能源變革與儲(chǔ)能技術(shù)突破

過(guò)去幾十年，中國(guó)經(jīng)歷了高速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但也為此付出了沉重的環(huán)境代價(jià)，能源轉(zhuǎn)型迫在眉睫。伴隨我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日漸成為各方關(guān)注的重點(diǎn)。

儲(chǔ)能應(yīng)用主要集中在可再生能源發(fā)電調(diào)峰、分布式能源及微電網(wǎng)、電力輔助服務(wù)、電力質(zhì)量調(diào)頻、電動(dòng)汽車(chē)充換電等，是解決新能源電力儲(chǔ)存的關(guān)鍵，也因此備受企業(yè)青睞。但在技術(shù)路線眾多的前提下，誰(shuí)能在經(jīng)濟(jì)性、工藝上突圍，才是搶占市場(chǎng)的關(guān)鍵。

能源變革的迫切需求

日益增長(zhǎng)的能源消費(fèi)，特別是煤炭、石油等化石燃料的大量使用對(duì)環(huán)境和全球氣候所帶來(lái)的影響，使得人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)面臨嚴(yán)峻威脅。據(jù)預(yù)測(cè)，如按現(xiàn)有開(kāi)采不可再生能源的技術(shù)和連續(xù)不斷地日夜消耗這些化石燃料的速率來(lái)推算，煤、天然氣和石油的可使用有效年限分別為100年～120年、30年～50年和18年～30年。顯然，21世紀(jì)所面臨的最大難題及困境可能不是戰(zhàn)爭(zhēng)及食品，而是能源。

對(duì)新能源和可再生能源的研究和開(kāi)發(fā)，尋求提高能源利用率的先進(jìn)方法，已成為全球共同關(guān)注的首要問(wèn)題。

近幾十年來(lái)，儲(chǔ)能技術(shù)的研究和發(fā)展一直受到各國(guó)能源、交通、電力、電信等部門(mén)的重視。電能可以轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、勢(shì)能、動(dòng)能、電磁能等形態(tài)存儲(chǔ)，按照其具體方式可分為物理、電磁、電化學(xué)和相變儲(chǔ)能四大類(lèi)型。其中物理儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能；電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)、超級(jí)電容和高能密度電容儲(chǔ)能；電化學(xué)儲(chǔ)能包括鉛酸、鎳氫、鎳鎘、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲(chǔ)能；相變儲(chǔ)能包括冰蓄冷儲(chǔ)能等。

儲(chǔ)能本身不是新興的技術(shù)，但從產(chǎn)業(yè)角度來(lái)說(shuō)卻是正處在起步階段。截至目前，中國(guó)沒(méi)有達(dá)到類(lèi)似美國(guó)、日本將儲(chǔ)能當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立產(chǎn)業(yè)加以看待并出臺(tái)專(zhuān)門(mén)扶持政策的程度，尤其在缺乏為儲(chǔ)能付費(fèi)機(jī)制的前提下，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化模式尚未成形。

當(dāng)前我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)實(shí)需求有如下幾方面：

1.風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電自身所固有的隨機(jī)性、間歇性特征，決定了其規(guī)?；l(fā)展必然會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)顯著影響，另外風(fēng)力發(fā)電往往在后半夜進(jìn)入發(fā)電高峰，而此時(shí)正是用電低谷，所以棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重。因此必須要有先進(jìn)的大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)做支撐，以穩(wěn)定風(fēng)機(jī)輸出，且能錯(cuò)時(shí)發(fā)電，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的利用率，降低損耗。

研究表明，如果風(fēng)電裝機(jī)占裝機(jī)總量的比例在10%以?xún)?nèi)，依靠傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)以及增加水電、燃?xì)鈾C(jī)組等手段基本可以保證電網(wǎng)安全；但如果所占比例達(dá)到20%甚至更高，電網(wǎng)的調(diào)峰能力和安全運(yùn)行將面臨巨大挑戰(zhàn)。目前為了減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，每一臺(tái)風(fēng)機(jī)需要配備其功率4%的后備蓄電池。另外還需要大約相當(dāng)于其功率1%的蓄電池用于緊急情況時(shí)收風(fēng)葉以保護(hù)風(fēng)機(jī)。電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電輸出平穩(wěn)性的要求已成為風(fēng)電發(fā)展的瓶頸。隨著風(fēng)電的快速發(fā)展，風(fēng)電與電網(wǎng)的矛盾越來(lái)越突出。如果需要平滑風(fēng)電90%以上的電力輸出，需要為風(fēng)電場(chǎng)配置20%左右額定功率的儲(chǔ)能電池；如果希望風(fēng)電場(chǎng)還能具有削峰填谷的功能，將需要配備相當(dāng)于40%-50%功率的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能電池；如果風(fēng)機(jī)離網(wǎng)發(fā)電，則需要更大比例的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能電池。大容量?jī)?chǔ)能產(chǎn)品成為解決電網(wǎng)與風(fēng)電之間矛盾的關(guān)鍵因素。

