可再生能源发电及智能电网储能技术比较

吴贤章，尚晓丽

（浙江南都电源动力股份有限公司研究院，浙江 杭州 311305）

在全球变暖的碳减排压力和化石能源不可持续的危机之下，世界各国以风能、太阳能为代表的可再生能源开发利用步伐日益加快。随着可再生新能源发电占比的不断提高，稳定发电出力波动、增强可调节性、改善电网消纳能力面临巨大挑战。储能技术是消除可再生能源大规模开发利用瓶颈的关键技术，可调整风电、光伏发光电的不可预测性，提高能源利用效率，改善电网电能质量。

同时，传统电网面临用电高峰期发电成本高、供需不平衡导致输电线路阻塞、发电厂与终端用户远距离输电线路损耗严重等诸多难题，迫切需要在保证供用电连续性、可靠性、灵活性的同时，减缓电网扩容、降低运营成本。储能技术是智能电网的必要组成部分，渗透于电力系统发、输、变、配、用的各个环节,可平抑峰谷差，减少发电功率调整，提高传统发电效率，降低燃料成本；提高黑启动安全性，降低事故发生率；提高电网安全性，在输配环节出现问题时提高备份电源；降低主干网扩容投入，节约大量扩容资金[1]。

在储能市场商业化雏形阶段，系统性的分析比较各类储能技术的性能特点，为未来市场发展提供筛选技术路线的框架基础至关重要。本文将阐述储能技术在可再生能源发电和智能电网中的作用，对物理储能、电化学储能及其它化学储能技术进行系统的比较与分析，最后提出储能技术的发展趋势。

1 储能技术分类

根据所用的能量形式，可将储能技术分为物理储能(如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能)、电化学储能（二次电池、液流电池）、化学储能（氢能、合成天然气）、电力储能(如超导线圈储能、超级电容器储能)和热储能（熔融盐储能、显热储能）五类，如图1所示。

图1 储能技术分类[2]Fig.1 Classification of energy storage systems according to energy form[2]

2 储能技术应用

图2所示为基于频率和持续时间划分的储能技术应用，包括负荷调平、改善电能质量、频率调节、备用电力四类。

（1）负荷调平（削峰填谷）——转移峰荷需求以降低电力调度困难（分钟级～小时级）。发电厂必须具备充足的发电能力、输变线路以适应逐年攀升的高峰用电负荷，负荷峰谷差越来越大，电力系统调度困难，通常需要利用抽水蓄能或安装更多的调峰机组（如快速启动的燃气轮机），或者增加常规煤电的调峰能力，但煤电低出力时热效率低下。而且电力短缺往往具有很强的季节性和时段性，按峰荷匹配发电设施的成本效益不理想。采用储存技术，如在变电站安装大规模电池组，将谷电储存起来峰荷时用，可以调平发电出力，提高发电效率，降低燃料成本，推迟建设新的发电厂、输电线和相应的设备的周期[3]。

图2 基于频率和持续时间划分的储能技术应用[2]Fig.2 Different uses of electrical energy storage in grids depending on the frequency and duration of use[2]

（2）改善电能质量——缓冲供电电压和频率波动对敏感型负荷的影响（秒级）。越来越多的电子型负荷对电压骤降或对供电短时中断极为敏感。如果采用一些储能设备（如蓄电池、飞轮等），并与无功补偿设备相结合，供电质量就可得到改善。

（3）频率调节——辅助可再生能源发电以获得稳定的电力输出（秒级～分钟级）。风电、太阳能光伏发电越来越多的接入电力系统，而传统通过调节发电机输出功率适应负荷变化的做法难以适应发电侧本身的间歇式性和不可调性，储能技术可以平滑可再生能源发电出力，保证稳定的电力输出。

（4）备供电力——保证当供电转移时供电不间断（秒级～小时级）。改善电力系统的稳定性能，增加可靠性，作为供电事故备用（如蓄电池、飞轮、超导储能、超级电容器储能）。

3 储能技术比较

在选择储能技术路线时，除了考虑投资成本、运行维护费用等经济因素以及安全和环境因素外，必须衡量的技术指标包括能量密度、功率密度、响应时间、充放电效率和使用寿命，储能各种技术的参数对比如表1所示。同时，综合考虑各种技术的优劣势，做到扬长避短至关重要。

根据各种储能技术的特点，飞轮储能、超导储能和超级电容器储能适合于需要提供短时较大的脉冲功率场合，如应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的用电质量，抑制电力系统低频振荡、提高系统稳定性等；而抽水储能、压缩空气储能和电化学电池储能适合于系统调峰、大型应急电源、可再生能源并入等大规模、大容量的应用场合[4]。

