管理等方面起著重要作用，同時促使可再生能源的就地消納，促進可再生能源的發(fā)展。本文對當(dāng)前常用儲能技術(shù)進行了細致梳理，分析了不同儲能技術(shù)的特點和應(yīng)用范圍，對其發(fā)展現(xiàn)狀進行了概述，對其未來發(fā)展方向進行了展望和總結(jié)。

1 儲能的分類

儲能按其所存能量的形式，可劃分為機械類儲能、電化學(xué)儲能，電磁場儲能和蓄熱儲能[1]。機械類儲能有抽水蓄能、飛輪儲能和壓縮空氣儲能等；電化學(xué)儲能有鉛酸電池儲能、鋰離子電池儲能和液流電池儲能等；電磁場儲能主要為超導(dǎo)磁儲能和超級電容儲能等；蓄熱儲能主要為熔融鹽儲熱技術(shù)[2]。

1.1 抽水蓄能

抽水蓄能通常是由抽水蓄能電站完成，其由上下水庫、輸水系統(tǒng)及發(fā)電系統(tǒng)等構(gòu)成。在低負荷時，下水庫的水經(jīng)由抽水泵進入到上水庫，以勢能形式進行儲存；在負荷需求較高時，上水庫蓄存的水自上而下推動發(fā)電機做功后進入到下水庫，勢能重新轉(zhuǎn)換為電能。抽水蓄能電站技術(shù)較為成熟，額定功率大（100-5000MW），持續(xù)放電時間長（可持續(xù)數(shù)天），壽命也較長（數(shù)十年之久），并且機組啟停靈活。然而，抽水蓄能電站對自然環(huán)境要求較高，地質(zhì)條件需求嚴(yán)苛，水庫選址較為考究，且投資成本較高，建設(shè)周期長[3]。

1.2 飛輪儲能

飛輪儲能是利用多余電能驅(qū)動電機，電機帶動飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)加速，使電能以動能的形式進行存儲；當(dāng)電量匱乏時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子再驅(qū)動電機進行發(fā)電，完成動能向電能的轉(zhuǎn)化。飛輪儲能系統(tǒng)的儲能量和輸出量可單獨設(shè)計和控制，具有充電時間短、響應(yīng)快、效率高、使用壽命較長等特點。然而，飛輪儲能自放電率極高，且放電時間也相對較短[4]。

1.3 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能是在系統(tǒng)電量富余時，將過剩電量驅(qū)動壓縮機壓縮空氣，將其注入到一定的儲氣系統(tǒng)中；當(dāng)系統(tǒng)電量匱乏時，對儲氣系統(tǒng)中的壓縮空氣進行再釋放做功的技術(shù)。壓縮空氣儲能成本較低、易操作、存儲容量較大、無污染，綜合效率高。傳統(tǒng)利用自然巖洞或廢棄礦井作為儲氣空間的壓縮空氣儲能系統(tǒng)單機存儲容量大，多在百兆瓦級以上，但其對地址條件要求嚴(yán)格。隨著高壓容器技術(shù)的發(fā)展，新型壓縮空氣儲能利用高壓容器進行空氣存儲，盡管容量較低（一般在10MW以下），但其不受地理條件限制，系統(tǒng)更加靈活[5]。

1.4 電化學(xué)儲能

電化學(xué)儲能是利用化學(xué)反應(yīng)，將電能以化學(xué)能進行儲存和再釋放的過程。電化學(xué)儲能有鉛酸蓄電池、鋰離子電池、液流電池等。電化學(xué)儲能能量和功率配置靈活、受環(huán)境影響小，易實現(xiàn)大規(guī)模利用。然而，電化學(xué)儲能目前仍存在電池充放電次數(shù)有限，使用壽命短，成本較高等缺點[6]。

