施祖銘
(上海電氣輸配電集團，200050)
【摘要】儲能技術(shù)是智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，是智能電網(wǎng)關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。可再生能源發(fā)電和電動汽車的快速發(fā)展，給儲能產(chǎn)業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇。介紹抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導磁儲能、超級電容器儲能、鈉硫電池、全釩液流電池和鋰離子電池的原理、特點和應(yīng)用。對它們的儲能技術(shù)進行比較。我國儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景是：抽水蓄能電站進入高峰期，動力電池市場不斷擴大，應(yīng)用于電網(wǎng)的儲能技術(shù)快速發(fā)展和開發(fā)大容量電池等。
可再生能源發(fā)電和電動汽車的快速發(fā)展，給儲能產(chǎn)業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇。未來能源的焦點在能效、可再生能源、儲能和可插入電動汽車。智能電網(wǎng)是新能源經(jīng)濟的實施者。智能電網(wǎng)被定義為廣義的優(yōu)化能源鏈的解決方案，是未來可支撐能源的基礎(chǔ)。
現(xiàn)在，新能源發(fā)電規(guī)模迅速擴大，新能源汽車推廣使用，智能電網(wǎng)建設(shè)快速升溫，與之相關(guān)的儲能技術(shù)與裝備的發(fā)展前景被一致看好。
1儲能技術(shù)是智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，是智能電網(wǎng)關(guān)鍵支撐技術(shù)之一
1.1大幅提高電網(wǎng)有效利用可再生能源的能力
據(jù)世界風能協(xié)會統(tǒng)計，2010年底全球風電總裝機容量達到了1.9663億kW；我國2010年累計風電裝機容量4473.3萬kW，預計到2020年風電裝機達1.5億kW。2010年底，全球光伏發(fā)電裝機累計達4000萬kW；我國2010年光伏發(fā)電累計裝機容量80萬kW，預計到2020年光伏發(fā)電裝機容量超過2000萬kW。
大量可再生能源應(yīng)用(包括分布式電源和集中式電源)，特別是風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電都具有隨機性、間歇性和波動性，大規(guī)模接入將給電網(wǎng)調(diào)峰、運行控制和供電質(zhì)量等帶來巨大挑戰(zhàn)。儲能技術(shù)能夠有效提升電網(wǎng)接納清潔能源的能力，解決大規(guī)模清潔能源接入帶來的電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題。
1.2推進電動汽車的規(guī)?；瘧?yīng)用，有利于節(jié)能減排，實現(xiàn)用戶側(cè)調(diào)節(jié)電力需求
電動汽車興起，形成動力儲能電池的巨大市場。電動汽車和廣泛分布的電動汽車充電站間的雙向電力交換——Vehicleto Grid(車輛到電網(wǎng)，簡稱V2G)技術(shù)，將成為未來智能電網(wǎng)重要的負荷特性。電動汽車儲能電池既吸納大量電能，又可為電網(wǎng)提供總量巨大的儲能能力，實現(xiàn)電能在智能電網(wǎng)和電動汽車間的雙向互動。理想中的V2G平臺是在非高峰時段充電，在高峰時段放電(售電)，為電網(wǎng)的峰谷負荷調(diào)節(jié)、旋轉(zhuǎn)備用、電能質(zhì)量改善和穩(wěn)定控制提供能量需求。
1.3儲能技術(shù)的應(yīng)用有利于優(yōu)化系統(tǒng)的能量管理，提高系統(tǒng)效率和設(shè)備利用率
