儲能技術及其在電力系統中的應用與發(fā)展

伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

0 引言

目前，人類所使用的大部分能源都是以不同形式儲存下來的太陽能。煤炭、石油、天然氣等化石能源是太陽能在數十億年時間里所累積的產物，而水能、風能等可再生能源則是太陽能以年為單位累積的產物。

自然界中的能源供給通常是不均衡的，由地理位置、季節(jié)氣候等自然條件決定。能源的需求同樣不均衡，且時常與能源的供給完全不匹配。因此，在能源供給和需求之間迫切需要一種裝置，以實現能量在空間和時間上的轉移，這就是儲能。

1 儲能技術

廣義的儲能是指通過某種介質和裝置，把以電能、熱能、機械能、化學能等為代表的某一種形式的能量轉化為另一種形式的能量存儲起來，在需要的時候再將其轉化為特定形式的能量并釋放出來的一系列的技術和措施，包括煤、石油、天然氣等化石能源及電力、熱能、氫能、成品油等二次能源的存儲。

狹義的儲能多指電能的存儲。因為電能是目前應用最廣泛的二次能源，所以儲能的轉換大多與電能的生產、利用和消耗相關。電能的存儲是儲能中最為重要的形式。

隨著第一塊電池——“伏特電堆”的出現，開始把儲能與電緊緊地聯系在一起。而鉛酸電池的發(fā)明則逐漸揭開了工業(yè)儲能的序幕。進入21 世紀以來，電力行業(yè)的高速發(fā)展、電子產品的快速普及以及可再生能源的大規(guī)模應用驅動著儲能產業(yè)向前發(fā)展，各種新型儲能技術不斷涌現，儲能向著大型化、高效率、低成本的方向發(fā)展。

2 儲能技術的分類

按照不同的分類方法，儲能技術可進行如下分類。

1）按照儲能原理分類，儲能可分為機械能儲能、電化學儲能、電氣類儲能、熱儲能以及化學類儲能等。

其中，機械能儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣和飛輪儲能。電化學儲能主要包括鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池和鈉硫電池等電池儲能技術[3-8]。電氣類儲能包括超導儲能和超級電容儲能。熱儲能主要指通過利用水等相變材料將電能轉變?yōu)闊崮艿膬δ芊绞絒9]?；瘜W類儲能主要是指利用氫（H2）或合成天然氣（SNG）作為次級能量載體的儲能方式。

2）按照儲能時間長短分類，儲能可分為：短時儲能，通常放電時間為數秒到數分鐘。中期儲能，通常放電時間為數分鐘到數小時。長期儲能，通常放電時間為數小時到數天。

3）按照儲能功能分類，儲能可分為能量型儲能和功率型儲能。能量型儲能特點是比能量高，放電相對較慢，主要用于較大能量輸入和輸出的場合；功率型儲能特點是比功率高，以高放電率快速放電，主要用于瞬間高功率輸入和輸出的場合[1-2]。

3 儲能技術在電力系統中的應用與發(fā)展

3.1 儲能技術在電力系統中的應用

傳統電力系統的運行必須時刻保持發(fā)電與負荷之間的動態(tài)平衡，也就是“即發(fā)即用”。因此，電力系統的規(guī)劃、建設和運行保障等都遵循“供需平衡”的基本原則。隨著社會經濟的發(fā)展和人們生活水平的不斷提升，電力系統中的高峰負荷也在持續(xù)大幅增加。為了滿足這些短時間的高峰負荷，發(fā)電企業(yè)和電網公司只能不斷地增加投資發(fā)電、輸電、配電等電力設備，這又導致電力系統整體負荷率偏低，電力資產綜合利用率也較低[10]。

對電力系統應用而言，儲能的作用主要體現在功率等級及其作用時間上。儲能的作用時間是區(qū)別傳統電力系統即發(fā)即用設備的最顯著的標志[11-13]，先進、高效的大規(guī)模儲能系統能為這些問題的解決和電力系統升級改造提供有效的手段。

傳統化石能源的日益匱乏和環(huán)境的日趨惡化，驅使以火力發(fā)電為代表的傳統發(fā)電方式按照用電負荷進行調度。以風能、太陽能為代表的可再生能源的發(fā)電方式則取決于自然資源條件，具有天生的波動性和不確定性，調節(jié)控制難度較大。先進、高效的大規(guī)模儲能可在很大程度上緩解可再生能源發(fā)電的不確定性和波動性，使間歇性、低能源密度的可再生能源得到更廣泛的利用。

