中國儲能網訊：前言：在過去相當長一段時間，儲能在電網的應用技術主要是抽水蓄能，應用領域主要是移峰填谷、調頻及輔助服務等。近年來，隨著新能源發(fā)電技術的發(fā)展，風電、太陽能光伏發(fā)電等波動性電源接入電網的規(guī)模不斷擴大，以及分布式電源在配網應用規(guī)模的擴大，儲能及其在電網的應用領域和應用技術都發(fā)生了很大變化。儲能技術類型不斷增多，應用范圍也在擴大，本文就從儲能技術的類型與應用范圍談起。
儲能技術即能量存儲和再利用的技術，按其基本原理分類，可分為物理儲能、化學儲能以及一些前沿儲能技術，其中物理儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能等，化學儲能有鉛炭電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池、超級電容器等，液態(tài)金屬電池、鋁空氣電池、鋅空氣電池等屬于比較前沿的技術。不同的儲能技術其特征和應用范圍也有所區(qū)別。單從儲能技術評價指標來看，就包括功率規(guī)模、持續(xù)時間、能量密度、功率密度、循環(huán)效率、壽命、自放電率、能量成本、功率成本、技術成熟度、環(huán)境影響等?？梢哉f，沒有一種單一儲能技術可以適應所有的儲能需求，應按需選擇合適的儲能技術或技術組合。
1、儲能技術簡介
1.1抽水蓄能電站
抽水蓄能使用兩個不同水位的水庫。谷負荷時，將下位水庫中的水抽入上位水庫;峰負荷時，利用反向水流發(fā)電。抽水儲能電站的最大特點是儲存能量大，可按任意容量建造，儲存能量的釋放時間可以從幾小時到幾天，其效率在70%～85%。
1.2壓縮空氣儲能
壓縮空氣儲能系統(tǒng)主要由兩部分組成：一是充氣壓縮循環(huán)，二是排氣膨脹循環(huán)。在夜間負荷低谷時段，電動機—發(fā)電機組作為電動機工作，驅動壓縮機將空氣壓入空氣儲存庫;白天負荷高峰時段，電動機—發(fā)電機組作為發(fā)電機工作，儲存的壓縮空氣先經過回熱器預熱，再與燃料在燃燒室里混合燃燒后，進入膨脹系統(tǒng)中(如驅動燃氣輪機)發(fā)電。
1.3飛輪儲能系統(tǒng)
飛輪儲能利用電動機帶動飛輪高速旋轉，將電能轉化成機械能儲存起來，在需要時飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電。近年來，一些新技術和新材料的應用，使飛輪儲能技術取得了突破性進展，例如：磁懸浮技術、真空技術、高性能永磁技術和高溫超導技術的發(fā)展，極大地降低了機械軸承摩擦與風阻損耗;高強度纖維復合材料的應用，飛輪允許線速度大幅提高，大大增加了單位質量的動能儲量;電力電子技術的飛速發(fā)展，使飛輪儲存的能量交換更為靈活高效。因此，飛輪儲能也被認為是近期最有競爭力的儲能技術之一。
1.4超導磁儲能系統(tǒng)
超導磁儲能是利用超導線圈由電網供電勵磁而產生的磁場儲存能量。超導磁儲能儲存的能量為E=LI2/2(其中，L為線圈的電感，I為線圈的勵磁電流)。如線圈維持超導態(tài)，則線圈中所儲存的能量幾乎可以無損耗地永久儲存下去，直到需用時再使用。
超導線圈是一個直流裝置，電網中的電流經整流變直流后給超導線圈充電勵磁。超導線圈放電時須經逆變裝置向電網或負載供電。
1.5超級電容器儲能
超級電容器根據電化學雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率。充電時處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構成雙電層超級電容器。其電容量極大，可存儲較多的電荷。