電力系統(tǒng)的負荷存在白天高峰和深夜低谷的周期性變化，負荷峰谷差可達最大發(fā)電出力的30%～40%，且近年來有增大的趨勢。這種峰谷差給發(fā)電和電力調(diào)度造成一定的困難。目前的電力供應(yīng)緊張狀況大部分出現(xiàn)在夏季負荷高峰期。如果電力系統(tǒng)能夠大規(guī)模地儲存電能，即在晚間負荷低谷時段將電能儲存起來，白天負荷高峰時段再將其釋放出來，就能在一定程度上緩解缺電狀況，減小負荷峰谷差，提高系統(tǒng)效率和輸配電設(shè)備的利用率，延緩新的發(fā)電機組和輸電線建設(shè)。
1.4儲能有利于增加系統(tǒng)備用容量，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性和電能質(zhì)量，實現(xiàn)用能經(jīng)濟性，提高綜合效益
在電力系統(tǒng)發(fā)生擾動、電壓暫降與短時中斷、短路等事故時，儲能裝置能瞬時吸收或釋放能量，使系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)裝置有時間進行調(diào)整，避免系統(tǒng)失穩(wěn)，保證優(yōu)質(zhì)供電。在系統(tǒng)因故障而停電時，儲能裝置又可以起到大型不間斷電源(UPS)的作用，避免突然停電帶來的損失，提高綜合經(jīng)濟效益。
1.5儲能技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用分類
對智能電網(wǎng)中的儲能技術(shù)應(yīng)用分類，國際儲能委員會(ESA)列出了表1所示的分類及說明。
2儲能技術(shù)簡介
2.1抽水蓄能電站
抽水蓄能使用兩個不同水位的水庫。谷負荷時，將下位水庫中的水抽入上位水庫；峰負荷時，利用反向水流發(fā)電。抽水儲能電站的最大特點是儲存能量大，可按任意容量建造，儲存能量的釋放時間可以從幾小時到幾天，其效率在70%～85%。
2.2壓縮空氣儲能
壓縮空氣儲能系統(tǒng)主要由兩部分組成：一是充氣壓縮循環(huán)，二是排氣膨脹循環(huán)。在夜間負荷低谷時段，電動機—發(fā)電機組作為電動機工作，驅(qū)動壓縮機將空氣壓入空氣儲存庫；白天負荷高峰時段，電動機—發(fā)電機組作為發(fā)電機工作，儲存的壓縮空氣先經(jīng)過回熱器預熱，再與燃料在燃燒室里混合燃燒后，進入膨脹系統(tǒng)中(如驅(qū)動燃氣輪機)發(fā)電。
2.3飛輪儲能系統(tǒng)
飛輪儲能利用電動機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成機械能儲存起來，在需要時飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電。近年來，一些新技術(shù)和新材料的應(yīng)用，使飛輪儲能技術(shù)取得了突破性進展，例如：磁懸浮技術(shù)、真空技術(shù)、高性能永磁技術(shù)和高溫超導技術(shù)的發(fā)展，極大地降低了機械軸承摩擦與風阻損耗；高強度纖維復合材料的應(yīng)用，飛輪允許線速度大幅提高，大大增加了單位質(zhì)量的動能儲量；電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使飛輪儲存的能量交換更為靈活高效。因此，飛輪儲能也被認為是近期最有競爭力的儲能技術(shù)之一。
2.4超導磁儲能系統(tǒng)
超導磁儲能是利用超導線圈由電網(wǎng)供電勵磁而產(chǎn)生的磁場儲存能量。超導磁儲能儲存的能量為E=LI2/2(其中，L為線圈的電感，I為線圈的勵磁電流)。如線圈維持超導態(tài)，則線圈中所儲存的能量幾乎可以無損耗地永久儲存下去，直到需用時再使用。
超導線圈是一個直流裝置，電網(wǎng)中的電流經(jīng)整流變直流后給超導線圈充電勵磁。超導線圈放電時須經(jīng)逆變裝置向電網(wǎng)或負載供電。
2.5超級電容器儲能
超級電容器根據(jù)電化學雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率。充電時處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層超級電容器。其電容量極大，可存儲較多的電荷。
2.6鈉硫電池
鈉硫電池以鈉和硫分別作為負極和正極，β氧化鋁陶瓷同時起隔膜和電解質(zhì)的雙重作用。目前研發(fā)的單體電池最大容量達到650Ah，功率120W以上，可組合后形成模塊直接用于儲能。鈉硫電池在國外已是發(fā)展相對成熟的儲能電池，實際使用壽命可達10～15a。
