新型電力系統(tǒng)中儲能技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展研究

崔俊舉

國家能源集團國源電力有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000

0 引言

隨著信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，能源互聯(lián)網(wǎng)的概念被提出。能源互聯(lián)網(wǎng)是一種與各種類型負載依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建起的新型電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是一種全新的能源利用體系。通過能源互聯(lián)網(wǎng)可綜合運用電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和智能管理技術(shù)，對分布式能量進行采集、儲存，可以實現(xiàn)電力能源的雙向流動，達到電力能源對等互換的目的。能源互聯(lián)網(wǎng)具有可再生、分布式、互聯(lián)性、開放性、智能化5個主要特征。儲能技術(shù)在電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中起到重要作用。全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織在2020年7月發(fā)布的《在新冠肺炎疫情背景下加速實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展目標》提出，在全球新冠疫情暴發(fā)的嚴峻形勢下，各國將推動清潔能源發(fā)展和電力互聯(lián)互通納入經(jīng)濟復蘇計劃中，在聯(lián)合國層面建立全球能源互聯(lián)網(wǎng)工作機制，成立區(qū)域合作中心，支持全球能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究規(guī)劃與項目建設(shè)。全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織正是由我國在能源領(lǐng)域發(fā)起并成立的首個國際組織，對推進清潔能源發(fā)展發(fā)揮著舉足輕重的作用。在這樣的背景下，對儲能技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展進行研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 電力系統(tǒng)儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

儲能技術(shù)的種類較多，可按照電力能源的儲能過程和儲能形式進行劃分，主要包括物理儲能和化學儲能兩大類別，但相關(guān)人員將超導儲能、超級電容器儲能從物理儲能中分離，歸類為電磁儲能[1-2]。電力系統(tǒng)儲能原理圖如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)儲能原理圖

目前應(yīng)用最為成熟且廣泛的為抽水蓄能電站，該技術(shù)一直在儲能領(lǐng)域中保持最高占比，據(jù)統(tǒng)計，其裝機量約占儲電項目總裝機容量的90%。近10年，鋰電池儲能技術(shù)得以快速發(fā)展，其性能得到較大程度的提升，生產(chǎn)成本得到大幅度降低。從現(xiàn)狀來看，鋰電池在電力系統(tǒng)儲能技術(shù)中的發(fā)展前景非常廣闊，鋰電池可以作為化學儲能技術(shù)應(yīng)用的主要代表。氫儲能是一種新型儲能技術(shù)，其特點是成本低廉、使用壽命長，且不會對環(huán)境造成污染，使用效率也非常高，其發(fā)展前景廣闊，可以用于清潔能源消納、電網(wǎng)調(diào)峰和分布式能源系統(tǒng)等不同場景中。

各種不同類型的儲能技術(shù)在不同的應(yīng)用場景中得以快速推廣與應(yīng)用，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出，這些電力系統(tǒng)儲能技術(shù)也面臨著較大的考驗。一方面，這些儲能技術(shù)都存在一定的局限性，在應(yīng)用過程中會受到諸多因素的影響，如應(yīng)用場景、應(yīng)用方式、現(xiàn)有技術(shù)水平等，均會限制其應(yīng)用與發(fā)展，因此通常在選擇時會優(yōu)先考慮儲能方式所具備的突出優(yōu)點，或者能夠在應(yīng)用場景中有效的規(guī)避其缺點，通過這樣的方式選擇可以滿足建設(shè)需求。另一方面，可再生能源的利用與發(fā)展對儲能技術(shù)提出了更高的需求，儲能技術(shù)需為可再生能源的安全、穩(wěn)定、高效運行提供良好的服務(wù)，這也是新時期能源行業(yè)所面臨的重大挑戰(zhàn)[3]。

