先進儲能技術(shù)
——機遇與挑戰(zhàn)并存

■ 文/陳永翀 劉丹丹

廣義上講，儲能就是采用某種裝置或方法儲存能量，并實現(xiàn)能量在空間維度移動后釋放或者在時間維度滯留后釋放。儲能技術(shù)包括儲能本體技術(shù)和儲能應(yīng)用技術(shù)。根據(jù)所用的能量形式，可以將儲能本體技術(shù)大致分為4類：物理儲能、電化學(xué)儲能、化學(xué)儲能和儲熱蓄冷。

物理儲能

●抽水蓄能

物理儲能技術(shù)中的抽水蓄能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、最經(jīng)濟（單位功率造價4 000～6 500元/千瓦，單位儲電成本0.2～0.5元/千瓦時）、使用壽命最長（機組使用壽命25年，水工建筑物使用壽命60年以上）的大規(guī)模電能存儲方式，主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻及備用。截至2017年5月，我國抽水蓄能電站裝機容量達到27.73吉瓦（1吉瓦為106千瓦），居世界第一，全球累計運行的抽水蓄能項目裝機容量為167.7吉瓦，占儲能總裝機容量的96%。

2003年以前，我國抽水蓄能領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)研究還處于一片空白，抽水蓄能電站的設(shè)備全部是“舶來品”。當(dāng)時，我國建一座抽水蓄能電站，核心機電設(shè)備投資占總體投資的一半以上，是國際市場一般水平的2倍左右。經(jīng)過持續(xù)十多年的技術(shù)攻關(guān)，目前我國已經(jīng)基本掌握了水泵水輪機等核心裝備技術(shù)，在建抽水蓄能機組容量達30.95吉瓦，包括安徽金寨抽水蓄能電站、河南天池抽水蓄能電站、山東文登抽水蓄能電站和山東沂蒙抽水蓄能電站等。從儲能總裝機容量占比來看，至少在2030年以前，抽水蓄能仍然是全球電力儲能容量占比最大的儲能形式。

雖然抽水蓄能技術(shù)具有成本低、壽命長和容量大等優(yōu)點，但其對地理地質(zhì)條件有特殊要求，一次性建設(shè)投資大，還有可能存在生態(tài)破壞和移民等問題，因此，抽水蓄能電站的規(guī)模推廣和應(yīng)用受到了制約。目前，我國大部分抽水蓄能基本上只能收回靜態(tài)效益，抽水蓄能電站的動態(tài)效益一直存在“看得見、算得出、拿不到”的現(xiàn)象，導(dǎo)致我國抽水蓄能電站的經(jīng)營業(yè)績較差，甚至難以生存。因而正確衡量儲能電站的效益，建立合理的電價政策，對抽水蓄能電站以及其他類型儲能電站的發(fā)展具有十分重要的意義。

●壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能是基于燃?xì)廨啓C技術(shù)發(fā)展起來的一種能量存儲方式。目前，全球共有11座壓縮空氣儲能系統(tǒng)，總裝機容量為646兆瓦（1兆瓦為103千瓦）。國內(nèi)示范項目總規(guī)模為2兆瓦，分別是安徽蕪湖“500千瓦非補燃壓縮空氣儲能發(fā)電示范系統(tǒng)”和貴州畢節(jié)“1.5兆瓦壓縮空氣儲能-多能分布式微網(wǎng)示范項目”，同時在畢節(jié)即將完成10兆瓦系統(tǒng)建設(shè)。目前，全球只有德國的洪托夫（290兆瓦）和美國亞拉巴馬州的麥金托什（110兆瓦）電站進入商業(yè)化運營階段，后者曾因地質(zhì)不穩(wěn)定發(fā)生過坍塌事故。

為了擺脫傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)對大型儲氣洞穴以及化石燃料的依賴，帶儲熱的壓縮空氣儲能技術(shù)、液態(tài)空氣儲能技術(shù)、超臨界空氣儲能技術(shù)、燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的壓縮空氣儲能技術(shù)和與可再生能源耦合的壓縮空氣儲能技術(shù)都是目前國內(nèi)外研發(fā)的重點方向。由于空氣是低密度的儲能介質(zhì)，因此，如何降低系統(tǒng)成本、提高能量效率是壓縮空氣儲能走向應(yīng)用之前需要重點解決的問題。

