雙碳背景下新型電力系統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)計(jì)與運(yùn)行

錢建國(guó)，孔飄紅，章曉锘

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司 浙江 杭州 310007）

在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)背景下，未來(lái)能源及新型電力系統(tǒng)的研究是逐步實(shí)現(xiàn)“一次能源零碳化，二次能源電力化”的重要途徑，在未來(lái)的電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)煤電、燃?xì)怆姷劝l(fā)電方式將逐步被新型電力系統(tǒng)所取代。但是，在測(cè)試中心環(huán)境下對(duì)研究的驗(yàn)證結(jié)果表明，新型電力系統(tǒng)的應(yīng)用同樣會(huì)面臨新的問(wèn)題，其中電力儲(chǔ)能設(shè)計(jì)和發(fā)、損、用電的實(shí)時(shí)平衡問(wèn)題最為突出。社會(huì)進(jìn)步與環(huán)境保護(hù)的共同發(fā)展是中國(guó)乃至全世界能源結(jié)構(gòu)調(diào)整發(fā)展的大趨勢(shì)，是不得不面對(duì)和解決的客觀矛盾。

1 儲(chǔ)能設(shè)計(jì)對(duì)新型電力系統(tǒng)的影響

隨著新型電力系統(tǒng)規(guī)模的逐步擴(kuò)張，目前難以擔(dān)當(dāng)發(fā)電大任的風(fēng)電、光伏等將必然成為能源舞臺(tái)的主角。縱觀風(fēng)電和光伏發(fā)電的特點(diǎn)，其波動(dòng)性、不穩(wěn)定性以及分散性是最突出的缺點(diǎn)，儲(chǔ)能設(shè)計(jì)的優(yōu)異與否必然會(huì)影響其“實(shí)時(shí)平衡、穩(wěn)定運(yùn)行”。電力儲(chǔ)能涉及到需求側(cè)管理、電源側(cè)管理及電力供需平衡管理等一系列問(wèn)題，由于儲(chǔ)能最具有基礎(chǔ)性，所以其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞將直接關(guān)系到新型電力系統(tǒng)能否切實(shí)解決社會(huì)的用電所需。

需求側(cè)管理是指對(duì)綜合用電負(fù)荷特性曲線進(jìn)行調(diào)整干預(yù)以改善負(fù)荷用電特性，是節(jié)能降耗、改善能源使用特性的重要手段。電源側(cè)管理主要是用以改善各電源群的發(fā)電總特性，能夠解決電力的時(shí)空轉(zhuǎn)換問(wèn)題，通過(guò)對(duì)電力儲(chǔ)能方案的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的峰、谷互補(bǔ)，在發(fā)電峰值期將電力儲(chǔ)存起來(lái)，然后在發(fā)電低谷期釋放儲(chǔ)存的電能以滿足正常電力供應(yīng)需求。以風(fēng)電、光伏為代表的新型電力系統(tǒng)受環(huán)境影響較大，有著十分明顯的周期性，電源側(cè)管理方案能夠顯著降低周期性發(fā)電對(duì)正常電力供應(yīng)的影響，進(jìn)而使新型電力系統(tǒng)有更加廣闊的應(yīng)用空間。

2 儲(chǔ)能技術(shù)分類及應(yīng)用現(xiàn)狀

目前主流的儲(chǔ)能方式可分為機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能四類。機(jī)械儲(chǔ)能較易理解，如水能發(fā)電中利用電能將水儲(chǔ)存在高位，當(dāng)用電高峰期時(shí)泄水發(fā)電，以此來(lái)達(dá)到儲(chǔ)能的目的。電化學(xué)儲(chǔ)能主要為電池儲(chǔ)能，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將電能儲(chǔ)存起來(lái)?；瘜W(xué)儲(chǔ)能主要為氫儲(chǔ)能，電磁儲(chǔ)能主要為超導(dǎo)儲(chǔ)能、超電容儲(chǔ)能等。

2.1 機(jī)械儲(chǔ)能

新型發(fā)電系統(tǒng)中，抽水儲(chǔ)能的應(yīng)用較為廣泛，不僅容易實(shí)現(xiàn)，有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，而且易于控制，成本較低。抽水儲(chǔ)能主要針對(duì)水電，綜合轉(zhuǎn)換效率約為75%，主要實(shí)現(xiàn)原理為將電能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能實(shí)現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存來(lái)應(yīng)用發(fā)電過(guò)剩的情況，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能來(lái)應(yīng)對(duì)發(fā)電不足的情況。抽水儲(chǔ)能可以錯(cuò)開(kāi)大規(guī)模電力系統(tǒng)的發(fā)電峰谷。