2 電力系統(tǒng)儲能技術(shù)發(fā)展存在的問題

目前，在電力系統(tǒng)儲能技術(shù)發(fā)展過程中遇到的比較突出的問題主要有兩個方面：一是技術(shù)性問題，二是戰(zhàn)略性問題。技術(shù)性問題主要表現(xiàn)在儲能技術(shù)性能方面存在的技術(shù)缺陷，戰(zhàn)略性問題則是表現(xiàn)在儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中遇到的瓶頸。

2.1 技術(shù)性問題

儲能技術(shù)在發(fā)展過程中存在各種各樣的技術(shù)性問題，主要可歸納為提高性能和降低成本[4]。

（1）性能。性能涉及多個方面，主要包括使用壽命、功率密度、能量密度等關(guān)鍵點。從可再生能源的需求角度看，儲能技術(shù)應(yīng)具有需求平穩(wěn)、可控地釋放、平滑波動、跟蹤調(diào)度輸出、調(diào)峰調(diào)頻等方面的功能。如果儲能技術(shù)能夠完全達到上述指標的要求就可以視作儲能技術(shù)未來發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)。筆者對當前市場上不同類型的儲能方式進行了比較，總結(jié)了各種儲能技術(shù)的優(yōu)缺點。

第一，鉛酸電池。鉛酸電池的優(yōu)點主要表現(xiàn)在原料成本低廉、輸出電壓比較穩(wěn)定、維護比較簡單、可靠性較高、廢舊電池可回收利用等方面；但其缺點也比較突出，鉛酸電池的能量較低，為30～40 Wh/kg，而且其生產(chǎn)過程中存在一定的污染問題，需要做好三廢處理。

第二，鋰離子電池。能量密度高是鋰離子電池的主要優(yōu)點，并且隨著技術(shù)的發(fā)展還在不斷提高；鋰離子電池輸出電壓高、功率大，循環(huán)性能優(yōu)越；充電效率高，可進行快速充放電。鋰離子電池也被稱為綠色電池，不會對環(huán)境造成污染；其使用壽命相對較長在淺深度充放電狀態(tài)下循環(huán)次數(shù)可以達到5 000次以上。鋰離子電池的缺點主要表現(xiàn)在成本高，與普通電池的相容性差，而且必需設(shè)置保護電路，用來防止出現(xiàn)過充或過放的問題。

第三，液流電池。液流電池的主要優(yōu)點是安全、可靠，可以進行深度放電，對儲罐的尺寸要求不嚴格，可大規(guī)模使用；液流電池的充放電速率較高、使用壽命較長，且不會對環(huán)境造成污染，噪聲也比較小。但是，液流電池的正負極電解液極易發(fā)生交叉污染的問題；有些環(huán)境中還需要用到價格高昂的離子交換膜；液流電池的能量轉(zhuǎn)換效率較低也是目前比較突出的技術(shù)性問題。

第四，鈉硫電池。鈉硫電池的優(yōu)缺點比較明顯，優(yōu)點主要表現(xiàn)在能量大、效率高、成本低，生產(chǎn)工藝也較簡單，使用壽命也較長；但是，其安全性較差，所使用的原材料具有易燃的特性。后續(xù)如果能解決其安全性問題，那么該電池的應(yīng)用前景將非常廣闊。

第五，抽水蓄能。抽水儲能是一種利用水作為儲能介質(zhì)的儲能技術(shù)，其根本原理是利用電能與勢能之間的相互轉(zhuǎn)化，完成電能的儲存與管理。這種方法的電能循環(huán)效率較高，額定功率較大，運行過程中所耗費的資金較少，自放電率較低。但是，抽水蓄能電站的特點決定了其選址方面會受到諸多因素的影響，而且會對周邊環(huán)境造成一定的破壞。

第六，壓縮空氣儲能。與抽水蓄能電站建設(shè)相比，這種技術(shù)的建設(shè)成本與運行成本都相對更低，建設(shè)規(guī)模則更大，運行壽命也更久，具有較高的穩(wěn)定性。但是，傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能方式會消耗較多的化石燃料，造成一定的環(huán)境污染，不利于能源經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，并且會受到地理環(huán)境的影響。雖然新型地上壓縮空氣方式進行了相關(guān)改進，但是仍然存在運行成本高、效率低、響應(yīng)慢等問題。

