基于能源互聯(lián)網(wǎng)背景芻議電力儲能技術發(fā)展問題

葉書雄

廈門海索科技有限公司，福建廈門，361000

0 引言

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，儲能技術作為重要產(chǎn)物，是電力網(wǎng)絡系統(tǒng)建設和升級的關鍵內(nèi)容。在能源互聯(lián)網(wǎng)建設環(huán)境中，儲能研究與技術應用都具有非常重要的意義。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，中國的電力儲能技術依然存在一些問題，技術水平相對落后，不能滿足實際的發(fā)展需要。因此，有必要對電能存儲技術進一步深入研究。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下電力儲能技術發(fā)展的具體情況

1.1 現(xiàn)存電力儲能技術類別

1.1.1 機械類儲能

從機械式蓄能的應用形式來看，主要包括三種，即抽水蓄能、壓縮空氣蓄能和飛輪蓄能。其中的抽水蓄能，是在電網(wǎng)運行處于低谷狀態(tài)的時候，多余的水注入液體能源媒體，從低海拔到高海拔水庫。當電網(wǎng)處于高峰負荷狀態(tài)的時候，高海拔的水庫流回到儲層低驅(qū)動渦輪發(fā)電機進行發(fā)電。

該種儲能技術所發(fā)揮的功能為大規(guī)模集中儲能，技術已經(jīng)成熟，在電網(wǎng)能源管理中以及調(diào)峰的過程中可以使用。其儲能效率可以達到65%至75%，甚至能夠達到80%至85%。其負荷響應的速度非?？欤?0%的負荷變化時間僅僅需要10秒，從全停機到滿負荷發(fā)電約就需要持續(xù)大約5分鐘的時間，從全停機到滿負荷抽水約需要持續(xù)1分鐘的時間。

1.1.2 飛輪儲能

在飛輪儲能系統(tǒng)中，電能用于真空外殼中的加速轉(zhuǎn)子可以達到每分鐘轉(zhuǎn)幾萬轉(zhuǎn)的速度，從而將電能儲存為動能，即將大車輪儲存的慣性能量充分利用起來。該儲能技術所具備的優(yōu)勢在于，壽命可以達到15年至30年，儲能效率非常高，能夠達到90%，維護少，有很好的穩(wěn)定性，為高功率密度，能夠快速響應，達到毫秒級。技術的應用中也存在不足，即能量密度不是很高，只持續(xù)幾秒至幾分鐘的時間。由于軸承磨損和空氣阻力作用，會存在自放電性。

1.1.3 壓縮空氣能源儲備

在應用壓縮空氣能源儲備技術的過程中，要發(fā)揮空氣的載體作用以傳輸能量。大型壓縮空氣儲能利用多余的電能使得空氣被壓縮，并儲存在地下結構中。當需要能量的時候，壓縮空氣混合到天然氣當中，燃燒過程中釋放熱量，出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，就能驅(qū)動燃氣輪機發(fā)電。這種儲能技術所具備的優(yōu)勢在于，發(fā)揮調(diào)峰功能，大型風場比較適合應用該技術。由于風能產(chǎn)生的機械功可以直接驅(qū)動壓縮機旋轉(zhuǎn)，不需要中間轉(zhuǎn)化，由此提高了效率。該儲能技術也存在缺點，就是需要大型洞穴來儲存壓縮空氣，與地理環(huán)境密切相關，合適的地點非常有限。儲能的時候需要燃氣輪機，并有一定數(shù)量的燃氣作為燃料，能源管理、負荷均衡和削峰的時候比較適用。人們曾經(jīng)開發(fā)了一種非絕熱壓縮空氣儲能技術，當空氣處于壓縮狀態(tài)的時候，所釋放的熱量不是儲存起來的，而是通過冷卻的方法散失，壓縮空氣在進入渦輪之間則需要再一次加熱。因此，整個工藝效率不是很高，通常在50%以下。

1.1.4 超級儲能

根據(jù)電化學雙電層理論的發(fā)展，超級儲能也被稱為雙電層電容器，兩個電荷層之間的距離非常小，通常不足0.5毫米，使用特殊的電極結構，這樣電極的表面積增加10000倍，從而產(chǎn)生巨大的能力。該儲能技術的壽命長，循環(huán)次數(shù)比較多。充放電時間快，響應速度快，效率高，維修少，沒有旋轉(zhuǎn)部件[1]。工作溫度范圍比較寬，具有環(huán)保價值。該儲能技術存在缺點，即超級電容器的介電電阻很低，一般制成的電容器的電壓電阻僅僅為幾伏，儲能水平戶籍受電壓電阻的限制，所以儲能很少。其為低能量密度，投入的資金量大，有一定的自放電速率。

1.1.5 超導儲能

The plastic data of the bumper is shown in Figure 5.