1.5 超導(dǎo)磁儲能

超導(dǎo)磁儲能技術(shù)利用變流器將電能存儲在超導(dǎo)線圈中，必要時再將超導(dǎo)線圈貯存的電能釋放的技術(shù)。超導(dǎo)磁儲能利用超導(dǎo)線圈在超導(dǎo)狀態(tài)下電阻幾乎為零的特性，電流密度高，熱損耗極低，具有響應(yīng)速度快（1-100ms）、功率密度高、壽命長、無噪聲污染等特點[7]。然而目前超導(dǎo)材料及維持低溫成本仍然很高，且超導(dǎo)磁體存在失超保護等問題仍需解決。

1.6 超級電容儲能

超級電容儲能是利用電解質(zhì)極化形成的正負電容性存儲層來實現(xiàn)儲能的，其充放電響應(yīng)快、功率密度高、使用溫度范圍廣、壽命長，但其能量密度相對較低；同時超級電容自放電率較高，一般只適用于短時間和較大功率下的用電環(huán)境，且電容元件易損耗[8]。

1.7 蓄熱儲能

蓄熱儲能是通過一定的蓄熱介質(zhì)將能量以熱量的形式進行存儲，在需要時再將熱量釋放發(fā)電的過程。目前蓄熱介質(zhì)實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的是熔融鹽，其比熱容大，使用溫區(qū)廣（300-1000℃），且換熱性能優(yōu)良，但其在低溫下易冷凝，限制了使用范圍。

表2 近年來世界在役抽水蓄能電站項目

2 儲能方式的比較

為更直觀地比較上述幾種典型儲能技術(shù)，表1列出了各儲能技術(shù)的參數(shù)和性能特征[9]。可以看出，抽水蓄能額定功率高、持續(xù)放電時間長，可實現(xiàn)大規(guī)模能量存儲，但效率偏低；飛輪儲能額定功率相對較低，持續(xù)放電時間較短；壓縮空氣儲能額定功率區(qū)域范圍較廣，這與空氣所儲容器有關(guān)，且其持續(xù)放電時間也較長，但同樣轉(zhuǎn)化效率較低；電化學(xué)類儲能中鋰離子電池較鉛酸電池能量密度高，但額定功率不及鉛酸電池，釩液流電池額定功率要高于鋰離子電池；超導(dǎo)磁儲能額定功率較高，但其能量密度和功率密度卻不及電容類儲能。這幾類儲能中，飛輪儲能自放電率最高，其能量損散快，超導(dǎo)磁儲能因超導(dǎo)效應(yīng)其效率最高，但持續(xù)放電時間也最短，而抽水蓄能電站具有最長的使用壽命。

表1 不同儲能技術(shù)特征

3 最新研究進展

3.1 機械儲能類

3.1.1 抽水蓄能

抽水蓄能電站在國內(nèi)外有較為廣泛的應(yīng)用，其主要應(yīng)用在電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)相和調(diào)頻，為系統(tǒng)提供備用容量等。截止至2015年，世界范圍內(nèi)抽水蓄能電站總裝機容量可達170GW，主要分布在西班牙、葡萄牙、美國等地。我國抽水蓄能電站總裝機容量也較大，為23.6GW，目前在役10MW以上機組就有26座。表2[10]列舉了近年來國內(nèi)外投運的一些典型抽水蓄能電站項目，可以看出在役抽水蓄能電站容量均較大，且多用于調(diào)峰調(diào)頻和事故備用。

3.1.2 飛輪儲能

飛輪儲能各國也多有研究，當(dāng)前熱點主要集中于高溫超導(dǎo)磁懸浮形式的飛輪儲能技術(shù)。飛輪儲能在電網(wǎng)調(diào)頻、可再生能源發(fā)電和不間斷電源等多領(lǐng)域都有應(yīng)用。美國Beacon Power公司為電網(wǎng)調(diào)頻計劃建設(shè)一20MW級的飛輪儲能電站。德國Gmbh公司生產(chǎn)出了能在五秒內(nèi)提供5MW輸出功率的不間斷電源，其能量來源于飛輪儲能[11]。日本研制出了多臺超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能的樣機。表3[10]列舉了一些公司生產(chǎn)投入使用的飛輪儲能項目，可以看出現(xiàn)有飛輪儲能項目額定功率都不是很高，且放電時間較短，且多應(yīng)用于系統(tǒng)調(diào)頻、備用電源等領(lǐng)域。

