基于SWOT分析的智能电网蓄电池储能技术比较

翟卫青，黄晓艳

（平顶山学院， 河南 平顶山 467000）

基于SWOT分析的智能电网蓄电池储能技术比较

翟卫青，黄晓艳

（平顶山学院， 河南 平顶山 467000）

智能电网中高性能蓄电池的应用可有效缩小昼夜峰谷差，降低输配电网建设和设备投入成本，还可以减小甚至消除新能源接入带来的功率波动，提高电网供电可靠性和供电质量.评估蓄电池储能技术在智能电网建设中的技术经济价值非常重要，本文试用SWOT战略分析法对几种常见的蓄电池储能技术进行比较分析，可作为智能电网建设过程中蓄电池储能技术的应用和产业发展的参考.

智能电网；蓄电池储能技术；SWOT 分析

1 概述

1.1 智能电网及主要储能技术概述

伴随着经济社会的快速发展，全国范围内能源优化配置和可再生能源的大规模集中并网，要求电网结构更加坚强合理，控制自动化程度更高更灵活，经济效益更好，有利于环境保护.智能电网(Smart Grid)，是以特高压电网为骨架、各级地域电网协调发展的坚强电网为基础，以高速双向通信网络平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化特征，包括发电、输电、变电、配电、用电和调度各环节，覆盖所有电压等级，能够实现“电力流、信息流、业务流”高度一体化融合的现代化电网.我国的智能电网建设内涵主要由“”坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动“几个方面构成[1].

以蓄电池为代表的储能技术已被业界视为智能电网运行中“发—输—配—用”四大环节的重要组成部分.智能电网引入储能环节后，可有效实现需求侧管理，将有助于打破新能源的接入和消纳的瓶颈，缓解电网运行中的峰谷差造成的调峰压力，降低配套线路容量的投资建设需求，消除新能源接入带来的功率波动，提高电网供电可靠性和供电质量，对城市智能配电网的规划和建设等都具有重要意义.电网中的储能系统按其具体方式可以分为电磁、物理、电化学和相变储能等四大类型.其中电磁储能包括超级电容、高密度电容、超导储能；物理储能包括抽水储能、飞轮储能和压缩空气储能；电化学储能包括铅酸、镍氢、镍铬、锂离子、钠硫和液流等电池储能；相变储能包括冰蓄冷储能等[2].

1.2 应用于储能技术比较的 SWOT战略分析法概述

SWOT战略分析法，又称为态势分析法或优劣势分析法，是由美国旧金山大学的管理学教授史·提勒于 20世纪 80年代初提出的，是一种能够较客观、全面、准确地分析和研究一个企业（或项目）的实际运转情况，从而提出有针对性的对策的战略分析方法[3].运用这种方法，可以对研究对象所处的情景进行全面、系统、准确的研究，从而根据研究结果制定相应的发展战略、计划以及对策等.S、W、O、T四个英文字母分别代表：优势 (Strength)、劣势(Weakness)、机会(Opportunity)、威胁(Threat).利用这种分析方法，可以从中找出对本企业（项目）有利的、值得发扬的因素，以及不利的、需要回避的因素；可以将问题按轻重缓急分类，明确哪些是必须马上解决的问题，哪些是可以留待日后解决的问题，哪些属于战略目标层次的问题，哪些属于战术层次的问题.在发现存在问题的基础上，通过构建SWOT矩阵，把各种因素相互匹配起来加以分析，从中得出一系列相应的结论，有利于决策者做出较正确的战略规划和合理制定战略对策.SWOT战略分析法最根本的着眼点是企业（项目）在现有的内部条件和外部环境下，如何最优地运用自身资源，争取更大的发展成效.

2 蓄电池储能技术用于智能电网的SWOT分析

2.1 蓄电池储能技术的优势[4]

相对于其他集中大规模储能技术而言，蓄电池储能具有以下一些优势：

2.1.1 应用方便灵活

蓄电池储能装置不需要抽水蓄能储能和压缩空气储能等特殊的地质环境，无需通过远距离的通道即可方便并网.且其能量密度较高、占地面积小（相同规模仅钒电池占地稍大），可以灵活地安装于电网中的任何位置，就近调节电网负荷和改善电网运行.特别是可以应用于用地紧张而负荷又集中的城市电网的配电侧，具有其他储能技术所不具备的优势.

2.1.2 响应和调节速度快

电池储能装置采用电力电子技术实现并网，具有快速的功率吞吐能力和灵活的四象限调节能力，能够快速地跟踪电网负荷波动进行调节，其相应速度达到毫秒级，可以与超级电容储能、超导磁储能等新型储能技术相媲美.所以蓄电池储能技术可以应用于电力调峰，同时为系统提供频率控制和快速功率响应等辅助服务.

