基于综合能源的储能技术与发展路线分析

李江锋，王智峰，杨倩鹏

（1.陕西省地方电力（集团）有限公司咸阳供电分公司，陕西 咸阳 712000；2.西安理工大学 电气工程学院，陕西 西安 710048）

0 引 言

近年来，风力发电和光伏发电等可再生能源发电产业发展迅速，在未来能源发电领域占据重要地位。可再生能源发电的波动性和间歇性会影响电网的稳定运行，而配备储能系统进行调节是重要的解决方法之一[1]。同时，随着分布式发电技术和产业的高速发展，特别是基于可再生能源的中小规模分布式发电，用户侧对储能的需求非常强烈。储能是提升分布式系统能源利用效率和经济性的重要途径[2,3]。现阶段，高效环保的储能技术逐步引起了能源发电行业的重视，成为保障可再生能源发电和分布式发电发展的关键技术[4]。

本文通过归纳储能领域的技术分类、产业概况以及前沿技术，对比分析各类储能方式的技术特点和应用方向，展望储能的产业应用前景，提出了储能领域的技术研究和产业应用路线，有助于更好地引导我国储能领域的发展。

1 储能技术分类与产业概况

1.1 储能技术分类

储能技术按照原理可以分为机械储能、相变储能、电化学储能以及电磁储能4类[5]。机械储能（动能、势能以及压能）包括抽水蓄能、压缩空气储能以及飞轮储能等形式。相变储能（热能）包括蓄热和蓄冷形式。机械储能和相变储能属于物理储能技术，原理和系统相对简单。

电磁储能包括超导储能和超级电容器等形式。电化学储能包括锂离子电池、钠硫电池、钠镍电池、铅酸电池以及液流电池等二次电池体系。电磁储能和电化学储能的前沿技术主要围绕材料科学展开，两者也通常合称为化学储能。

1.2 储能产业概况

目前，国内外对于储能产业的分析，大多围绕化学储能范围展开。抽水蓄能等机械储能形式和冰蓄冷、熔盐蓄热等相变储能形式，通常归入水力发电、暖通空调以及光热发电等其他产业分析范畴。

近年来，化学储能的技术和规模发展迅速。为引导储能产业发展，国际能源署（IEA）在2014年发布了《储能技术路线图》，规划了未来40年世界储能产业的发展方向[6]。2015年国际可再生能源署（IRENA）发布了《可再生能源与电力储能技术路线图》，分析了可再生能源储能的产业与技术方向。截至2015年底，世界范围内化学储能的累计装机容量达到1 930 MW，形式组成如图1所示。其中，锂离子电池是最主要的化学储能形式，累计装机容量达到1 060 MW。

图1 2015年世界化学储能累计装机容量组成

在储能的产业用途方面，根据近年储能项目应用模式来看，除了满足传统的调频、输配电以及备用电源等需求外，用户侧储能、可再生能源平滑以及储能盈利是储能技术在发电领域的3种重要新型用途。首先，用户侧储能需求与分布式光伏发电的快速发展密切相关。随着分布式光伏发电用户越来越多地采用自发自用模式，用户侧化学储能的需求随之逐步增长。其次，可再生能源平滑用途也称可再生能源集成，主要是针对中小规模风电、光伏以及光热等的配套化学储能。可再生能源平滑的目的是减少可再生能源发电的间歇性和波动性，使功率输出更平滑，提升系统的综合效率和经济性。最后，储能盈利用途则是通过建立储能系统综合服务于各类储能需求，并通过提升服务的效率和经济性使自身获得盈利从而实现共赢[7-10]。

1.3 新能源汽车与动力电池组

除发电领域外，交通领域的新能源汽车产业也是储能技术的重要应用领域，对储能技术的发展创新具有重要的推动作用[11]。

世界范围内，新能源汽车（NEV）包含纯电动汽车（EV）和插电式混合动力汽车（PHEV）两大类别。2015年，全球新能源汽车销量达到54.9万辆，近3年销量增速均达50%～60%。

伴随新能源汽车产业的快速发展，相配套的动力电池的技术和产业进步显著。动力电池技术的进步使得动力电池组价格明显下降[12]，刺激了新能源汽车的生产销售，形成了良性循环。