3.1.3 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能研究歷史較為悠久，較早商業(yè)運營的儲能電站有兩座，一座位于德國（1979年投運）的

表3 飛輪儲能項目

Huntorf市，機組額定功率321MW，能持續(xù)放電2小時，主要用作風(fēng)電場功率波動的平滑；另一座位于美國（1991年投運）的Alabama州，機組額定功率110MW，持續(xù)放電時間在24h以上，能在15分鐘內(nèi)實現(xiàn)從啟動到最大儲能[12]。近年來，德國RWE Power公司啟動了代號為ADELE的壓縮空氣儲能項目，利用絕熱壓縮技術(shù)以期將系統(tǒng)效率提至70%。2011年，美國SustainX公司在等溫壓縮空氣儲能上取得較大進展[13]。我國也有多家單位對壓縮空氣儲能進行深入系統(tǒng)研究，目前研究方向有：1）小型百千瓦系統(tǒng)研發(fā)；2）系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性分析；3）壓氣機研究；4）儲氣裝置研究。2009年，中科院工程熱物理所開展超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)的開發(fā)，建成15kW級小型儲能系統(tǒng)，同時開展1.5MW級工業(yè)示范系統(tǒng)建設(shè)[14]。2012年7月，國家電網(wǎng)公司開展大規(guī)模壓縮空氣儲能關(guān)鍵技術(shù)研究，已建立500kW級（非補燃式）儲能示范系統(tǒng)。2016年12月，中科院儲能研發(fā)中心完成了10MW級壓縮空氣儲能集成實驗與驗證平臺調(diào)試，設(shè)計能量存儲容量40MWh、功率測量范圍0-10MW、溫度測量范圍-196-1000℃、壓力測量范圍0-10MPa，是目前容量最大、測量范圍最寬的試驗平臺。表4列舉了近年來壓縮空氣儲能電站示范項目，可以看出，近年來壓縮空氣儲能在向小型化大功率方向發(fā)展。

表4 [10]壓縮空氣儲能電站示范項目

3.2 電化學(xué)儲能類

電化學(xué)儲能傳統(tǒng)是以鉛酸電池和鋰離子電池為主，隨著技術(shù)的進步，鉛酸電池和鋰離子電池在生產(chǎn)制造工藝取得一定的進步。大規(guī)模存儲對電池儲能系統(tǒng)要求越來越高，一些新型電池如全釩液流電池以及鈉硫電池等被不斷研發(fā)出來；而隨著電動汽車等產(chǎn)業(yè)的快速增長，鋰空氣電池、鋰硫電池等也被開發(fā)以適應(yīng)未來汽車發(fā)展的需求。以下介紹幾種典型電池發(fā)展現(xiàn)狀。

