儲能技術分類及市場需求分析

董 舟，王 寧，李 凱，況 波，李江波，朱 青

（中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司，河北 石家莊 050031）

儲能主要是指電能的儲存，并通過某種介質(zhì)或者設備，將各種形式的能量儲存起來，根據(jù)現(xiàn)場所要應用的形式，將特定的能量釋放出來的過程。儲能技術廣泛應用于智能電網(wǎng)建設的發(fā)電、輸電、配電、用電四大環(huán)節(jié)，也是發(fā)展可再生能源接入、分布式發(fā)電、微電網(wǎng)和電動汽車的必要支持技術。根據(jù)能量的具體形式，儲能可分為化學儲能、電磁儲能、物理儲能等。

1 儲能技術分類及應用特點

1.1 化學儲能

化學儲能主要是指電池儲能，其在儲能密度、儲能效率、儲放電速率等方面具有明顯優(yōu)勢。化學儲能主要適用于新能源發(fā)電側平滑波動、調(diào)頻等快速響應的應用場景。目前適合電網(wǎng)規(guī)模化應用的電池技術主要有鉛酸電池、鋰電池、鈉硫電池和液流電池[1]。

（1）鉛酸電池。鉛酸電池具有儲能容量大、成本低、維護簡單等優(yōu)點，但儲能密度低、自放電率高、循環(huán)壽命短、重金屬污染、深度放電對電池壽命影響較大。目前，鉛酸電池在備用電源領域應用規(guī)模最大，例如，在電力系統(tǒng)正常運行時提供斷路器開關電源，在電廠、變電站中起到獨立供電中斷的作用。

（2）鋰電池。相較于鉛酸蓄電池，鋰電池具有能量密度高、充放電效率高、安全性高的優(yōu)點，可通過串聯(lián)或并聯(lián)獲得高電壓或高容量，但電池壽命仍有待提高。鋰電池各項關鍵技術的突破以及資源和環(huán)保方面的優(yōu)勢，使得其在新能源汽車、新能源發(fā)電、智能電網(wǎng)、國防軍工等領域備受青睞。

（3）鈉硫電池。鈉硫電池具有能量密度高、充放電效率高、運行成本低、占地面積小、維護方便等優(yōu)點。但放電深度和循環(huán)壽命有待提高，運行需要保持300℃的高溫環(huán)境，運行安全性還需要更多工作予以保障。鈉硫電池系統(tǒng)在平滑可再生能源發(fā)電功率輸出、削峰填谷、應急電源等領域已有應用。

（4）液流電池。液流電池具有高功率的輸出、能夠進行能量轉(zhuǎn)換，安全穩(wěn)定的傳輸優(yōu)點，可進行深度的放點與大電流放點過程，并無需進行特殊保護。液流電池適用于平抑新能源發(fā)電波動、輔助調(diào)峰、邊遠地區(qū)供電、工廠及辦公樓供電、不間斷電源場所等，主要包括鋅溴液流電池，氯化鋅液流電池和全釩液流電池等。

1.2 電磁儲能

電磁儲能主要包括超級電容器儲能和超導磁儲能，是功率型儲能技術。

（1）超級電容器。超級電容器具有循環(huán)效率高、充放電速度快、功率密度高、循環(huán)充放電次數(shù)多、工作溫度范圍廣等優(yōu)點。它主要應用于電力系統(tǒng)中，具有時間短、功率負荷平滑、峰值電能質(zhì)量高等優(yōu)點。其制約因素主要是能量密度低、自放電率較高、成本較高。

（2）超導磁儲能。超導磁儲能是將通過變流器進入線圈的電能轉(zhuǎn)換為磁能進行儲存的一種儲能技術，在進行轉(zhuǎn)換電能時，功率輸送無需進行能源的形式轉(zhuǎn)換，其響應的速度為ms級，轉(zhuǎn)換與循環(huán)的效率較高，具有較大的功率密度和比容量。

1.3 物理儲能

物理儲能主要包括抽水蓄能、飛輪儲能和壓縮空氣儲能等。

（1）抽水蓄能。抽水蓄能是目前最成熟、建設規(guī)模最大的蓄能方式。其主要應用領域包括系統(tǒng)的峰值負荷調(diào)節(jié)、調(diào)頻、相位調(diào)制、應急備用、黑啟動和后備容量。進一步提高整體經(jīng)濟,高水頭抽水蓄能機組,高速度、大容量發(fā)展方向，未來的重點將基于振動和空蝕、變形、止水以及磁性的研究，側重于操作的可靠性和穩(wěn)定性，水量不大，使用連續(xù)供電的質(zhì)量要求較高的速度控制單元，實現(xiàn)自動頻率控制[2]。