2.光伏發(fā)電

光伏發(fā)電是顯著受天氣影響的，對(duì)于目前大型光伏發(fā)電場(chǎng)主要是并網(wǎng)發(fā)電，但總的說(shuō)來(lái)裝機(jī)容量在電網(wǎng)中所占比例非常小，其波動(dòng)可以忽略不計(jì)。但隨著時(shí)間推移，其所占比例越來(lái)越大之后，不得不考慮儲(chǔ)能技術(shù)以平滑其輸出，減小對(duì)電網(wǎng)的影響。目前來(lái)說(shuō)，光伏發(fā)電對(duì)儲(chǔ)能電池的需求更多體現(xiàn)在離網(wǎng)型光儲(chǔ)或風(fēng)光儲(chǔ)項(xiàng)目上。

3.電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻

由于我國(guó)電力系統(tǒng)煤電比例較高，核電不參與調(diào)峰，水電、燃?xì)獍l(fā)電等調(diào)峰較好的電源所占比例較低，造成電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和調(diào)控管理困難。系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻也成為限制電網(wǎng)接受清潔能源的一個(gè)主要因素。

電網(wǎng)調(diào)峰的主要手段一直是抽水蓄能電站。由于抽水蓄能電站需建上、下兩個(gè)水庫(kù)，受地理?xiàng)l件限制較大，在平原地區(qū)不合適。采用大容量?jī)?chǔ)能電池的小型調(diào)峰系統(tǒng)從微觀角度多點(diǎn)調(diào)峰，不受地理?xiàng)l件限制，可大可小設(shè)計(jì)靈活，是抽水蓄能電站的有益補(bǔ)充。

4.通信基站

通信基站和通信機(jī)房需要蓄電池作為后備電源，且時(shí)間通常不能少于10小時(shí)。對(duì)通信運(yùn)營(yíng)商來(lái)講，安全穩(wěn)定可靠和使用壽命是最重要的，在這一領(lǐng)域，流體釩電池有著鉛酸電池?zé)o法比擬的先天優(yōu)勢(shì)：壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單，能量存儲(chǔ)穩(wěn)定、控制精確、自放電少，可便捷調(diào)整能量的存儲(chǔ)量，總體使用成本低。

通信網(wǎng)絡(luò)中的基站動(dòng)力系統(tǒng)中通常使用柴油發(fā)電機(jī)，在停電時(shí)提供長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)力。流體釩電池完全可以替代動(dòng)力系統(tǒng)中的鉛酸電池和柴油機(jī)的動(dòng)力組合，提供高可靠性的直流電源的能量存儲(chǔ)解決方案。流體釩電池還可以很好地與網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域使用的地理分布很廣、數(shù)量眾多的太陽(yáng)能電池進(jìn)行很好的匹配，替代目前太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中通常使用的鉛酸電池，降低維護(hù)量，減少成本，提高生產(chǎn)率。

5.分布式電站

大型電網(wǎng)自身的缺陷，難以保障電力供應(yīng)的質(zhì)量、效率、安全可靠性要求，對(duì)于重要單位和企業(yè)，往往需要雙電源甚至多電源作為備份和保障。分布式電站可以減少或避免由于電網(wǎng)故障或各種意外事件造成的斷電。醫(yī)院、指揮控制中心、數(shù)據(jù)處理和通信中心、商業(yè)大樓、娛樂(lè)中心、政府要害部門(mén)、制藥和化學(xué)材料工業(yè)、精密制造工業(yè)等領(lǐng)域是分布式電站發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，流體釩電池可以在分布式電站的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

對(duì)于目前很多遠(yuǎn)離主電網(wǎng)的場(chǎng)合，如海島、哨所、采礦采油井、移動(dòng)牧場(chǎng)、野外施工地等，對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)一體化電站解決方案也提出了真實(shí)的需求。

構(gòu)建智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

在人類(lèi)現(xiàn)代文明的發(fā)展中，電網(wǎng)是迄今為止建造的最復(fù)雜的系統(tǒng)工程之一，從發(fā)電、輸電、配電直到用電，電網(wǎng)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和普通百姓的日常生活無(wú)不息息相關(guān)。但目前實(shí)際狀況是：一方面?zhèn)鹘y(tǒng)電網(wǎng)存在智能化程度低、運(yùn)行效率低等諸多亟待解決的問(wèn)題，另一方面又面臨全球范圍內(nèi)氣候變暖、能源短缺的窘?jīng)r。2003年，美國(guó)能源部組織相關(guān)專(zhuān)家對(duì)電力工業(yè)的現(xiàn)狀和未來(lái)進(jìn)行反思和展望，提出了“智能電網(wǎng)”的概念。中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司也明確提出了在2020年之前分三個(gè)階段實(shí)施智能電網(wǎng)建設(shè)的具體規(guī)劃。

發(fā)展智能電網(wǎng)的目標(biāo)是建設(shè)節(jié)能、環(huán)保、高效、可靠、穩(wěn)定的現(xiàn)代化電網(wǎng)，其中與之相配套的一個(gè)很重要的核心環(huán)節(jié)就是發(fā)展大規(guī)模的電力儲(chǔ)能技術(shù)。