3.2.1 鉛酸蓄電池和鋰離子電池

鉛酸蓄電池在眾多電池中發(fā)展最為長久，且已有商業(yè)化的鉛酸蓄電池儲能電站，如美國曾于上世紀(jì)八十年代就建立了40MWh的鉛酸蓄電池儲能電站，并在加利福尼亞州的Chino中應(yīng)用[11，15]。鋰離子電池目前正極使用較多的為鎳鈷錳鋰、磷酸亞鐵鋰、鈷鎳錳酸鋰和鈷酸鋰等材料；而負極材料多為改性的天然石墨、立方尖晶石結(jié)構(gòu)的Li4Ti5O12、人造石墨、高容量硅、硬碳和軟碳等，市面上應(yīng)用最多的是鎳鈷錳鋰（三元鋰電池）和磷酸鐵鋰電池[16]。在小型電子設(shè)備領(lǐng)域，鋰離子電池已占據(jù)大部分市場份額，但其價格高昂限制了其進一步規(guī)模化發(fā)展，因此國內(nèi)外研究多集中于如何降低鋰電池制造成本和大規(guī)模工程示范。2015年，Hiroki Nagai等[17]成功實現(xiàn)了對透明鋰離子電池的優(yōu)化改進，在陽光暴露下電池可自行充電無需額外的太陽能集板。美國“A123系統(tǒng)”公司在多地建造了鋰離子電池儲能電站工程示范；我國在鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域也走在世界前列，多家公司擁有自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)，也建立了示范工程。

3.2.2 液流電池和鈉硫電池

液流電池包含多種類型，其中全釩液流和鋅溴液流電池研究較為廣泛[18，19]。全釩液流電池安全性高、深度放電能力強、污染少，是目前應(yīng)用規(guī)模最大的液流電池，廣泛應(yīng)用于大規(guī)模電站存儲中。大連融科正在研發(fā)兆瓦級全釩液流電池儲能系統(tǒng)，武漢南瑞承擔(dān)著全釩液流電池模塊化開發(fā)及系統(tǒng)能效優(yōu)化等任務(wù)。對于鋅溴液流電池，其采用ZnBr2為電解質(zhì)，電解液將負責(zé)能量的存儲。鋅溴液流電池能量密度很高，同樣可用作大規(guī)模能量存儲。美國Primus Power公司在加利福尼亞州建立了28MW×4h級鋅溴液流電池儲能電站用以平滑可再生能源發(fā)電的功率輸出；ZBB Energy公司與Redflow公司也建立了鋅溴液流電池的示范基地[10]。2015年，Wang等開發(fā)出了液流鋰空氣電池，其電解液中含有氧化還原分子，可將電池陰極與LiO2的生成和分解分離，避免電極孔隙的鈍化和堵塞，在保證高能量密度的同時，具有更高的安全性和靈活性。鈉硫電池在近幾年已廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)負荷的削峰填谷、平滑出力以及作為應(yīng)急電源等方面。2006年，一套容量為1.2MW的鈉硫電池儲能電站在美國西弗吉尼亞州投運，用于平衡當(dāng)?shù)仉娏ω摵蒣20]。

3.3 電磁儲能類

3.3.1 超導(dǎo)磁儲能

超導(dǎo)磁儲能研究在各國都備受關(guān)注，其可消除瞬間斷電對電網(wǎng)的沖擊，降低電力系統(tǒng)的低頻振蕩，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，增加抗事故能力，有效保障電力系統(tǒng)的安全。美國先后開發(fā)出了5kJ級和2.5MJ級的超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)。日本中部電力公司利用實驗證實超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)穩(wěn)定電壓的可行性。另韓法德澳等國都有高溫超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)的相關(guān)研究報道。國內(nèi)首臺MJ級（1MJ/500kVA）高溫超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)為中科院電工所研發(fā)，后在白銀市并網(wǎng)運行。華中科技大學(xué)于2005年開發(fā)了35kJ/7.5kW級超導(dǎo)磁儲能試驗樣機，其后中科院電工所開始研制1MJ/0.5MV·A高溫超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)[21]。中國電科院構(gòu)建了基于YBCO和BSCCO的高溫超導(dǎo)體實現(xiàn)并網(wǎng)和電網(wǎng)功率補償[22]。

3.3.2 超級電容儲能

超級電容在保障電網(wǎng)安全可靠性上同樣起著重要作用，目前超級電容已有成熟的示范產(chǎn)品，容量可達千法拉、放電電流也為千安級。表5中列舉了典型超級電容示范工程，可見近年來超級電容額定功率多在兆瓦級，其持續(xù)放電時間仍然較短，多用于交通系統(tǒng)和電網(wǎng)中的電壓支撐。