表1 不同储能技术参数比较（来自Fraunhofer）Table 1 Technical overview of EES technologies by Fraunhofer

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表1 全面综合了各种储能技术的多项指标，为对储能技术有进一步清晰的认识，从以下三个方面做分类比较。

3.1 各种储能技术额定功率、能量、放电时间的 比较

图3所示为各种储能技术额定功率（W）与能量（W·h）的双对数图，根据其能量/功率比范围进行从秒至月的额定放电时间划分,可以确定各项技术适合的放电时间区间，如表2所示。

图3 不同储能技术额定功率、能量、放电时间的比较[2]Fig.3 Comparison of rated power, energy content and discharge time of different EES technologies[2]

目前，并非所有储能技术都已实现商业化，但人们期望各项技术均能在未来发挥更重要的作用。每kW 和每kWh 的成本经济因素是制约某项技术未能实现更高功率或能量的主要原因。

表2 储能技术额定功率、能量和放电时间的比较Table 2 Comparison of rated power, energy content and discharge time of different EES technologies

3.2 各种储能技术体积比功率、体积比能量的比较

图4对比了各种储能技术体积比功率、体积比 能量，体积比功率密度和能量密度越高,所需空间越小。右上方的技术为紧凑型，所需空间小，适合移动应用；左下方的技术如抽水蓄能、压缩空气储能则需占据很大的空间；二次电池则介于两者之间。

3.3 储能技术成熟度比较

在超高容量大规模储能技术中，抽水蓄能和压缩空气技术相对成熟，适合100 MW 以上级别储能系统。钠硫电池、钒电池、锂电池、铅酸电池和飞轮储能已经开始运用于兆瓦级别的项目中，其中铅酸电池技术为覆盖功率范围最宽、技术成熟度最高的储能技术[5]，具体见图5。

3.4 储能技术应用可行性比较

图4 不同储能技术体积比功率、体积比能量的比较[2]Fig.4 Comparison of power density and energy density (in relation to volume) of EES technologies[2]

图5 不同储能技术的成熟度比较[6]Fig.5 Maturity and state of the art of storage systems for electrical energy[6] Note: the width of the barrindicates storage capacity

现在，铅酸电池在离网、应急电源、削峰填谷、改善供电质量等应用领域已具有可行性。目前，锂离子电池在电动车市场已具有可行性，在其它诸多 领域有很大潜力，但需要进一步开展严格审慎的研究工作，并通过规模化生产降低成本。压缩空气、钒液流电池、氢气储能用于削峰填谷也面临同样的问题。混合液流、合成天然气也可能用于削峰填谷，但需要进一步开展基础研发工作，实现产品的可靠性和低成本，详见图6。

3 结 语

图6 不同储能技术应用可行性比较Fig.6 Feasibility of different EES technologies

综上比较，不存在各项特性均优于其它技术的通用型储能技术，未来各种不同的储能技术将共存发展，各得其所，各取所长：中、短时放电（秒级 ~小时级）覆盖的功率和能量密度范围最宽，其中不乏各种成熟的储能技术，尤其是飞轮、双电层电容器及各种电池体系，均可在此范围使用；中、长时放电（小时级~日级），抽水蓄能是目前唯一可行的大容量储能技术，压缩空气储能经进一步研究有望在此范围应用，但两者选址均受地形限制，选址困难。也可通过提高其它储能技术的容量，对分散的储能系统进行控制、并网来实现；长时放电（日级-月级）对储能容量要求极高（GW·h~TW·h）目前尚无实际投入运行的储能技术，需要开发氢气、合成天然气等新技术。

不同储能技术的采用首先取决于前述的能量密度、功率密度、响应时间、充放电效率和使用寿命等技术因素，但不同储能技术发展进步的速度及其经济性将在相当大的程度上决定了其应用前景。

[1] Zhang Huamin（张华民）. Development and application status of energy storage technologies[J]. Energy Storage Science and Technology（储能科学与技术），2012，1（1）：58-63.

[2] IEC Electrical Energy Storage White Paper [R]. 2011.

[3] Hu Xuehao. The requirements of power grid to energy storage technology [C]//Energy Storage International Conference 2012，Beijing，China.

[4] Steven Chu，Arun Majumdar. Opportunities and challenges for a sustainable energy future [R/OL]// http://www.nature.com/nature/ journal/v488/n7411/full/nature11475.html.

[5]日经证券. 铅酸电池行业深度报告[R]. 2012.

[6] Anthony Price. Is energy storage the key to the success of renewable energy systems?[C]// 13th ELBC，2012.