（2）飛輪儲能。飛輪儲能技術比較成熟，具有可長期循環(huán)使用、壽命長、幾乎不受充放電次數(shù)限制、安裝維護方便、對環(huán)境無危害的優(yōu)點。飛輪儲能技術既可以提供有功和無功功率，又可以從配網(wǎng)中吸收有功和無功功率，適合應用于配電網(wǎng)的電能質(zhì)量控制，負荷跟蹤性好，能自動調(diào)節(jié)自身運行狀態(tài)，實時控制配電網(wǎng)電能質(zhì)量，但其容量通常在5kW~1.5MW之間，遠遠低于抽水蓄能和壓縮空氣儲能的容量。

（3）壓縮空氣儲能。壓縮空氣儲能屬于能量型規(guī)?；娋W(wǎng)儲能技術，具有儲能容量大、存儲時間長、建設周期較短、壽命長且無污染等優(yōu)點，可用于削峰填谷、平抑可再生能源間歇性和參與電網(wǎng)二次調(diào)頻等[3]。壓縮空氣儲能裝機容量可達數(shù)百兆瓦，規(guī)模僅次于抽水蓄能，且技術較為成熟，其響應時間等特性適用于電網(wǎng)調(diào)峰，便于開展大規(guī)模的商業(yè)化應用。

1.4 儲能技術性能對比

目前，沒有一種儲能技術能夠同時滿足能量密度、功率密度、儲能效率、使用壽命、環(huán)境、成本等大規(guī)模應用的要求。不同的儲能技術具有不同的性能特點，也決定了其不同的電網(wǎng)應用場景。各種儲能技術關鍵性指標對比見表1。

2 儲能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀簡介

根據(jù)國際能源署（IRENA）數(shù)據(jù)，到2017年中，全球儲能的累計裝機為176GW。其中，抽水蓄能裝機容量169GW、占全球電力儲能總裝機的96%,蓄熱儲能裝機容量3.3GW、占全球電力儲能總裝機的1.9%，電化學儲能裝機容量1.9GW、占全球電力儲能總裝機的1.1%，機械儲能（飛輪儲能和壓縮空氣儲能）總裝機容量1.6GW、占全球總裝機容量的0.9%。同時期，我國可統(tǒng)計儲能總裝機為28.9GW，約占全球電力儲能總裝機的16.4%，主要為抽水蓄能和電化學儲能，其中抽水蓄能裝機量占比接近99%[4]。

表1 各種儲能技術關鍵性能指標對比

3 儲能市場需求分析

截止2017年底，我國風力發(fā)電總裝機容量為164GW，太陽能發(fā)電總裝機容量為130.25GW。根據(jù)《中國可再生能源發(fā)展路線圖2050》研究報告，中國的風能資源潛力在3000GW左右，但風、光可再生能源的發(fā)電特性受到自然條件的約束，特點為間歇性發(fā)電和不穩(wěn)定性發(fā)電。

在一天時間內(nèi)，客戶端用電不穩(wěn)定，電力負荷受白天高峰和夜間低谷的周期性變化影響，負荷峰谷差高達發(fā)電量的30%~40%，給發(fā)電和調(diào)度帶來困難。建立調(diào)峰電站和大規(guī)模、運行經(jīng)濟、響應迅速的儲能系統(tǒng)，將非峰功率轉(zhuǎn)化為峰功率，是實現(xiàn)發(fā)電與用電解耦和負荷調(diào)節(jié)的有效途徑。

4 結語

隨著電力需求和生產(chǎn)的不斷增長，電網(wǎng)負荷的峰谷差不斷擴大。電力蓄能系統(tǒng)迫切需要與之相匹配，平滑電力負荷，提高設備運行效率和經(jīng)濟性。此外，儲能系統(tǒng)可以“拼接”間歇性可再生能源，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而解決可再生能源發(fā)展的瓶頸問題。本文通過對各類儲能技術特性和市場需求分析，闡明了儲能產(chǎn)業(yè)在電力建設中的重要作用和巨大發(fā)展前景，我們應進一步加大相關技術研究，切實推進其產(chǎn)業(yè)化應用，使其在未來智能電網(wǎng)、可再生能源接入、分布式發(fā)電、微網(wǎng)以及電動汽車發(fā)展中發(fā)揮其重要作用。