1.6鈉硫電池
鈉硫電池以鈉和硫分別作為負極和正極，β氧化鋁陶瓷同時起隔膜和電解質的雙重作用。目前研發(fā)的單體電池最大容量達到650Ah，功率120W以上，可組合后形成模塊直接用于儲能。鈉硫電池在國外已是發(fā)展相對成熟的儲能電池，實際使用壽命可達10～15a。
1.7液流電池與全釩液流電池
液流電池是正負極活性物質均為液態(tài)流體氧化還原電對的一種電池。液流電池主要包括溴化鋅(ZnBr)、氯化鋅(ZnCl)、多硫化鈉溴(PSB)和全釩液流電池(VRB)等多種體系。其中，全釩液流電池已經成為液流電池體系的主流。
1.8鋰離子電池
鋰離子電池的工作原理：鋰離子蓄電池的正極活性物質為鋰的活性化合物組成，負極活性物質則為碳材料。鋰離子電池是利用Li+在正負極材料中嵌入和脫嵌，從而完成充放電過程的反應。
使用磷酸鐵鋰為正極材料的鋰電池由于成本優(yōu)勢明顯，正逐步成為鋰離子電池的主要發(fā)展方向。鋰離子電池已成為目前世界上大多數汽車企業(yè)的首選目標和主攻方向。
2、各種儲能技術比較
2.1儲能技術特點和應用場合
各種儲能技術的特點和應用場合見表1。
2.2主要儲能技術成熟度比較
目前，大規(guī)模儲能技術中只有抽水蓄能技術相對成熟。因受地理條件制約，還有一些儲能方式處于試驗示范階段，距離大規(guī)模推廣應用還有距離，需要在可靠性、效率、成本、規(guī)?；蛪勖确矫孢M行綜合評估。主要儲能技術成熟度如圖1所示。
2.3主要儲能技術的經濟性比較
主要儲能技術的安裝成本見表2。
3、全球各儲能技術市場發(fā)展情況
從全球各儲能技術類型市場發(fā)育程度來看，抽水蓄能技術發(fā)展最為成熟，裝機規(guī)模也最大。儲熱技術近十年發(fā)展很快，目前在裝機量上排名第二。電化學儲能則是全球發(fā)展最為迅速，增速最快，也是在運項目數最多的技術。其他機械儲能增長相對比較平穩(wěn)。除此之外，儲氫、石墨烯儲能等新技術也開始進入市場。各類型技術發(fā)展趨勢詳見圖2。
資料來源：DOEGlobalEnergyStorageDatabase
圖2?2005～2016年全球各儲能技術裝機情況
抽水蓄能電站的儲能投資收益最高，技術成熟度也最高，是目前電力系統(tǒng)中最成熟、最實用的大規(guī)模儲能方式。據美國能源部全球儲能數據庫2016年8月16日的更新數據顯示，全球累計運行的抽水蓄能項目裝機161.23GW(316個在運項目)，占全部裝機的96%。相比于其它儲能方式，抽水蓄能電站設備具有壽命長、儲能規(guī)模大、轉換效率高、技術成熟、運行條件簡便、清潔環(huán)保等特點，因而得到了快速發(fā)展和廣泛應用。隨著近年來新的儲能技術的不斷發(fā)展，以及抽水蓄能建設的地理選址受限等因素影響，抽水蓄能裝機增長逐漸趨緩。
以2011年為分界點，前5年儲熱裝機增速最快，較2007年增加7倍，后5年化學儲能則成為發(fā)展最快的技術，詳見表3。
表32016年各儲能技術類型增速
4、儲能技術價值
總的來說，儲能技術的價值可分為三種，如表4所示
具體到各市場成員來看，儲能作用和價值體現在以下幾個方面：
對于發(fā)電集團來說，儲能可以延緩發(fā)電裝機投資，改善調頻調峰性能，規(guī)避市場上的極端低電價風險，典型的應用技術有抽水蓄能、壓縮空氣、儲熱、液流電池、鋰電池、鉛酸電池等;
對于電網公司來說，儲能可以延緩輸電、配電設備投資，緩解局部電網阻塞，提供調峰調頻、電壓支撐，提供緊急備用、黑啟動等。典型的應用技術有抽水蓄能、壓縮空氣、儲熱、飛輪、超級電容、液流電池、鋰電池、鉛酸電池;