儲(chǔ)能是智能電網(wǎng)、可再生能源接入、分布式發(fā)電、微電網(wǎng)以及電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展必不可少的支撐技術(shù)，可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理、消除晝夜峰谷差、平滑負(fù)荷，可以提高電力設(shè)備運(yùn)行效率、降低供電成本，還可以作為促進(jìn)可再生能源應(yīng)用，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段。智能電網(wǎng)的構(gòu)建促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)升級(jí)、推動(dòng)儲(chǔ)能需求尤其是大規(guī)模儲(chǔ)能需求的快速增長(zhǎng)，從而帶來(lái)相應(yīng)的投資機(jī)會(huì)。

儲(chǔ)能技術(shù)擁有廣泛的應(yīng)用前景，但實(shí)現(xiàn)規(guī)模化儲(chǔ)能當(dāng)前仍是一個(gè)世界性難題。國(guó)家電網(wǎng)公司近期確定的智能電網(wǎng)重點(diǎn)投資領(lǐng)域中包括了大量?jī)?chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域，如發(fā)電領(lǐng)域的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電中應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)項(xiàng)目，配電領(lǐng)域儲(chǔ)能技術(shù)，電動(dòng)汽車(chē)充放電技術(shù)等。無(wú)論是風(fēng)電還是太陽(yáng)能發(fā)電，其自身都具有隨機(jī)性和間歇性特征，其裝機(jī)容量的快速增長(zhǎng)必對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)安全帶來(lái)不利影響，所以，必須要有可靠的儲(chǔ)能技術(shù)作為支撐和緩沖。先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)能夠在很大程度上解決新能源發(fā)電的波動(dòng)性問(wèn)題，使風(fēng)電及太陽(yáng)能發(fā)電大規(guī)模地安全并入電網(wǎng)。

當(dāng)然電力儲(chǔ)能現(xiàn)還存在著需要解決的這樣那樣的問(wèn)題，在技術(shù)上還有待于進(jìn)一步地完善和提高，尤其對(duì)儲(chǔ)能電池來(lái)說(shuō)，其性能提高和成本降低將是影響儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最為關(guān)鍵因素。

儲(chǔ)能技術(shù)任重道遠(yuǎn)

儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展目前有兩個(gè)方面可以著重推廣。一是電動(dòng)汽車(chē)，儲(chǔ)能電池在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用，可能是提高質(zhì)量降低成本的一個(gè)重要途徑。二是低成本大容量電源電池?？赡苓€要考慮一些更可靠的，更安全的，同時(shí)還必須是低成本的儲(chǔ)能技術(shù)，所以?xún)?chǔ)能技術(shù)現(xiàn)在是任重道遠(yuǎn)。

在儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)外特別是美國(guó)和日本研究起步早、成果多并有豐富的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。由于國(guó)內(nèi)研究起步晚，相關(guān)技術(shù)與國(guó)外還有差距，特別是在飛輪儲(chǔ)能等先進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)方面經(jīng)驗(yàn)還較欠缺。此外，在電力電子接口、儲(chǔ)能系統(tǒng)高效轉(zhuǎn)換等技術(shù)方面，國(guó)外也處于領(lǐng)先狀態(tài)。

目前大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)中只有抽水蓄能技術(shù)比較成熟，主要用于電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻和應(yīng)急保障，以及輔助核電站進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。但是，受地理環(huán)境、建設(shè)周期較長(zhǎng)的約束，以及沒(méi)有適當(dāng)?shù)膬r(jià)格政策，我國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)比例小于歐日等國(guó)。為適應(yīng)智能電網(wǎng)發(fā)展，降低可再生能源接入對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高電網(wǎng)的“兼容性”，維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，除發(fā)展抽水蓄能外，應(yīng)大力發(fā)展布置靈活的電池儲(chǔ)能技術(shù)，包括各類(lèi)蓄電池，如鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池以及超級(jí)電容器等。近幾年，儲(chǔ)能在中國(guó)市場(chǎng)的熱點(diǎn)應(yīng)用集中體現(xiàn)在分布式發(fā)電及微網(wǎng)、風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域。

儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)在我國(guó)還處于發(fā)展的初期階段，雖然現(xiàn)階段還沒(méi)有與儲(chǔ)能相關(guān)的政策體系和價(jià)格機(jī)制，但作為新興產(chǎn)業(yè)，儲(chǔ)能已越來(lái)越受到政府能源部門(mén)和科技部門(mén)的關(guān)注和支持。國(guó)家關(guān)于儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃正在逐步建立中，應(yīng)用示范的財(cái)政補(bǔ)貼也在逐步推進(jìn)中。雖然還有許多問(wèn)題有待解決，但在政府政策的支持下，在儲(chǔ)能廠商、電力系統(tǒng)和有關(guān)科研院所的共同努力下，中國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)將得到持續(xù)不斷的發(fā)展。