3.4 儲熱類-熔融鹽蓄熱儲能

目前帶蓄熱功能的光熱發(fā)電系統(tǒng)幾乎無一例外的采用熔融鹽進行蓄熱，其在冷熱電聯(lián)供、用戶側(cè)需求響應(yīng)等方面也有一定應(yīng)用。目前，常采用的熔融鹽多為堿金屬、堿土金屬或一些鹽類混合物質(zhì)，如混合硝酸鹽（KNO3、NaNO3按一定比例混合）、混合氯化鹽等。James等[23]證實了混合硝酸鹽能很好應(yīng)用于太陽能光熱發(fā)電中，且已實現(xiàn)商業(yè)化。胡寶華等[24]制備的NaCl-CaCl2混合鹽，最高工作溫度可達800℃，相變潛熱約87kJ/kg。當(dāng)然熔融鹽蓄熱也存在一定的局限性，如前所述，熔融鹽熔點一般都較高（約250℃），易凝固，且在使用溫度過高下易氣化等，因此開發(fā)新型具有更加優(yōu)越性能的混合熔融鹽是接下來研究的重點。

4 結(jié)語

表5 典型超級電容示范

儲能系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)的削峰填谷、調(diào)壓調(diào)頻、負荷跟蹤、電能質(zhì)量控制和備用電源等起著重要作用。在未來一段時間里，抽水蓄能技術(shù)在大規(guī)模電力存儲上仍為主力技術(shù)。飛輪儲能將圍繞不斷提高能量密度和降低成本進行發(fā)展，同時高溫超導(dǎo)磁懸浮形式的飛輪儲能將是未來研究方向之一。壓縮空氣在大型領(lǐng)域已比較成熟，如何規(guī)避地形限制，發(fā)展小型高密度空氣儲能將是未來研究的重點。電化學(xué)儲能隨著大規(guī)模儲能需求和電動汽車的發(fā)展，新型高效電池將不斷被研發(fā)和示范，提升電池壽命降低成本將是接下來研究的重點。超導(dǎo)磁儲能技術(shù)具有高響應(yīng)速度和高功率密度等特點，如何突破高溫超導(dǎo)材料的研發(fā)，降低使用成本將是突破的關(guān)鍵。超級電容儲能將在不斷提高能量密度、降低成本和提高器件使用壽命等方面持續(xù)關(guān)注。熔融鹽蓄熱儲能會隨太陽能發(fā)電技術(shù)的進展而不斷推進，一些新型混合熔融鹽將被不斷開發(fā)以適應(yīng)未來儲熱需求。

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Research on the Development of Energy Storage Technology

LI Yun-chao， SONG Hua-wei， MA Hong-tao， WANG Bao-yu， XUE Fu

（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

The existing energy storage technology was analyzed and summarized.The characteristics of each energy storage technology were compared.The future development direction of the energy storage technology was forecast.It was found that the recent large-scale storage was still dependent on the pumped storage power station,which was used for power distribution and power supply.The flywheel storage technology will be improved around the energy density and reducing costs.The compressed air storage will be developed in 10MW level.The electrochemical energy storage such as liquid batteries and sodium sulfur batteries will be gradually applied in large-scale power plant storage,which was used for the peak load shifting and smoothing plant output.The rated power of superconducting magnetic energy storage and super capacitor energy storage was at the MW level,thus,how to reduce the cost and increase the life expectancy should be of concern.The molten salt heat storage technology will be developed with the development of solar power technology.The development of new mixed molten salts will be the direction of the future research.

energy storage； pumped storage； compressed air； electrochemical energy storage；heat storage

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.04.013

TM91

A

2095-3429（2017）04-0056-06

李允超（1987-），男，浙江臺州人，博士，主要從事火電廠節(jié)能減排與生物質(zhì)能的開發(fā)利用等工

2017-06-23

修回日期：2017-07-27