第七，飛輪儲能。飛輪儲能技術(shù)的損耗非常低，功率密度較高，有著較為突出的能量轉(zhuǎn)化效率，充電時間較短，對周圍環(huán)境不會產(chǎn)生危害，使用壽命較長。但是，飛輪儲能技術(shù)的自放電率較高，實際儲能密度低，最終表現(xiàn)為價格高昂。

第八，超導儲能。雖然超導儲能技術(shù)的充放電效率非常高、功率密度也較高，有著比較突出的響應(yīng)速度。但是，由于超導材料的價格非常昂貴，同時電力系統(tǒng)需要維持低溫制冷運行，導致其能源消耗較高，不適合大范圍推廣使用。

第九，超級電容器。超級電容器的優(yōu)點主要表現(xiàn)在充放電循環(huán)次數(shù)多，充放電的時間比較快，有著較快的響應(yīng)速度，維護簡單，屬于環(huán)境友好型；其缺點是儲能量較小，能量密度低，需要投入較高的資金，還存在自放電的可能。

（2）各種儲能電池的技術(shù)難點。通過分析可知，鋰離子電池在電化學儲能領(lǐng)域有著較明顯的優(yōu)勢。鋰離子電池的正負極是采用鋰或者鋰合金材料，并且使用了非水電解質(zhì)溶液，主要由正負極、隔膜和電解液三個部分組成[5]?？捎糜阡囯姵厣a(chǎn)材料也非常廣泛，如磷酸鐵鋰、鈦酸鋰、鎳鈷錳酸鋰。目前，在鋰離子電池發(fā)展過程中面臨的難點問題是如何有效解決鋰離子電池的使用安全問題、充放電速率問題、使用壽命問題以及存儲能量的密度問題，如果這些問題得不到有效解決，鋰離子電池的發(fā)展將會陷入瓶頸[6]。目前很多電動汽車產(chǎn)品上所使用的電池均為鋰電池，其使用安全與續(xù)航是人們所關(guān)注的重點問題。除了鋰離子電池，其他類型的電池也有著廣闊的發(fā)展空間，如鈉硫電池，目前在歐洲和日本市場中的應(yīng)用比例相對較高，雖然鈉硫電池的能量密度較高、成本較低，但是對于運行的條件要求非常高，整體投入資金較多，其安全性與經(jīng)濟性的問題亟待解決。鉛碳電池在國外市場應(yīng)用較早，相對于鉛酸電池來說，鉛碳電池的各項指標更優(yōu)，但是由于鉛碳電池所使用的關(guān)鍵材料并沒有實現(xiàn)國產(chǎn)化，同時其使用壽命較短，因此鉛碳電池在我國沒有得到快速推廣。

氫儲能技術(shù)是以化學儲能技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，現(xiàn)階段有些國家已經(jīng)將這種技術(shù)進行了推廣，但是目前尚處于初始建設(shè)階段。在物理儲能技術(shù)中，當前應(yīng)用較廣的有壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能、超級電容器儲能等。壓縮空氣儲能技術(shù)在能源多媒體中應(yīng)用效果比較顯著，與不均衡、不同步的太陽能、風能、波浪能等相比，空氣能相對更為穩(wěn)定，操作也更加便捷，壓縮空氣儲能技術(shù)本身屬于環(huán)境友好型，不會對環(huán)境造成破壞，安全性也非常高。然而，對地理條件的要求比較嚴格和建設(shè)費用高昂限制了該技術(shù)的發(fā)展。飛輪儲能技術(shù)雖然能夠提高電力系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性和靈活性，尤其是針對可再生能源的消納效果明顯，但是該技術(shù)在我國尚未得到大范圍的推廣使用，成熟運作的產(chǎn)品較少，需要在技術(shù)性方面進入深入研究。超導儲能和超級電容器這兩種儲能技術(shù)均利用了電磁原理，各種研究數(shù)據(jù)表明，這兩種技術(shù)具有效率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，但是在實際應(yīng)用中受到原材料與研發(fā)技術(shù)的限制，一些技術(shù)性的問題得不到有效解決，影響其發(fā)展應(yīng)用[7]。