2.1.3 单体工程容量选择灵活

目前各类蓄电池储能的大容量集成技术已经获得了重大突破，各类示范工程也取得了成功的运行经验，单个储能电站的应用规模可以小到数千瓦级，大到几十兆瓦，所以既可以采用小容量分布式置于电网中的各个位置对电网进行调节和控制，也可以大容量地集成于较高电压等级电网中，集中改善电网运行.也可以作为大型的 UPS为重要用用户提供不间断供电，或者做成移动式电源车等.

2.1.4 技术相对成熟

目前主流的几种蓄电池储能技术的大容量集成技术均已达到了商业应用标准，成为技术成熟度仅次于抽水蓄能和压缩空气储能的新型储能技术，同时要比其他几种新型储能技术（如超导磁储能、飞轮储能、超级电容器储能）要成熟许多.

2.2 蓄电池储能技术的劣势[5]

蓄电池储能技术具有其他储能技术所不具备的优势，但是它也存在自身的一些劣势：

2.2.1 单位造价相对较高

由于制造技术和应用规模两方面的限制，使得目前的蓄电池储能系统的单位造价偏高.目前造价最低的铅酸蓄电池储能系统，但是由于环保方面的原因，其应用受到一定限制.对于其他几种蓄电池，如钠硫电池、锂离子电池、镍氢电池和钒电池，目前的造价在 300～600万元／MW·h（其中镍氢电池和钒电池造价最高，锂离子电池其次，钠硫电池造价最低），相对于抽水蓄能等储能技术，其造价相对偏高，但仍比超级电容器储能和超导磁储能等储能技术的造价要低.

2.2.2 转换效率有待提高

目前蓄电池储能的循环转换效率在 70%～80%之间（其中镍氢电池和锂离子电池为 75%～80%，钠硫电池为 75%左右，钒电池为 70%左右），远低于其他的储能技术（压缩空气储能的转换效率可达90%，飞轮储能的转换效率甚至可达到 90%以上，超导磁储能的转换效率更是高达 96%以上，抽水蓄能的转换效率也在 70%～85%之间).

2.2.3 使用寿命需要进一步延长

目前各类蓄电池储能中，除了钒电池的循环寿命可达 1万次以上，其他蓄电池都在 5000次左右，其申铅酸电池的寿命最短.镍氢和锂离子电池的寿命高于 2500次，钠硫电池的更高一些，超过 4500次.可见蓄电池的单位造价偏高的主要原因是由其循环寿命偏低导致的.一般而言，蓄电池单体的循环寿命要远比其集成之后的循环寿命要高，所以关键在于提高蓄电池组的集成技术，当蓄电池的使用寿命提高一倍时，就相当于其造价降低一半.

2.3 蓄电池储能技术面临的机遇

自从 2011年雾霾天气笼罩大半个中国以来，节能减排变得日趋紧迫，新能源发电技术的日渐成熟和大面积推广，储能技术应运而生，各方面的因素给蓄电池储能技术带来了前所未有的机遇：

2.3.1 能源缺口和环境压力促进了新能源和储能的联合发展

传统能源面临枯竭，温室效应和雾霾天气等环境保护压力越来越大，使得我国加大了可再生能源的开发力度.近年来，我国新能源发电技术发展迅猛，产业规模和市场化进程逐年提高.截至 2012年年底，全国风电装机并网容量达到 6083万 kW，2012年全年发电量达到 1004亿 kW·h，太阳能发电装机容量达到 367万 kW，2012年全年发电量达到 35亿 kW·h，其他新能源装机容量约 803万kW，为全国提供了大量清洁电力[6].

新能源虽是大势所趋，但大量可再生能源的显著特点是随机性、不可控性、波动性，而我国新能源资源丰富的地区恰恰在中西部，必须通过接入大电网输送到东部沿海经济发达地区才能实现其经济和社会价值.此前设想的诸如风电场匹配火电、水电的联合发电模式，技术上难度较大、经济效能也不够理想，原因就在于一般的抽水蓄能电站的反应速度根本跟不上可再生能源的功率变化，而蓄电池储能则可以快速地充放电，平抑新能源电力的波动，改善电能质量，所以靠蓄电池储能技术来解决新能源发电带来的功率波动问题是一个很有前景的途径.