●飛輪儲能

飛輪技術(shù)分為低速飛輪技術(shù)和高速飛輪技術(shù)兩類。其中，低速飛輪儲能技術(shù)主要應(yīng)用于通信、數(shù)據(jù)中心和軌道交通等領(lǐng)域；高速飛輪儲能技術(shù)主要適用于快速、高功率型應(yīng)用，可以為電網(wǎng)提供調(diào)頻服務(wù)，產(chǎn)業(yè)和技術(shù)多集中于美國、英國、法國、德國等國，我國飛輪儲能產(chǎn)品還沒有得到量產(chǎn)。美國Beacon Power公司曾經(jīng)是全球大規(guī)模飛輪儲能應(yīng)用的先驅(qū)，開創(chuàng)了飛輪儲能系統(tǒng)與電力公司合作的先例，使電力市場開始接受飛輪儲能技術(shù)。不過，在2011年10月，Beacon Power公司因財務(wù)危機深陷泥沼，不得不申請破產(chǎn)保護。

●超導(dǎo)儲能

超導(dǎo)儲能系統(tǒng)由超導(dǎo)材料制成的線圈、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和低溫制冷系統(tǒng)等組成，能量以超導(dǎo)線圈中循環(huán)流動的直流電流形式儲存在磁場中。超導(dǎo)儲能具有響應(yīng)速度快（毫秒級）和轉(zhuǎn)換效率高（≥96%）等優(yōu)點，可實現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實時大功率補充和能量交換，避免電網(wǎng)瞬間斷電對用電設(shè)備的不利影響，可以提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前，在液氦溫度條件下工作的低溫超導(dǎo)磁儲能裝置的最大實用化容量已達到億焦耳級，而在液氮溫度條件下工作的高溫超導(dǎo)磁儲能裝置容量只能達到兆焦耳級。無論是低溫超導(dǎo)還是高溫超導(dǎo)，昂貴的低溫制冷成本大大限制了超導(dǎo)儲能技術(shù)的實際應(yīng)用場景。也許只有到了常溫超導(dǎo)材料研發(fā)成功的那一天，超導(dǎo)儲能技術(shù)才有可能獲得廣泛應(yīng)用。

電化學(xué)儲能

●電池儲能

電化學(xué)儲能技術(shù)包括電池儲能和超級電容器儲能兩種類型，是目前發(fā)展最為迅速的儲能技術(shù)。相對于抽水蓄能而言，將電池儲能的方式用于集中式大規(guī)模電網(wǎng)調(diào)峰，成本還是太高。電池儲能技術(shù)比較適合應(yīng)用于百千瓦至百兆瓦級的電力調(diào)頻，其調(diào)頻效果是水電機組的1.7倍，遠好于火電機組，已經(jīng)顯現(xiàn)出商業(yè)應(yīng)用前景。

鋰離子電池、鉛酸（碳）電池、液流電池、鈉硫電池和超級電容器是正在發(fā)展的幾類電化學(xué)儲能技術(shù)。其中，鋰離子電池在可再生能源并網(wǎng)、微網(wǎng)系統(tǒng)和改善電能質(zhì)量方面有不少示范應(yīng)用，如2012年我國建立的20兆瓦級張北風(fēng)光儲輸項目、2013年日本建立的40兆瓦級仙臺變電站鋰離子電池儲能系統(tǒng)、2014年美國西弗吉尼亞州建立的32兆瓦級勞雷爾山儲能電站等均已成功運行。但是，大規(guī)模鋰離子電池儲能系統(tǒng)的高成本和高安全隱患仍是目前需要解決的問題。另外，鋰離子電池的回收處理較為困難，需要有較大的技術(shù)變革才能達到低成本、長壽命、高安全和易回收的規(guī)模應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。中國科學(xué)院電工研究所與北京好風(fēng)光儲能技術(shù)有限公司合作開發(fā)的鋰漿料電池儲能技術(shù)，有可能會在低速電動車、基站儲能和電力儲能領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

鉛酸電池主要用作發(fā)電廠、變電廠的備用電源以及電動汽車的啟動電源，在維持電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和可靠運行方面發(fā)揮著極其重要的作用。其優(yōu)點是耐溫性能好、安全性高、成本低，缺點是能量密度和功率密度小、循環(huán)壽命短且易造成環(huán)境污染。在鉛酸電池基礎(chǔ)上發(fā)展的長循環(huán)壽命鉛碳電池有可能在未來兆瓦級儲能系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

液流電池是一種容量型電化學(xué)儲能裝置，優(yōu)點是安全性高、循環(huán)壽命較長、回收再生容易，缺點是系統(tǒng)復(fù)雜、能量密度低、系統(tǒng)運維成本較高。目前，全釩液流電池的模塊技術(shù)已經(jīng)基本成熟，但國產(chǎn)新型隔膜的穩(wěn)定化生產(chǎn)仍存在問題。另外，雖然全釩液流電池的模塊效率可以達到80%以上，但系統(tǒng)整體運行的實際能量效率較低（53%～72%），影響了該技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。