從應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，抽水儲(chǔ)能技術(shù)有電能循環(huán)效率較高、額定功率大、容量大、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行成本易于控制、自放電率低等一系列優(yōu)勢(shì)，并且發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，技術(shù)成熟度高。除抽水儲(chǔ)能外，機(jī)械儲(chǔ)能還包括飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能兩種應(yīng)用較為廣泛的儲(chǔ)能設(shè)計(jì)，其中飛輪儲(chǔ)能主要應(yīng)用于UPS不間斷供電，壓縮空氣儲(chǔ)能主要用于電力系統(tǒng)削峰填谷及分布式電網(wǎng)微網(wǎng)。

2.2 電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能為日常生活中最常見(jiàn)的儲(chǔ)能方式，主要是借助于電化學(xué)蓄電池將電能儲(chǔ)存起來(lái)，綜合能源轉(zhuǎn)換效率約為81%。目前最為流行的電池類型為鋰聚合物電池，如三元鋰、磷酸鐵鋰等，化學(xué)電池不僅推動(dòng)了新能源汽車的發(fā)展，同時(shí)也使得電網(wǎng)儲(chǔ)能有了新的突破方向。

2.3 電磁儲(chǔ)能

無(wú)論是哪種儲(chǔ)能方式，都是將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，當(dāng)需要時(shí)再經(jīng)放電或轉(zhuǎn)化產(chǎn)生電能。超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)是把電能轉(zhuǎn)化為電磁能加以儲(chǔ)存的方式，借助于超導(dǎo)線圖可以給電力持續(xù)平衡供電。從其技術(shù)原理和核心部件要求來(lái)看，超導(dǎo)材料的性能是決定能源損耗和儲(chǔ)能技術(shù)性能的關(guān)鍵，由于低溫環(huán)境和高溫環(huán)境都可對(duì)材料的內(nèi)阻產(chǎn)生影響，所以超低溫和超高溫都可對(duì)應(yīng)不同的超導(dǎo)材料，技術(shù)較為成熟的超導(dǎo)材料為液氨溫度下工作的超導(dǎo)材料。超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，其中在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用十分廣泛，能夠解決新型發(fā)電技術(shù)的并網(wǎng)問(wèn)題，具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)調(diào)整能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

超級(jí)電容本質(zhì)上是性能十分強(qiáng)大的電容器件，由于電容值大，所以能夠儲(chǔ)存更多的電能，利用超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)可以解決電能的高效存儲(chǔ)和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)問(wèn)題，其最大的特點(diǎn)是維護(hù)簡(jiǎn)單、工作狀態(tài)穩(wěn)定以及壽命較長(zhǎng)等。由于超級(jí)電容有著很低的內(nèi)阻，所以相較于電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)有著充放電循環(huán)次數(shù)多的先天性優(yōu)勢(shì)，并且耐熱性能好，抗過(guò)充電能力同樣十分強(qiáng)大。超級(jí)電容與常規(guī)電容相比，其介電常數(shù)更高、表面積更大，擁有更強(qiáng)的耐壓性能，在未來(lái)儲(chǔ)能應(yīng)用中有十分優(yōu)良的發(fā)展前景。

3 氫儲(chǔ)能設(shè)計(jì)與運(yùn)行

3.1 氫儲(chǔ)能技術(shù)的運(yùn)行特點(diǎn)

氫能雖然不是能源，但是其可應(yīng)用于電能儲(chǔ)能領(lǐng)域，是重要的儲(chǔ)能方式之一。由于氫在自然界無(wú)法獨(dú)立存在，所以在制氫的過(guò)程中必然會(huì)造成能耗，其主要優(yōu)勢(shì)是排碳量低。從雙碳背景和技術(shù)背景來(lái)分析，綠氫擁有最為廣闊的發(fā)展前景，其技術(shù)路徑為“綠色能源——電能——綠氫——電能”，在此四次轉(zhuǎn)化的過(guò)程中每一次轉(zhuǎn)化都會(huì)造成能源損耗，所以其經(jīng)濟(jì)性較差，應(yīng)劃入需求側(cè)，在特定場(chǎng)景需求下使用。