2.3.2 电网运行中的调峰压力需要储能措施实现调峰

城市建设和居民生活水平的提高，使得电网负荷以较高的速度增长，也使用电峰谷差日趋增大，电网和电源侧调峰压力日益紧张.而电网中绝大部分的调峰只能依靠常规电厂即燃煤电厂来承担，需要增加煤耗甚至火电机组实现轮班运行才能满足要求，使得机组启停费用大大增加，严重降低了电力系统的经济性.利用储能装置实现削峰填谷，可大大降低电力系统的峰谷差，提高系统供电保证率，减小拉闸限电次数和时长，同时改善电力系统火电、核电机组的运行条件，使这些机组能基本上保持在高效率区稳定运行，在运行过程中不必频繁增减出力或开停机组，从而降低单位煤耗，减轻环保压力.而蓄电池储能技术除了可完成以上任务外，还可以安装于配电侧就地调峰，减少电网建设所需的容量以及减少系统的网络损耗.

2.3.3 电动汽车的发展促进蓄电池产业的规模化发展[7]

与传统的汽柴油燃料汽车相比，电动汽车以电能为动力源，以锂离子高性能电池为代表的储能装置能量密度高，寿命长，环保效益很好.从目前国际市场来看，电动汽车的研发一直也是各大汽车集团花费巨资投入研发的新兴领域.例如，日本丰田于1997年 12月发布的全球首款量产油电混合动力汽车 PRIUS已累计销售 300万辆，美国特斯拉汽车公司于 2013年底推出的特斯拉 Model S在续航里程和操控性方面很是引人瞩目.我国的汽车企业和高校、科研院所等 200多家单位也投入了大量的人力、财力和物力研发电动汽车，这些技术上的研究也相继列入国家 863等重大科技产业工程项目，国内以比亚迪等为代表的厂商积极研发，比亚迪并于 2013年底推出以“秦”为代表的搭载双引擎双模技术的混动动力车型.国务院又于 2012年 6月发布了《节能与新能源汽车产业发展规（2012—2020年）》，保证了在未来的几年还会继续加大这方面的投入和重视力度.此外，在基础技术方面和电动车的基础设施（主要是充电设施）上，各电网公司也开始对业务模式进行有意义的尝试：比如南方电网公司已在深圳市投入了 3000余万元建设城市电动车充电站项目，国家电网公司将在上海、北京、天津等大城市建设充电站，服务于纯电动公交车和家用轿车.

随着电动汽车技术的日趋成熟，蓄电池产业的生产规模持续扩大，促使蓄电池的单位功率造价明显降低，将会带动蓄电池储能技术在电网中的应用.而商业运行的电动汽车充电站，可以同时储备一定容量的用于客户随时更换的蓄电池，使得充电站兼具电池储能站的功能，而这些蓄电池可优先选择负荷低谷时充电，负荷高峰时向电网供电，起到削峰填谷作用.若技术上完全实现双向有序的电能转换（V2G），电动汽车甚至可以作为电能存储设备、备用电源设备来使用.

2.4 蓄电池储能技术面对的威胁

蓄电池储能技术在其不断发展进步的过程中，也面临着其他储能技术的竞争压力及环境风险，其所面临的威胁主要来自于以下几个方面：

2.4.1 蓄电池储能技术研发支持政策支撑力度不够

技术与政策、市场是紧密相连密不可分的.不论是国内还是放眼全球，储能技术的应用市场前景是极其广阔的，尤其近年来不乏大宗资金的投入参与，大大促进了储能技术的进步.但由于我国储能产业发展进步较晚，政策支持长期未予明晰.我国仅在 2011年 3月发布的《国民经济和社会发展第十二个五年发展规划纲要》的第十一章第 3节“加强能源输送通道建设”中明确提及要发展储能技术，对电动汽车的普及补贴也声明要逐年减少.而在储能领域研究起步较早的美国，仅 2009年上半年该国政府就拨款 20亿美元用于支持包括大规模储能技术的电池技术研发，2009年下半年又累计拨款 26亿美元用于电动汽车、智能电网规模化储能相关技术的研发.

2.4.2 用户对蓄电池储能技术的疑虑

由于以往铅酸蓄电池给用户留下的印象就是寿命短、污染大、不经济，而对于新型的蓄电池技术，许多用户认为这些新型电池的性能被夸大.以电动汽车为例，尽管目前电动汽车的性能已经达到了一个基本能接受的水平，但是一方面其续航里程短，充电比加油麻烦费时；另一方面其目前的造价比常规汽车要高，而且使用寿命参差不齐，使得大部分用户都不敢购买电动汽车.同理，对于蓄电池储能，公众对蓄电池技术存在的疑虑使得其不敢轻易投资蓄电池储能业务，一些对供电可靠性要求较高的用户来说，虽然蓄电池作为 UPS有着无可媲美的优势，但是由于对目前蓄电池储能投术的疑虑，他们更宁愿选用常规的多路电源的方式来提高供电可靠性.所以如果蓄电池储能技术在这个逐步让公众认知的过程中，不能很好地保证质量和性能给公众一个良好的印象的话，无疑是对蓄电池产业的一个沉重的打击，从而阻碍蓄电池储能技术的发展.