對于新能源運營商來說，儲能可以減少棄水、棄風、棄光電量，改善電能質量，規(guī)避參與市場交易的偏差懲罰風險，規(guī)避市場上的極端低電價風險;典型的技術有儲熱配合光熱發(fā)電、鋰電池、鉛酸電池;
對于用戶和售電公司來說，可以利用峰谷價差盈利，提供調峰調頻等輔助服務，與分布式光伏配置使用，規(guī)避市場上的極端高電價風險，保證穩(wěn)定的電能供應，規(guī)避停電風險等。
5、智能電網發(fā)展大規(guī)模儲能的必要性
5.1滿足可再生能源發(fā)展需要
由于風能和太陽能等新能源具有隨機性、間歇性、出力變化快等特點，而且風能還具有不可預測、反調峰特性，大容量的新能源發(fā)電直接并網會對電網運行、控制及有功調度帶來較大的影響，并網問題現已成為了制約可再生能源發(fā)展的瓶頸。新能源發(fā)電設備中若配有儲能裝置，利用儲能裝置秒級甚至毫秒級的有功調節(jié)能力，可以平滑新能源的輸出曲線。儲能系統(tǒng)的有功動態(tài)調節(jié)能力使其可發(fā)揮類似發(fā)電機的對電網的頻率調節(jié)作用，調和電力供給與需求之間的差異。儲能系統(tǒng)在新能源領域的另一項應用是風光儲一體化發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以充分利用風能和光伏在時間和地域上的天然互補性，同時配合儲能系統(tǒng)對電能的存儲和釋放，改善整個風、光發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出特性，緩解風電、光電等可再生能源對電網的不利影響，增加電網對可再生能源的吸納程度。
5.2削峰填谷，減少系統(tǒng)備用，提高設備利用率
電力生產要求發(fā)電、供電、用電之間必須隨時保持平衡，然而白天和黑夜、不同季節(jié)間的峰谷差要求電力系統(tǒng)又必須配有一定的發(fā)電備用容量，隨著新能源產業(yè)及社會經濟的迅速發(fā)展，通過增加旋轉備用來滿足高峰負荷需求變得越來越困難。儲能系統(tǒng)可以在電網負荷低谷的時候作為負荷從電網獲取電能充電，在電網負荷峰值的時候向電網輸送電能，實現削峰填谷功能，同時，還可以減少電網對發(fā)電設備的投資，提高電力設備的使用率，減小線路損耗，提高供電可靠性，創(chuàng)造巨大的經濟效益和社會效益。
儲能系統(tǒng)具有響應速度快、運行成本低等特點，將比火電機組更適合充當發(fā)電備用的角色。如果將來能夠建設更大容量的儲能站，或者在全網分散布置大量的小容量儲能站，當整體儲能容量達到一定規(guī)模時，就能逐步減少火電機組的旋轉備用。
5.3減緩輸電壓力，提升配網智能化水平
在我國許多地區(qū)，電力輸送能力的增長遠遠跟不上電力需求增長的步伐，在高峰電力需求時輸配電系統(tǒng)往往變得擁擠阻塞，影響系統(tǒng)正常運行。若把儲能系統(tǒng)安裝在輸配電系統(tǒng)阻塞段的潮流下游，電能被存儲在沒有輸配電阻塞的區(qū)段，在電力需求高峰時儲能系統(tǒng)釋放電能，從而減少輸配電系統(tǒng)容量的要求，緩解輸配電系統(tǒng)阻塞的情況。同時，儲能系統(tǒng)還可以減少電力傳輸中的異常和干擾，解決輸電穩(wěn)定性阻尼和次同步諧振阻尼等問題，改善動態(tài)電壓穩(wěn)定性，以及減少系統(tǒng)低頻時甩負荷量。
置于用戶側的儲能系統(tǒng)，可增強系統(tǒng)的供電可靠性，改善用戶的電能質量。隨著智能電網的發(fā)展，微網的概念逐步得到推廣。各種儲能系統(tǒng)作為微網的分布式電源之一，通過電力電子裝置在秒級甚至毫秒級快速響應，可以實現微網“永不斷電”的目標。另一方面，小型的家庭式儲能設備和區(qū)域性的微網儲能裝置，可以通過智能表計接入到周圍的大中型電網中，在用電高峰時向電網供電，增加了電力用戶與電網的互動。
