大規模儲能技術(shù)前景

多個(gè)國家都在支持開(kāi)發(fā)合適本國能源特點(diǎn)的儲能技術(shù)，開(kāi)展儲能經(jīng)濟性研究，促進(jìn)儲能商業(yè)化和市場(chǎng)化發(fā)展

儲能是指通過(guò)介質(zhì)或設備把能量存儲起來(lái)、在需要時(shí)再釋放的過(guò)程。廣義的儲能包括煤、石油、天然氣等化石能源以及電力、熱、氫、成品油等二次能源的存儲。狹義的儲能一般指儲電和儲熱。18世紀末期，隨著(zhù)第一塊電池“伏特電堆”的出現，人們第一次把儲能與“電”聯(lián)系到了一起。19世紀的鉛酸電池揭開(kāi)了工業(yè)儲能的序幕。進(jìn)入20世紀后，伴隨著(zhù)電力行業(yè)的發(fā)展、消費電子產(chǎn)品的普及、可再生能源的大規模應用，各種新型儲能技術(shù)層出不窮，其應用也逐漸向大型化和能源工業(yè)發(fā)展。

儲能技術(shù)的應用領(lǐng)域廣泛，包括電網(wǎng)調峰、調頻及系統備用，可再生能源發(fā)電出力平滑，分布式發(fā)電和微電網(wǎng)，工礦企業(yè)、商業(yè)中心等大型負荷中心應急電源，無(wú)電地區和通訊基站供電，電動(dòng)汽車(chē)等場(chǎng)合。特別在近年來(lái)在智能電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電規?？焖侔l(fā)展的帶動(dòng)下，儲能技術(shù)越來(lái)越成為多個(gè)國家能源科技創(chuàng )新和產(chǎn)業(yè)支持的焦點(diǎn)。

我國的儲能產(chǎn)業(yè)雖然起步較晚，但在政府的支持下，近幾年的發(fā)展速度也令人矚目。為發(fā)展分布式發(fā)電和促進(jìn)可再生能源利用，我國強調儲能在分布式電源和微電網(wǎng)建設以及分布式可再生能源發(fā)電自發(fā)自用中的作用，并通過(guò)建設風(fēng)光儲等示范項目，探索提高間歇性能源并網(wǎng)的途徑。儲能技術(shù)的規?；瘧靡矎膫鹘y的抽水蓄能逐漸向可再生能源并網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)等新興領(lǐng)域延伸。

大規模儲能技術(shù)應用潛力

儲能技術(shù)可分為物理儲能、化學(xué)儲能、電磁儲能及相變儲能4大類(lèi)。物理儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣和飛輪儲能?；瘜W(xué)儲能主要包括鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池和鈉硫電池等電池儲能技術(shù)。電磁儲能包括超導儲能和超級電容儲能。相變儲能主要指通過(guò)利用水等相變材料將電能轉變?yōu)闊岬膬δ芊绞?。根據各種應用場(chǎng)合對儲能功率和儲能容量的不同要求，各種儲能技術(shù)都有其適宜的應用領(lǐng)域?？偟貋?lái)看，適合于大規模儲能的技術(shù)主要有抽水蓄能、壓縮空氣和鈉硫電池技術(shù)。近幾年來(lái)，隨著(zhù)鋰離子電池技術(shù)的快速進(jìn)步，鋰離子電池逐步向用于分散儲能及規模儲能領(lǐng)域滲透。

物理儲能

抽水蓄能(Hydro Pump Energy Storage)是目前唯一成熟的大規模儲能方式，也是目前經(jīng)濟最優(yōu)的儲能方式。抽水蓄能電站在電力負荷低谷期將水從低水位水庫抽到高水位水庫，將電能轉化成重力勢能儲存起來(lái)，在電網(wǎng)負荷高峰期通過(guò)釋放高水位水庫中的水來(lái)發(fā)電。由于抽水蓄能具有單位儲電成本低、調節能力強、運行壽命長(cháng)等特點(diǎn)，目前被廣泛應用于電力系統調峰、調頻和應急備用等領(lǐng)域。然而，抽水儲能電站的選址受到地理因素和水資源的制約，項目建設工期長(cháng)，并伴有移民及生態(tài)破壞等問(wèn)題，影響了其進(jìn)一步大規模應用。

壓縮空氣儲能(Compressed Air Energy Storage)是在電力負荷較低時(shí)，通過(guò)吸收電網(wǎng)中富余的電能來(lái)進(jìn)行空氣壓縮，并將其存儲在高壓容器(如巖洞、深井)中，在負荷高峰時(shí)對其釋放驅以動(dòng)燃氣輪機發(fā)電。壓縮空氣儲能周期長(cháng)，效率高，單位投資成本較低。但壓縮空氣儲能需要同燃氣輪機配套使用。此外，壓縮空氣與抽水蓄能類(lèi)似，對地理條件的要求較高。