2.7液流電池與全釩液流電池
液流電池是正負極活性物質(zhì)均為液態(tài)流體氧化還原電對的一種電池。液流電池主要包括溴化鋅(ZnBr)、氯化鋅(ZnCl)、多硫化鈉溴(PSB)和全釩液流電池(VＲB)等多種體系。其中，全釩液流電池已經(jīng)成為液流電池體系的主流。
2.8鋰離子電池
鋰離子電池的工作原理：鋰離子蓄電池的正極活性物質(zhì)為鋰的活性化合物組成，負極活性物質(zhì)則為碳材料。鋰離子電池是利用Li+在正負極材料中嵌入和脫嵌，從而完成充放電過程的反應(yīng)。
使用磷酸鐵鋰為正極材料的鋰電池由于成本優(yōu)勢明顯，正逐步成為鋰離子電池的主要發(fā)展方向。鋰離子電池已成為目前世界上大多數(shù)汽車企業(yè)的首選目標和主攻方向。
3各種儲能技術(shù)比較
3.1儲能技術(shù)特點和應(yīng)用場合
各種儲能技術(shù)的特點和應(yīng)用場合見表2。
3.2主要儲能技術(shù)成熟度比較
目前，大規(guī)模儲能技術(shù)中只有抽水蓄能技術(shù)相對成熟。因受地理條件制約，還有一些儲能方式處于試驗示范階段，距離大規(guī)模推廣應(yīng)用還有距離，需要在可靠性、效率、成本、規(guī)?；蛪勖确矫孢M行綜合評估。主要儲能技術(shù)成熟度如圖1所示。
3.3主要儲能技術(shù)的經(jīng)濟性比較
主要儲能技術(shù)的安裝成本見表3。
3.4主要儲能產(chǎn)品的市場規(guī)模比較
2010年全球主要儲能市場規(guī)模(不含鉛酸蓄電池)見表4。
4儲能技術(shù)發(fā)展前景
4.1儲能技術(shù)的市場前景
國外風電場儲能系統(tǒng)配置比例情況：美國夏威夷30MW風電場配15MW儲能系統(tǒng)；美國杜克能源153MW風電場配置36MW儲能系統(tǒng)；日本東北電力公司51MW風電場配置34MW儲能系統(tǒng)。
僅2009年上半年，日本礙子公司(NGK)就與美國、阿聯(lián)酋和法國等簽約共銷售約600MW的大型鈉硫電池儲能電站，超過了過去10年的總和。
美國市場研究機構(gòu)Lux Research估計：目前全球如10%投運的并網(wǎng)風電場使用儲能裝置(不含光伏發(fā)電)，僅此即可帶來約500億美元的市場規(guī)模?？梢妰δ芟到y(tǒng)將成為現(xiàn)有的發(fā)電、輸電、變電和配電四大電力環(huán)節(jié)之外生長出來的一個新產(chǎn)業(yè)。
我國國家電網(wǎng)公司目前在河北省張北地區(qū)展開的風光儲輸聯(lián)合示范工程，風力發(fā)電總規(guī)模300～500MW，一期100MW；太陽能光伏發(fā)電100MW，一期50MW；儲能電站總規(guī)模110MW，一期20MW。2011年3月23日，新的招標公告有五個包，其中四個磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)，分別為：6MW、6h，4MW、4h，3MW、3h和1MW、2h；一個液流電池系統(tǒng)包為2MW、4h。
上述鋰電池中標的企業(yè)為比亞迪、萬向電動汽車有限公司、中航鋰電(洛陽)有限公司和ATL－東莞新能源電子科技有限公司；液流電池中標企業(yè)為北京普能世紀科技有限公司。一旦大型儲能電站技術(shù)獲得認可，將給大型儲能技術(shù)帶來很好的發(fā)展機遇。
新能源汽車開始興起，對儲能產(chǎn)業(yè)的需求愈加迫切。按照2009年3月公布的《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》，到2011年“形成50萬輛純電動、充電式混合動力和普通型混合動力等新能源汽車產(chǎn)能，新能源汽車銷量占乘用車銷售總量的5%左右”，車輛用動力電池需求量巨大。
4.2我國儲能產(chǎn)業(yè)前景
(1)抽水蓄能電站進入建設(shè)高峰期。抽水蓄能發(fā)電機組已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化。2010年我國抽水蓄能電站總裝機容量已達1700萬kW，預計到2020年將達到6000萬kW(目前已建與在建約為2770萬kW)。