超導儲能系統(tǒng)的構成上來看，主要為線圈、PCS和低溫系統(tǒng)，低溫系統(tǒng)由超導材料制成，放在低溫容器中。當直流電處于超導線圈中循環(huán)的時候，能量在磁場中存儲。由于電能是在磁場中直接存儲的，沒有實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，無論是充電，還是放電，速度都非?？?，大約為幾毫秒至幾十毫秒，功率密度很高。響應速度非常快，可以提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。該儲能技術所存在的缺點是，超導材料價格高，維持低溫制冷運行需要大量的能源。能量密度低，所持續(xù)的時間僅僅為幾秒鐘。雖然已經(jīng)有商用低溫和高溫超導儲能產(chǎn)品，但成本非常高，技術維護復雜，在電網(wǎng)中幾乎不會使用，而是停留在實驗層面。

1.1.6 鋰離子電池

鋰離子電池中嵌入有化合物，其正極和負極是不同的鋰離子。在進行充電時的過程中，Li+從正極流出，發(fā)揮電解液的傳輸作用，進入到負極。如果負極是富鋰狀態(tài)，正極處于貧鋰狀態(tài)。鋰離子電池有很高的效率，能夠超過95%，放電的過程需要比較長時間，為幾個小時，循環(huán)次數(shù)甚至可以達到5000次以上，能夠快速響應，鋰離子電池是比能最高的實用電池，有多種材料可用于其正極和負極。但是，鋰離子電池價格高，有時過充會導致發(fā)熱、燃燒等安全問題，所以需要采用過充保護的方式。

1.1.7 熱儲能

在熱能儲存系統(tǒng)中，熱能儲存在一個絕熱容器的介質(zhì)當中，可以在以后需要時轉(zhuǎn)換回電能，也可以直接使用而不需要轉(zhuǎn)換回電能。蓄熱技術有很多種，在顯熱蓄熱模式下，蓄熱介質(zhì)可以為液態(tài)水。熱水可直接使用，也可以用于房間供熱。運行的過程中，熱水的溫度是可變的。該儲能技術存在不足，需要多種高溫化學熱工介質(zhì)，導致其應用受到限制。由于蓄熱能能夠儲存大量的熱量，在利用的過程中，在可再生能源發(fā)電中會起到一定的作用。熔鹽是熱太陽能電站常用的相變材料。此外，還有許多其他種類的蓄熱技術正在開發(fā)當中，都可以發(fā)揮不同的作用。

1.1.8 化學類儲能

氫氣是由廢棄的風能產(chǎn)生的，通過電解將水分解成氫和氧得到的。氫氣可以直接作為能量的載體，然后氫氣與二氧化碳經(jīng)過化學反應之后就可以生成合成天然氣(甲烷)，生成合成天然氣作為另一種二次能量載體。使用這兩種材料作為能量載體的優(yōu)點是能量存儲非常大，能夠達到太赫茲級，其可以保存很長時間，甚至幾個月。除了發(fā)電之外，氫和合成天然氣還可以用于其他方面，比如交通運輸。該儲能技術也存在不足，即全循環(huán)效率不是很高，制氫效率僅為70%左右，而合成天然氣的生產(chǎn)效率為60%至65%，從發(fā)電到用電的全循環(huán)效率不是很高，僅僅為30%至40%。

1.2 基于能源互聯(lián)網(wǎng)背景的電力儲能技術類別

1.2.1 廣域能源網(wǎng)絡應用

骨干網(wǎng)運行的過程中應用大規(guī)模儲能技術，可以做到能源生產(chǎn)集中化，用于管理廣域能源，如果能源生產(chǎn)的規(guī)模比較大，而且有大量的能源傳輸，可以確保能量處于緩沖狀態(tài)，如此可以支持廣域能源的調(diào)度工作，保證系統(tǒng)的供應與需求持有平衡狀態(tài)。儲能容量非常大的運營商可以在能源市場直接交易，隨著能源市場中不斷變化的價格，能源買賣也更加靈活，還可以提供高附加值的調(diào)整服務。

1.2.2 局部能源網(wǎng)絡有效應用

在局域能源網(wǎng)絡運行的時候，儲能的過程中還要配合能量轉(zhuǎn)換裝置，確保系統(tǒng)的運行效率高，而且保證經(jīng)濟性。當局域能源網(wǎng)管理系統(tǒng)運行的時候，需要考慮到存儲能源的狀態(tài)，還要明確供應與需求預測信息，充分考慮到能源的價格，針對局域網(wǎng)絡運行過程中的能源生產(chǎn)以及消費將決策制定出來，買賣能源的時候還可以在能源市場中實現(xiàn)。應用網(wǎng)絡技術建立虛擬能源站，由于生產(chǎn)者存在分散性，對其行為難以預測，要有效管理分布式電源以及電動汽車，難度是非常大的。通過發(fā)揮儲能的作用，能源生產(chǎn)者雖然比較分散，但是供應能源的能力更強，還可以進入到能源市場進行交易。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境背景下的電力儲能技術發(fā)展問題

2.1 技術發(fā)展存在多樣的限制

在技術發(fā)展會存在多樣的限制，主要體現(xiàn)為大容量儲能規(guī)劃不能與可再生能源發(fā)電協(xié)同調(diào)度，儲能的能量流量大，能量調(diào)度技術不能很好地發(fā)揮作用。蓄能轉(zhuǎn)換裝置不能一體化設計，也不能協(xié)調(diào)配置。對于能源交易以及儲能定價機制都不能充分考慮，導致儲能技術的優(yōu)勢不能充分發(fā)揮[2]。