在雙碳背景下，氧儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)慢慢展現(xiàn)，但是由于目前技術(shù)條件所限，以當(dāng)前的技術(shù)水平，電能制氫轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率僅為50%～55%，遠(yuǎn)低于其他儲(chǔ)能手段。即使隨著技術(shù)的發(fā)展，其轉(zhuǎn)換效率有望達(dá)到80%左右，氫儲(chǔ)能仍然會(huì)面臨很大的技術(shù)難度挑戰(zhàn)。特別是在零碳儲(chǔ)能背景下，電氫儲(chǔ)能所付出的能耗為所有儲(chǔ)能技術(shù)最高，經(jīng)濟(jì)性也不占優(yōu)勢(shì)。

即使如此，電力系統(tǒng)儲(chǔ)能中氫儲(chǔ)能技術(shù)路線仍然不可忽視，特別是以新型能源發(fā)電——?dú)淙剂想姵貎?chǔ)能——驅(qū)動(dòng)新能源汽車為技術(shù)路線的研究，是實(shí)現(xiàn)零碳電能的重要研究方向。新能源發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電情況不穩(wěn)定是主要難題之一，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用則主要用于平衡用電高峰期與用電低峰期的電力調(diào)配問(wèn)題，無(wú)論哪種儲(chǔ)能技術(shù)其應(yīng)用原理都是在發(fā)電高峰期將電能儲(chǔ)存起來(lái)，在發(fā)電低谷期將電能釋放，以此來(lái)穩(wěn)定電能輸出。氫儲(chǔ)能技術(shù)不但可以給予新型發(fā)電系統(tǒng)解決發(fā)電不穩(wěn)定的方案，同時(shí)也更加有利于實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。

3.2 技術(shù)路線原理及技術(shù)難點(diǎn)

氫儲(chǔ)能的技術(shù)路線原理為：新能源發(fā)電系統(tǒng)輸出的電力經(jīng)電力電子變換器進(jìn)入制氫機(jī)構(gòu)，制氫原料為水，在電解槽中發(fā)生電解反應(yīng)制造氫氣達(dá)成儲(chǔ)能的目的。然后氫氣作為燃料用來(lái)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)化。氫儲(chǔ)能技術(shù)從容量上來(lái)講比電化學(xué)儲(chǔ)能容量更大，大型系統(tǒng)容量可達(dá)GW級(jí)別。隨著技術(shù)的發(fā)展，其經(jīng)濟(jì)性和建設(shè)成本也將得到改善。此外，氫儲(chǔ)能技術(shù)路線中的氫氣可被運(yùn)輸，極大增強(qiáng)了儲(chǔ)能的靈活性。

氫儲(chǔ)能的技術(shù)難點(diǎn)主要有三個(gè)方面，一是在制氫過(guò)程中產(chǎn)生的能損過(guò)高，二是儲(chǔ)氫窗口的結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)，因?yàn)樾枰诘蜏亟^熱容器中才能讓氫保持液態(tài)，而液化過(guò)程同樣會(huì)產(chǎn)生損耗。在儲(chǔ)氫問(wèn)題上，也可利用氫氣與儲(chǔ)氫材料之間的物理或化學(xué)反應(yīng)，將氫氣轉(zhuǎn)化為固溶體或氫化物，降低氫能的儲(chǔ)存難度和運(yùn)輸難度，目前這種安全性高的儲(chǔ)氫方式已經(jīng)被應(yīng)用于很多場(chǎng)景，特別是航天領(lǐng)域應(yīng)用最為成熟。氫儲(chǔ)能技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于比傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電更高的發(fā)電效率，并且在轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程中不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，是達(dá)成“雙碳”目標(biāo)的重要路徑之一。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著新型電力系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)將會(huì)逐步退出舞臺(tái)，而在這一過(guò)程中如何解決新型發(fā)電技術(shù)發(fā)電不穩(wěn)定、不持續(xù)的問(wèn)題將是目前及至未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間最主要的科研攻關(guān)方向之一。利用儲(chǔ)能技術(shù)可以有效調(diào)節(jié)發(fā)電峰谷之間的平衡關(guān)系，使電力輸出更加穩(wěn)定，擴(kuò)大新型電力系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。