2.2 戰(zhàn)略性問題

儲能技術(shù)要想得以快速發(fā)展，在國家層面，應(yīng)制訂相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃，構(gòu)建完善的核心技術(shù)研發(fā)體系，制訂嚴格的標準體系，引導市場的運作機制與商業(yè)化運行模式。由于我國在儲能技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，電力系統(tǒng)儲能核心技術(shù)的研發(fā)體系并不完善，尤其是頂層設(shè)計與底層環(huán)節(jié)的支撐上表現(xiàn)得較為突出，現(xiàn)階段核心技術(shù)并不能夠支撐電力儲能目標需求的實現(xiàn)，技術(shù)滯后是阻礙發(fā)展的根本原因。同時，標準體系的不完善也形成了很大阻礙，由于電力儲能產(chǎn)業(yè)涉及范圍非常廣泛，涵蓋了工程、環(huán)境、消防、交通等領(lǐng)域，電力儲能項目的建設(shè)發(fā)展還需要相關(guān)領(lǐng)域的制度與標準的支撐。電力儲能技術(shù)的研發(fā)需要大量資金的投入，目前處于高投資、低回報的階段，而良好市場化與商業(yè)化運作是解決電力儲能技術(shù)領(lǐng)域資金難題的重要途徑[8]。

3 儲能技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展措施

3.1 做好多種能源的合理調(diào)度

在當前能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，各種可再生能源的加入使網(wǎng)絡(luò)變得復雜，新能源+儲能的運作模式是解決電源側(cè)不確定性的關(guān)鍵。通過對多種能源的合理調(diào)度與監(jiān)控，可以增加電力能源的可調(diào)性與電網(wǎng)的適應(yīng)性，利用調(diào)度系統(tǒng)收集各種數(shù)據(jù)、發(fā)送控制指令、控制系統(tǒng)的運行，可以使電力系統(tǒng)能源互聯(lián)網(wǎng)的運行效率得到大幅提升。

3.2 做好大容量儲能的規(guī)劃布局

能源互聯(lián)網(wǎng)的初衷是提高清潔能源的利用效率，這需要大容量儲能技術(shù)的支持。在實際工作中應(yīng)對現(xiàn)有的儲能技術(shù)進行提升與優(yōu)化，努力提升效率、降低成本，還要綜合考慮用戶側(cè)、發(fā)電側(cè)、配電網(wǎng)側(cè)的各因素，做好大容量儲能的整體規(guī)劃布局，合理配置容量。

3.3 實現(xiàn)集成化與模塊化儲能

隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，集成化與模塊化已成為智能設(shè)備發(fā)展的主要趨勢，這對儲能技術(shù)的發(fā)展也有著較大的幫助。此外，加快儲能系統(tǒng)的集成化、模塊化研發(fā)，提高系統(tǒng)控制的工作效率，使能源互聯(lián)網(wǎng)運行更加的安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定，是當前一項戰(zhàn)略性任務(wù)。

4 結(jié)束語

在當前全球能源危機的背景下，大力發(fā)展電力系統(tǒng)儲能技術(shù)對我國實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。全球能源互聯(lián)網(wǎng)具有智能化、前瞻性、復雜性、物聯(lián)性、經(jīng)濟性等特點，有助于我國完善傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)體系，大量可再生能源的開發(fā)與利用，從而為我國社會發(fā)展提供便利?；诖?，相關(guān)部門需要依托能源互聯(lián)網(wǎng)體系，做好技術(shù)方面的突破與戰(zhàn)略方面的引導，重點解決電力儲能技術(shù)發(fā)展過程中技術(shù)性與戰(zhàn)略性問題，推進電力儲能技術(shù)的健康發(fā)展。