飛輪儲能(Flywheel Energy Storage)是一種利用高速旋轉的飛輪存儲能量的儲能技術(shù)。典型的飛輪儲能裝置包括高速旋轉飛輪、封閉殼體和軸承系統、電源轉換和控制系統等。飛輪儲能功率密度高，能量轉換率高，但大型飛輪儲能系統所需的高速低損耗軸承、散熱及真空技術(shù)仍有待提高。

電磁儲能

超導儲能(Superconducting Magnetic Energy Storage)利用超導線(xiàn)圈將電力通過(guò)勵磁轉化為磁場(chǎng)能存儲，需要時(shí)再反輸電網(wǎng)。超導儲能的優(yōu)點(diǎn)包括能量轉化率高、響應速度快等。但超導儲能成本高，能量密度低，且運行穩定性和安全性仍有待提高。

超級電容(Super Capacitor Energy Storage)通過(guò)雙層電極將電解液中異性離子吸附于極板表面，從而形成雙電層電容。由于電荷層間距非常小(5mm以下)，且極板由特殊材料制成以增加其表面積，從而大幅增加了其儲電能力。超級電容結構簡(jiǎn)單，過(guò)充、過(guò)放性能好，但能量密度低，充放電存在一定的效率損失，且設備成本高。電磁儲能主要應用在UPS、電能質(zhì)量調節、提高電網(wǎng)穩定性等靈活響應要求高、充放電頻繁的領(lǐng)域。

化學(xué)儲能

化學(xué)儲能，即電池儲能，主要通過(guò)電池正負極的氧化還原反應來(lái)進(jìn)行充放電。電池系統通常由電池、交直流逆變器及控制輔助裝置組成，目前在小型分布式發(fā)電系統中應用廣泛。

作為技術(shù)相對成熟的化學(xué)儲能技術(shù)，鉛酸電池(Lead Acid Battery)具有價(jià)格低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于車(chē)用電池、分布式發(fā)電及微電網(wǎng)系統。然而，目前鉛酸電池的發(fā)展受到循環(huán)壽命短、不可深度放電、運行和維護費用高和失效后的回收難題，使得鉛酸電池在電網(wǎng)級規模儲能領(lǐng)域仍然頗具爭議。

鈉硫電池(Sodium Sulfur Battery)以鈉和硫分別用作陽(yáng)極和陰極。氧化鋁陶瓷同時(shí)起隔膜和電解質(zhì)的雙重作用。在一定的工作溫度下，鈉離子透過(guò)電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應，形成能量的釋放和儲存。鈉硫電池最大的特點(diǎn)是：比能量密度高，是鉛酸電池的3-4倍;可大電流、高功率放電;充放電效率高，硫和鈉的原料資源儲量豐富，便于電池的量化生產(chǎn)。鈉硫電池的不足之處在于其運行溫度高達300℃-350℃，需要附加供熱設備來(lái)維持溫度，且其正、負極活性物質(zhì)的強腐蝕性，對電池材料、電池結構及運行條件的要求苛刻。此外，由于鈉硫電池僅在高溫下運行，造成啟動(dòng)時(shí)間很長(cháng)，這在一定程度上制約了其在風(fēng)電、光伏等間歇性能源發(fā)電并網(wǎng)領(lǐng)域的應用。

液流電池(Redox Flow Battery)是電池的正負極或某一極活性物質(zhì)為液態(tài)流體氧化還原電對的一種電池。根據活性物質(zhì)不同，主要的液流電池種類(lèi)包括鋅溴電池、多硫化鈉/溴電池及全釩液流電池3種，其中全釩液流電池被認為是較具應用前景的液流儲能電池技術(shù)。全釩液流儲能電池具有循環(huán)壽命長(cháng)、蓄電容量大、能量轉換效率高、選址自由、可深度放電、系統設計靈活、安全環(huán)保、維護費用低等優(yōu)點(diǎn)。在輸出功率為數千瓦至數十兆瓦，儲能容量數小時(shí)以上級的規?；潭▋δ軋?chǎng)合，液流電池儲能具有明顯優(yōu)勢，是可再生能源大規模儲能的理想方式。液流電池的主要缺點(diǎn)為能量密度及功率密度較低，且成本較高。液流電池的大規模應用依賴(lài)批量化生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)發(fā)，通過(guò)進(jìn)一步降低成本、提升性能滿(mǎn)足液流電池商業(yè)化的需要。

鋰離子電池(Lithium-ion Battery)分為液態(tài)鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)兩類(lèi)。液態(tài)鋰離子電池是指鋰離子嵌入化合物為正、負極的二次電池。電池正極采用鋰化合物，如鈷酸鋰(LiCoO2)或錳酸鋰(LiMn2O4)等，負極采用鋰—碳層間化合物。鋰離子電池具有比能量和能量密度高、額定電壓高、放電功率高、產(chǎn)業(yè)基礎好等優(yōu)點(diǎn)。但鋰離子電池耐過(guò)充/放電性能差，組合及保護電路復雜，電池充電狀態(tài)很難精確測量。此外，鋰電池成本相對于鉛酸電池等傳統蓄電池偏高，單體電池一致性及安全性仍無(wú)法完全滿(mǎn)足目前電力系統大規模儲能的需要。