規(guī)模化儲能技術的應用貫穿于電力系統的發(fā)電、輸電、配電和用電各個環(huán)節(jié)可滿足高峰負荷的供電需求，有效減少發(fā)電廠和電網不必要的重復建設，提高現有發(fā)電裝機容量的利用率和電網運行效率，可有效應對電網故障，提升用電可靠性。實施削峰填谷、計劃跟蹤、平滑輸出等策略，可有效降低可再生能源發(fā)電的波動性和不確定性，減少棄風、棄光造成的浪費，實現電動汽車規(guī)?；褂茫⑼ㄟ^“梯次利用”等技術實現與電力系統的有效配合?？偵纤?，規(guī)模化儲能技術能改變現有電力系統必須供需瞬時平衡的傳統模式，在未來的能源革命中將發(fā)揮越來越重要的作用。

3.2 基于我國電力系統儲能技術發(fā)展的研究

目前，我國電力系統廣泛采用集中式供電方式，發(fā)電中心與負荷中心在空間上往往存在較長距離，電能需求曲線與供給曲線在時間上也不匹配，導致電力系統效率低下。

在可再生能源并網方面，以風電、光伏為代表的可再生能源發(fā)電普遍存在波動性和不確定性，大量并網將對電網的穩(wěn)定運行產生沖擊。儲能系統可對可再生能源發(fā)電進行能量緩沖與調節(jié)，以便更好地被電網所接納，從而提高可再生能源發(fā)電利用率。

從電網側看，如果通過新增發(fā)電和輸配電設備的方法來滿足不斷增加的高峰負荷，則需要增加昂貴的設備投資，同時擴容的容量利用率非常低。此外，傳統的火力發(fā)電站、水力發(fā)電站及核電站對負荷的響應時間較長，因此，通過增加設備容量的方法難以做到對需求的快速響應。為此，建設包括抽水蓄能電站在內的各類大型儲能電站進行電力調峰和電能質量優(yōu)化，可以起到能量緩沖的作用。

從用戶側看，隨著信息技術、網絡技術和自動化技術的快速發(fā)展，一些重要的用電設備對電能質量提出了更高要求。儲能系統可對電網電壓波動、頻率偏移、諧波、三相不平衡等電能質量問題進行優(yōu)化，對斷電、電涌等突發(fā)事故提供應急保護，有助于滿足用戶更高的用電要求。

考慮到規(guī)?；瘍δ軐ξ覈茉窗l(fā)展和能源保障的重要意義，近年來國家頻繁出臺了針對儲能的利好政策，極大地促進了我國儲能的產業(yè)化發(fā)展。

強有力的政策驅動了儲能技術的快速發(fā)展。目前，許多兆瓦級電池儲能系統已進行了示范運行。繼張北風光儲輸示范工程之后，陸續(xù)出現了一大批有代表性的大規(guī)模儲能示范電站，如遼寧臥牛石5 MW 儲能電站、甘肅酒泉兆瓦級儲能電站、青海15 MW 儲能電站、深圳寶清兆瓦級儲能電站等?，F階段，規(guī)?；瘍δ芗夹g正逐步從試驗示范邁向商業(yè)化應用，如何實現高能量轉換效率、高安全性、低成本、長壽命等關鍵技術也在逐漸被突破，未來規(guī)?；瘍δ芗夹g應用具有非常光明的前景。

儲能已成為能源結構轉變的戰(zhàn)略性支撐，在可再生能源、節(jié)能減排、分布式發(fā)電和微網、新能源汽車、能源互聯網等領域都有著巨大的潛力。

4 結論及展望

從世界范圍看，現階段儲能仍處于發(fā)展的初期階段，但近年來我國儲能行業(yè)已呈現出多頭并進的良好態(tài)勢：如傳統的抽水蓄能等儲能應用規(guī)模持續(xù)擴大；超導儲能和超級電容等電氣類儲能，鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池等電化學類儲能和壓縮空氣儲能等技術不斷優(yōu)化升級；儲熱、氫儲能等也取得了不小的進展。

相關政策的不斷出臺和實施，儲能技術和工藝將得到快速提升，儲能成本也將大幅下降。在不遠的未來，規(guī)?；瘍δ芡耆軌蚶米陨硇軐崿F巨大的經濟價值，走上可持續(xù)發(fā)展的道路。