2.4.3 电价体系尚不完善

随着电网侧、发电端、用户方面越来越认识到储能技术的特殊作用，储能技术与储能产业也引起了诸多研究人员和投资者的关注.但是由于电力价格政策不到位，储能产业还缺乏合理的投资回报机制：一是峰谷电价，峰谷电价差是投资储能的基本收入来源，欧美日等国家和地区都有成熟的峰谷电价政策，而我国除极少数地区有零星的分时电价外基本没有实施峰谷电价.二是储能电价，由于储能技术提高了发电设备的利用小时数和电能质量，增强了电网调峰能力，节省了电力系统投资，促进了新能源技术发展，又产生了显著的减排效果，因此应对储能环节制定单独的电价政策.但我国目前没有专门的储能电价，储能设施建设和运行成本尚无可靠的分担渠道.

3 智能电网中几种常用的蓄电池储能技术SWOT分析比较

目前技术成熟度比较高、发展呼声高尚的几种蓄电池主要包括镍氢、锂离子、钠硫、钒电池，它们在蓄电池领域互有优劣，各自适合应用于各种不同的场合；所以它们未来的发展也断临着不同的机遇和威胁，它们的 SWOT分析对比见下表.

铅酸蓄电池 镍氢电池 锂离子电池 钠硫电池 钒电池优势1、比功率大；2、技术成熟，可靠性高；3、造价不高、原材料易于获得；4、 对环境温度要求不高. 1、比功率大；2、快速充放性能好；3、大容量技术成 熟；4、 环保性能好. 1、比功率大；2、比容量大；3、 环保性能好；4、 循环效率高；5、自放电率低；6、造价不高. 1低4长6劣势1、比容量小；2、环保性能差；3、 快速充放能量效率低； 4、非免维护型运行维护麻烦.5、循环寿命短. 1、自放电反应高；2、循环寿命偏低；3、比容量偏低；4、快速充放能量效率低；5、成本偏高. 1、循环寿命偏低；2、大容量集成缺乏成熟经验. 1需杂、比容量大；2、造价；3、 环保性能好；、循环效率高、寿命；5、 自放电率低；、可大功率放电. 1、 额定功率和容量独立， 使用灵活；2、自放电率极低；3、循环寿命长；4、调节速度快.、存在安全隐患；2、保温，运行维护复. 1、 比容量低， 体积大；2、对环境温度要求高；3、成本偏高.机遇1、可作动力电池；2、适合风电与光伏等新能源储能.非常适合动力电池. 1、可作动力电池；2、可作大容量储能. 1、 适合城市电网大容量储能调峰；2、可作动力电池.适合风电与光伏等新能源储能威胁 1、在动力电池领域有锂离子电池、镍氢电池竞争.在动力电池领域有锂离子电池竞争. 1、 在动力电池领域有镍氢电池竞争；2、在大容量储能领域有钠硫电池竞争. 1、保温困难；2、 运行维护专业性强不利推广. 1、比容量有待提高；2、成本较高.

4 结论

本文通过对国家环境政策、电力技术发展现状、储能技术现状等多角度将其他储能技术与蓄电池储能技术进行了对比，同时对几种不同的蓄电池储能技术建立了 SWOT矩阵做了简要分析.最后得出如下结论：（1） 蓄电池储能技术的发展主要依赖于国家能源政策的引导作用，发展初期尤其需要国家政策对该技术研发和推广的支持，不能全靠市场的调配作用；（2） 电池储能的推广应用依赖于电池寿命长短、所需原材料的获得难易程度、环保问题的解决等因素，这些都直接受到电池制造相关关键技术的制约，只有具备良好经济性的技术才具有获得商业化运行的可能性；（3） 智能电网中峰谷电价的合理设定，是影响大规模蓄电池储能设施投放的经济诱导因素.

〔1〕刘振亚.智能电网技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

〔2〕蒋凯,等.几类面向电网的储能电池介绍[J].电力系统自动化，2013，37（1）：47～53.

〔3〕黄淑娟.郴州电力公司市场营销策略研究[D].长沙：湖南大学，2013.

〔4〕严晓辉,等.我国大规模储能技术及其应用[J].中国电力，2013,46（8）:22～29.

〔5〕俞国勤.电力能源转换与储存[M].北京：中国电力出版社，2011.

〔6〕国家电网能源研究院.2013 中国新能源发电分析报告[M].北京：中国电力出版社，2013.

〔7〕许晓慧,等.电动汽车及充换电技术[M].北京：中国电力出版社，2012.

TN619

A

1673-260X（2014）08-0042-04

2013 年度河南省科技重点攻关计划项目（132102210440）