鈉硫電池儲能密度高，可實現(xiàn)大電流、大功率放電，但運行時溫度很高（300oC以上），幾年前曾發(fā)生儲能電站燃燒事故，可靠性和安全性受到質(zhì)疑。日本NGK公司是國際上第一個將鈉硫電池產(chǎn)業(yè)化的機構(gòu)，全球運行的鈉硫電池儲能電站裝機容量已達450兆瓦時/3 000兆瓦時。

●超級電容器儲能

相對于電池儲能，超級電容器能量密度很低，但工作溫度范圍寬，充放電速度快，反復(fù)充放電次數(shù)可達幾萬次。因此，超級電容器儲能適合于需要提供短時較大脈沖功率的場合，如應(yīng)對電壓暫降和瞬時停電、抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩以及提高電能質(zhì)量等。目前，美國、日本、俄羅斯的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個超級電容器市場，國內(nèi)能夠批量生產(chǎn)并達到實用化水平的有上海奧威、寧波中車等公司。但是，能量密度低、成本高，多單體串聯(lián)時帶來的一致性檢測問題以及壽命和安全問題仍是超級電容器發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)。隨之而來的新的發(fā)展方向有超級雙電層電容器、鋰離子混合型超級電容器、石墨烯柔性超級電容器等，為超級電容器的發(fā)展提供了新思路。

化學(xué)儲能

雖然抽水蓄能和壓縮空氣是大規(guī)模電網(wǎng)調(diào)峰的首選儲能方式，但兩者都受到地理條件的嚴(yán)格限制，推廣范圍有限?；瘜W(xué)儲能以氫能、合成燃料等清潔可再生能源的直接或間接存儲為代表，雖然目前成本較高，但在未來可能應(yīng)用于電網(wǎng)的規(guī)模調(diào)峰和調(diào)頻。儲氫系統(tǒng)利用電解水技術(shù)或其他技術(shù)得到氫氣，將氫氣存儲于儲氫裝置中，再利用燃料電池技術(shù)將存儲的能量回饋到電網(wǎng)，或?qū)錃馔ㄟ^管道輸送，直接應(yīng)用到氫氣產(chǎn)業(yè)鏈中。歐洲有多個配合新能源接入使用的氫儲能系統(tǒng)的示范工程：德國在普倫茨勞市建立了風(fēng)能-氫能混合動力發(fā)電廠；意大利在普利亞地區(qū)建設(shè)了39兆瓦的氫儲能系統(tǒng)；法國在科西嘉島建設(shè)了200千瓦的氫儲能系統(tǒng)；挪威在西海岸建設(shè)了55千瓦的制氫和10千瓦的氫發(fā)電系統(tǒng)。從技術(shù)層面來講，如何進一步提高儲氫材料的儲氫容量、循環(huán)穩(wěn)定性以及降低氫生產(chǎn)及輸運成本是研究者仍在解決的問題。

合成燃料有很多種，如把煤、油頁巖或瀝青砂轉(zhuǎn)變?yōu)槭突蚱?，從污水和淤泥中提取甲烷，從生物質(zhì)中提取乙醇等其他碳?xì)淙剂?。利用植物的自然光合作用或者新型光化學(xué)轉(zhuǎn)換材料的人工光合作用，將光能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能或化學(xué)能并加以儲存和釋放，也是一類重要的化學(xué)儲能方式。目前，合成燃料面臨的主要問題是反應(yīng)過程復(fù)雜，副反應(yīng)較多，工藝尚不成熟，催化劑的選擇和反應(yīng)過程的設(shè)計還有待進一步改進。

儲熱蓄冷

儲熱方式主要有顯熱儲熱、潛熱儲熱（也叫相變儲熱）和化學(xué)反應(yīng)儲熱三種。其中，顯熱儲熱與物質(zhì)的比熱容、密度等相關(guān)，主要應(yīng)用于建筑取暖、生活用熱水、農(nóng)林作物干燥、空氣加熱干燥系統(tǒng)以及太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)等。相變儲熱材料主要有有機類、熔融鹽類、合金類和復(fù)合類等，其應(yīng)用研究主要集中在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)儲熱、地面太陽能的直接熱利用、建筑物圍護結(jié)構(gòu)儲熱和轉(zhuǎn)移電力峰值負(fù)荷、平衡電力應(yīng)用的空調(diào)儲熱、工業(yè)余熱廢熱回收系統(tǒng)儲熱以及保暖服裝、冷敷保健、儀器散熱等領(lǐng)域。從目前煤改氣和煤改電的趨勢來看，與多能互補相配合的儲熱技術(shù)將在我國北方地區(qū)獲得廣泛應(yīng)用。

“可再生能源+儲能”是未來新能源發(fā)展的必然選擇。加強先進儲能技術(shù)研究，推動儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對于促進我國能源生產(chǎn)和利用方式變革，普及應(yīng)用可再生能源，調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟、清潔的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系具有重要的戰(zhàn)略意義。