5.4促進電動汽車產業(yè)發(fā)展
隨著電網智能化水平以及電動汽車保有量的大幅提高，電動汽車的車載電池作為可移動儲能單元，豐富了電網的可控資源，對智能電網平衡大量不可控的可再生能源有著重要的作用。在用電低谷時，電動汽車和儲能電站的電池可以從電網吸納大量富余電力，用電高峰來臨時，電池的電能可以反過來被電網吸收，或可以作為停電時的備用電源。把這兩者有機結合在一起可以充分利用電池儲能站的配套設施，可達到資源的最大利用。
5.5電網應急相應的需要
在電網失電的情況下，通過傳感器技術和通信與信息技術進行故障快速診斷，儲能電站切換至電網緊急模式，儲能裝置向用電設備提供已儲備的電能，起到應急供電的作用。
儲能系統(tǒng)能夠為用戶提供備用電源，具有輔助設備簡單，廠用電少，啟動速度快等優(yōu)點，為系統(tǒng)黑啟動提供電源，提高供電可靠性和抵御自然災害的能力。其移動性和靈活的特點尤其適用于地震洪水等自然災害后的恢復。
對于一些重要負荷或者供電可靠性很差的部分地區(qū)，在發(fā)生事故失去主網電源或者輸配電設備檢修時需要孤網運行，孤網容量較小，要求備用電源必須相應速度快，儲能電站是最適合孤網供電的備用電源。
6、全球儲能發(fā)展前景展望
過去幾年，電網儲能市場的發(fā)展不夠集中。但是在未來幾年，隨著可再生能源的快速發(fā)展，電網儲能市場將迎來快速增長。據美國市場研究機構NavigantResearch研究，預計到2024年，全球儲能技術收益將突破210億美元(約合人民幣1300.1億元)。
就應用領域而言，隨著技術升級持續(xù)改變電網穩(wěn)定性、成本效益，儲能發(fā)展越來越受到可再生能源行業(yè)的歡迎。IHS預計，到2018年全球家庭光伏發(fā)電電池儲能裝機容量將達到900MW，其主要增長市場為德國、意大利與英國。電動汽車領軍者特斯拉在2015年4月在美國內華達州建立了自己的電池工廠，預計2020年建成時，其年電池產量將達到35GWh。
就區(qū)域需求而言，由于對可再生能源并入電網的需求，亞洲將占據儲能領域的主導地位。目前，電池儲能絕大多數被用到電網輸配環(huán)節(jié)，未來工業(yè)、商業(yè)、尤其是居民儲能的增長速度會高過電網儲能。
就技術路線而言，鋰離子電池是目前最具發(fā)展前景的技術。IHS預計，到2025年全球儲能裝置中，鋰電池將會占據超過80%。不僅是美國、日本，在南非、肯尼亞、菲律賓等其他國家的電池成本也在持續(xù)下降。到2025年，澳大利亞的儲能裝置安裝率將超過5%，成為全球蓄電池的領軍。
就中國而言，其儲能應用市場前景很大。根據《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃(2016～2030年)》，到2020年示范推廣10MW/100MWh超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)、1MW/1000MJ飛輪儲能陣列機組、100MW級全釩液流電池儲能系統(tǒng)、10MW級鈉硫電池儲能系統(tǒng)和100MW級鋰離子電池儲能系統(tǒng)等一批趨于成熟的儲能技術。新一輪電力體制改革將為新能源分布式電源和儲能應用打開市場。從經濟性上看，儲能成本會隨著規(guī)?；瘧枚焖傧陆担厥掌谥饾u縮短，并開始逼近贏利點。在該情況下，預計到2020年我國儲能市場累計裝機規(guī)模將超過50GW。