商業(yè)化政策支持

從歐美日實(shí)施的儲能項目和發(fā)展規劃來(lái)看，多個(gè)國家都將支持開(kāi)發(fā)合適本國能源特點(diǎn)的儲能技術(shù)，通過(guò)示范項目累計實(shí)際經(jīng)驗，推動(dòng)儲能產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng )新、研發(fā)和應用，并以此為基礎開(kāi)展儲能經(jīng)濟性研究，促進(jìn)儲能商業(yè)化和市場(chǎng)化發(fā)展。

美國的儲能政策設計較為全面，其對儲能的

支持政策包括儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃(如《美國能源部2011-2015儲能計劃》)、儲能示范項目財政支持(如《聯(lián)邦政府復興與再投資法》、儲能電價(jià)支持(如《聯(lián)邦能源管理委員會(huì )第745號令-電力批發(fā)市場(chǎng)中對需求響應進(jìn)行補償》)、儲能系統安裝稅收減免(如《美國加州自發(fā)電激勵政策(SGIP-CA)》)和儲能系統配制比例標準(如《聯(lián)邦能源管理委員會(huì )第719號令》)5個(gè)方面。此外，美國聯(lián)邦政府不斷通過(guò)立法強化能源稅收減免激勵制度和可再生能源配額制(RPS)以保障可再生能源的健康發(fā)展，同時(shí)儲能技術(shù)作為實(shí)現可再生能源大規模應用的關(guān)鍵技術(shù)受到更多的關(guān)注，特別是在加州、夏威夷等可再生能源應用規模較大的地區，儲能系統已經(jīng)成為重要的可再生能源發(fā)電的配套設施。奧巴馬的經(jīng)濟激勵法案中，美國能源部安排了28億美元支持汽車(chē)用電池和電動(dòng)汽車(chē)研究開(kāi)發(fā)。美國政府制定的儲能政策具有連續性，早期對儲能的支持源于能源政策且重點(diǎn)在于支持儲能技術(shù)的研發(fā)，隨后與新能源政策緊密相連且在技術(shù)研發(fā)和促進(jìn)示范應用兩方面并重。未來(lái)美國的儲能政策也將把繼續產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)運行作為支持的重心。

德國一直以來(lái)強調新能源與可再生能源的發(fā)展。特別在日本福島核電事故后，德國提出了無(wú)核化要求?？稍偕茉从捎谇鍧嵑蛯ν庖蕾?lài)程度低等特性，成為了替代核電的首選。德國制定的目標是到2020年實(shí)現可再生能源發(fā)電占比達35%，2050年達到100%。宏大的可再生能源發(fā)電目標為儲能技術(shù)的應用提供了廣闊平臺。今年5月1日，德國復興銀行(KFW)聯(lián)合德國聯(lián)邦環(huán)境、自然保護和核反應堆安全部(BMU)支持分布式光伏儲能的新政生效，政策針對小于30kW的光伏設施，給予新安裝光伏發(fā)電同步建設的儲能設施最高不超過(guò)600歐元的補貼，既有光伏發(fā)電加裝儲能設施給予每千瓦最高不超過(guò)660歐元的補貼，成為全球分布式可再生能源發(fā)電儲能補貼的先行者。

日本能源資源匱乏，較早開(kāi)始有計劃地推進(jìn)儲能技術(shù)的開(kāi)發(fā)。在福島事故后日本產(chǎn)經(jīng)省先后出臺了《革新的能源及環(huán)境戰略》《電力事業(yè)主體進(jìn)行可再生能源電力調節的特別措施法》等文件，明確了將要大力發(fā)展分布式及可再生能源發(fā)電，支持蓄電池、燃料電池等儲能技術(shù)研發(fā)，并給予安裝家用儲能系統的住戶(hù)、企業(yè)一定的資金支持。日本的儲能政策具有前瞻性、高效性的特點(diǎn)。日本政府相繼出臺了儲能技術(shù)研發(fā)資金支持、儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃和儲能電價(jià)支持。此外，日本政府對可再生能源、分布式發(fā)展規劃也間接扶持了儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

我國近年來(lái)大力發(fā)展可再生能源和分布式發(fā)電，鼓勵新能源電源并網(wǎng)。近期我國以建設儲能示范項目為依托，檢驗儲能技術(shù)對可再生能源發(fā)電并網(wǎng)、電力系統調頻、調峰及電力系統備用的效果。相關(guān)科技發(fā)展規劃則專(zhuān)注于儲能材料和儲能技術(shù)在分布式、可再生能源發(fā)電項目中的系統集成技術(shù)。在我國現行的能源政策和電力市場(chǎng)框架下，近期的儲能扶持政策仍將主要圍繞在智能電網(wǎng)、可再生能源發(fā)電、分布式發(fā)電及微電網(wǎng)、農村電網(wǎng)升級改造及電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域。我國現行的上網(wǎng)端峰谷電價(jià)對儲能發(fā)展的激勵作用有限，而大工業(yè)用戶(hù)的兩部制電價(jià)鼓勵用戶(hù)錯峰用電的電力管理需求，一定程度上激勵了儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。