(2)動力電池市場不斷擴大。鎳氫電池具有容量大、結(jié)構(gòu)堅固和充放循環(huán)次數(shù)多的特點。2008年北京奧運會使用的混合電動車大都采用鎳氫蓄電池作為電源，鎳氫電池在全球混合動力電池市場中仍占據(jù)主要地位。但鋰離子電池由于比能量、比功率高，自放電小，環(huán)境友好，是新增投資的重點。專家預計，未來三年左右鋰離子電池有可能取代鎳氫電池成為主流。
(3)鉛酸蓄電池(閥控式)盡管有循環(huán)壽命短、不可深度放電等缺點，但其能量密度適中、價格便宜、構(gòu)造成本低、可靠性好和技術(shù)成熟，現(xiàn)在全球鉛蓄電池消耗量約550億美元/a，并保持每年約8.6%的增幅。我國2010年，鉛蓄電池產(chǎn)量約14416萬kVAh，約占全球50%，年銷售超過1000億元。但須重視新型鉛酸電池的研制，例如新型鉛碳超級電池，以活性炭作為負電極(還有的將電池的負極分為兩個部分，一部分用鉛，另外一部分用碳制作)，融合了鉛酸蓄電池與超級電容器的優(yōu)點，循環(huán)壽命可達標準鉛酸電池的3倍。
(4)發(fā)展大容量儲能有兩種技術(shù)路線：電池并聯(lián)成較大容量，以鋰離子電池技術(shù)為主；另一種是專門開發(fā)大容量電池。國際上主流的技術(shù)是鈉硫電池和液流電池。在多節(jié)電池并聯(lián)成的電池組里面，如有一塊電池損壞，一般就可以認為這組電池壽命的終結(jié)，必須進行維修、更換。盡管鋰離子電池在電動汽車領(lǐng)域普遍被看好，但在大容量儲能市場上，還需經(jīng)示范應(yīng)用驗證。我國鈉硫電池和液流電池都處在示范應(yīng)用階段。因此，大容量儲能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化需要加快步伐，集成成組技術(shù)還有待發(fā)展，成本需要下降，一些關(guān)鍵部件盡快實現(xiàn)國產(chǎn)化。還需要重視鈉離子電池、鋅氯液流電流等新型儲能電池的研發(fā)。
?、訇P(guān)于價格：鈉硫電池希望由現(xiàn)在的2000美元/kW下降至1000美元/kW水平，釩電池的價格還高于鈉硫電池的價格。
?、陉P(guān)于產(chǎn)業(yè)鏈：儲能是一個產(chǎn)業(yè)鏈很長的產(chǎn)業(yè)，需要從關(guān)鍵材料(如釩流電池低成本、高性能的雙極板材料及離子交換膜材料、電解液等)，鋰電池電極材料等方面解決產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展問題。
?、坳P(guān)于使用壽命：電網(wǎng)公司一般要求應(yīng)用在風電、太陽能等可再生能源發(fā)電領(lǐng)域的電池壽命為15a，按每天充放一次計算，大概需要6000次。因此，要求磷酸鐵鋰電池達到5000～6000次循環(huán)。
(5)儲能技術(shù)在發(fā)電、配電和用戶端具有獨特作用，儲能產(chǎn)業(yè)已引起了諸多投資者的關(guān)注。但在電源點或電網(wǎng)中加裝儲能設(shè)備需要大量投入，投資回報機制不夠健全。專家建議，要想推動儲能技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用，國家應(yīng)出臺相應(yīng)的支持政策，鼓勵相關(guān)方應(yīng)用儲能技術(shù)、接納新能源發(fā)電和改善電能質(zhì)量。
5結(jié)語
可再生能源發(fā)電和電動汽車的快速發(fā)展，給儲能產(chǎn)業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇。研發(fā)新型、高效、可靠的儲能裝置及配套設(shè)備、關(guān)鍵材料，特別是在大容量儲能技術(shù)與動力電池產(chǎn)業(yè)化，降低成本等方面，仍需加大研制力度和示范應(yīng)用。同時，產(chǎn)業(yè)主管部門還需要給予政策扶持。隨著各種儲能技術(shù)不斷發(fā)展進步，一些高性能的儲能電池還將不斷涌現(xiàn)。我國的儲能裝備將會得到廣泛應(yīng)用，儲能產(chǎn)業(yè)一定會不斷發(fā)展壯大。
參考文獻
?。?］劉振亞.智能電網(wǎng)知識讀本［M］.北京:中國電力出版社，2010.
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