2.2 戰(zhàn)略規(guī)劃尚不足

在戰(zhàn)略規(guī)劃中，較高比例的可再生能源電網(wǎng)不能得到支持，多能源系統(tǒng)運行的過程中缺乏靈活性和可靠性，多能源系統(tǒng)的能量管理以及路徑不能得到優(yōu)化，能源交易缺乏一定的自由度。

3 基于能源互聯(lián)網(wǎng)背景的電力儲能技術發(fā)展思考

3.1 探索技術發(fā)展的方向

其一，大容量儲能規(guī)劃協(xié)同可再生能源發(fā)電調(diào)度的相關技術。儲能的規(guī)模比較大與可再生能源發(fā)電之間要有更好的協(xié)同性，即需要將相關規(guī)劃制定出來，電網(wǎng)級儲能應用要得以實現(xiàn)，其是需要解決的關鍵問題，調(diào)度工作也是需要重點關注的。在研究儲能規(guī)劃以及調(diào)度方法方面，相關的研究依然處于起步階段。在這項工作中存在很多的難點，主要是四個方面：第一個方面，針對新能源發(fā)電所存在的不確定性構建的模型、控制能源儲備成本的模型、評估系統(tǒng)風險的模型、優(yōu)化問題并予以解決的模型。關于其他的方面，諸如應用新能源供應熱量制氫，大規(guī)模電動汽車充電、放電條件的靈活性，電力系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)之間的耦合等等，還要充分考慮到高效利用新能源的問題。

其二，關于能源儲備方面，優(yōu)化能量流以及調(diào)度能量方面依然存在不足。地方能源互聯(lián)網(wǎng)需要重點解決的問題是優(yōu)化能量耦合結構，優(yōu)化能量流優(yōu)化，還要管理能量調(diào)度。如果當系統(tǒng)中涵蓋儲能的時候，需要在特定的時期內(nèi)將多個潮流段聯(lián)合起來并不斷優(yōu)化。通過運行能量優(yōu)化調(diào)度模型，對于能源儲備、能量釋放以及空閑狀態(tài)都要合理調(diào)配。

其三，針對蓄能轉(zhuǎn)換裝置實施一體化設計，還要協(xié)調(diào)好各種配置。通過發(fā)揮儲能的作用將能源的耦合關系建立起來，對儲能容量合理分配，這是應用能源互聯(lián)網(wǎng)的過程中需要直接面對的技術問題。現(xiàn)在針對這方面的研究不是很多，儲能會在一定程度上影響系統(tǒng)能量傳輸以及轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟性，還會影響效率，對于可靠性以及動態(tài)特性都會有不同程度的影響，對于此都需要作出評價。

3.2 戰(zhàn)略規(guī)劃策略

其一，支持較高比例的可再生能源電網(wǎng)運行。儲能需求主要包括兩種類型，一種類型是電力服務，另一種類型是能源服務。當開展電力服務工作中，對于大容量儲能技術需要快速響應，從能源服務的角度而言，要實現(xiàn)雙向儲能，對于儲能容量需要有長時間尺度要求、循環(huán)效率比較高，且不會消耗更多的成本，在進行再生能源發(fā)電的時候，就會轉(zhuǎn)移時間維度。如果大規(guī)模儲能技術是單向的，比如進行氫以及熱量的存儲，就可以進行新能源轉(zhuǎn)化，使其以其他能源形式存在[3]。

其二，多能源系統(tǒng)要有較高的靈活性和可靠性。在互聯(lián)網(wǎng)上，多種能量流實現(xiàn)耦合，而且相互之間產(chǎn)生作用，使得多種能量系統(tǒng)的運行更加靈活，有較高的可靠性，而且還需要多種能量存儲，使得能量與緊密耦合之間存在緊密相關性。

其三，支持多能源系統(tǒng)的能量管理，同時優(yōu)化路徑。多能源系統(tǒng)運行決策過程中，主要的對象是能量存儲以及釋放，系統(tǒng)在運行的過程中要充分考慮到儲能狀態(tài)，明確其動態(tài)變化情況，對于儲能功率的方向以及大小加以確定，使得系統(tǒng)的供應和需求保持平衡狀態(tài)。系統(tǒng)潮流的分布必然會對系統(tǒng)的運行產(chǎn)生一定的影響，不能保證其經(jīng)濟性，也無法提高效率。系統(tǒng)潮流優(yōu)化的過程中，有兩個非常重要的控制變量，一個是潮流方向，另一個是蓄能量，可以對潮流路徑優(yōu)化。

4 結語

通過上面的研究可以明確，隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對能源技術的需求也越來越高。特別是儲能技術、電動汽車、電化學儲能技術等方面對電能儲能技術提出了很大的要求。電力儲能技術的轉(zhuǎn)型升級對我國國民經(jīng)濟有著巨大的影響。因此，有必要加快能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的電能存儲技術的研發(fā)，以促進我國能源產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。