对于新能源汽车，我国近年来出台了《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》和《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》等一系列政策。相关政策的主要措施包括对新能源汽车免征车辆购置税、鼓励私人投资建设电动汽车充电站、用电采用扶持性定价、对电动汽车充换电服务费实行政府指导价管理以及电动汽车充换电设施配套电网改造成本纳入电网企业输配电价等。以上措施不仅将刺激新能源汽车产业的发展，也将对发电产业和储能产业产生长远影响。

2 储能技术对比与前沿技术

2.1 锂离子电池与动力电池组

锂离子电池是电化学储能的代表性形式，也是目前世界上的主要化学储能形式，累计装机容量占化学储能总量的一半以上。伴随新能源汽车产业发展和动力电池组技术进步，锂离子电池相关的前沿技术近年来不断涌现，成为电化学储能领域热点。

对于纯电动汽车（EV）而言，动力电池组容量一般为15～90 kW·h，续航里程为50～450 km，重量为0.2～0.6 t，价格为5万元 ～25万元。动力电池组通常占整车重量的20%～40%，占整车价格的30%～50%，高于普通汽油车的发动机重量比例（约15%）和价格比例（10%～30%）。

较高的定价和政策的约束，推动了动力电池组技术的进步和创新。常见的动力电池组技术包括铅酸电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池以及三元聚合物锂电池等。铅酸电池的优点是电压稳定和价格便宜，缺点是比能量小（35～50 Wh/kg）、寿命短以及维护频繁，目前主要应用于部分低速电动汽车。

锂离子电池是目前动力电池组的主流技术，常见能量密度在100～150 Wh/kg，是铅酸电池3～4倍，可以较好地满足电动汽车对动力和自重两方面需求的平衡。

正极材料对于锂电池的能量密度、安全性以及循环寿命等起决定性作用，占锂电池成本的40%。目前，主流正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及镍钴锰酸锂三元材料等[13]。

磷酸铁锂电池属于锂离子二次电池，能量密度为80～100 Wh/kg，主要用于动力电池。磷酸铁锂电池充放电效率可达90%以上，而铅酸电池约为80%。磷酸铁锂电池安全性高和寿命长，缺点是价格较高、容量较小、续航里程短以及无法回收等。

钴酸锂电池主要用于特斯拉电动车，车辆采用松下NCA系列18650钴酸锂电池，单颗电池容量为3 100 mAh。特斯拉MODEL S的85 kW·h动力电池组由8 142个18650锂电池组成，并置于车身底板，根据厂家宣传其动力电池组能量密度达到230～ 250 Wh/kg。

钴酸锂电池结构稳定且性能突出，但安全性较差，成本较高。钴酸锂电池主要用于中小型号电芯，标称电压为3.7 V。钴酸锂电池组合后使用，需要采用技术手段（独立保险丝等）严格保障安全性。

三元聚合物锂电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O2）三元正极材料的锂电池。三元复合正极材料以镍盐、钴盐以及锰盐为原料，可以根据实际需求调整镍钴锰比例。三元聚合物锂电池的能量密度可以达到150～200 Wh/kg，在移动电子设备如笔记本电脑等领域，三元材料电芯逐步代替了钴酸锂电芯。三元锂材料的安全性存在不足，在200 ℃发生分解，而磷酸铁锂材料在800 ℃才发生分解。三元锂材料的化学反应更剧烈，高温作用下释放的氧分子将引发电解液快速燃烧，更容易着火。

由于三元锂材料容易热解，前沿安全技术主要包括过充保护（OVP）、过放保护（UVP）、过温保护（OTP）以及过流保护（OCP）等，并日益受到重视。在经济性方面，三元锂电池现有技术可以将成本控制在2 750元/kW·h左右，具备较好的竞争力。

锂电池前沿技术还包括理论上比能量高达2 600 Wh/kg的锂硫电池等，近年来成为锂电池领域的科研热点。硫具有储量丰富、价格低廉以及环境友好等优点，但存在不导电、中间产物聚硫锂溶于电解质以及体积膨胀严重等缺点，因此其安全性、倍率性能以及循环稳定性尚有待进一步提升。目前的改善方法主要是从电解质和复合正极材料两方面入手，其中石墨烯/硫复合电极材料等相关研究的进展情况良好。

2.2 超级电容技术

超级电容器是通过极化电解质来储能的一种电化学元件。超级电容器是一种介于常规电容器和化学电池之间的新型储能元件，近年来成为前沿的技术热点[14]。超级电容器具备传统电容的放电功率，也具备化学电池的储电能力。与传统电容相比，超级电容优点包括高放电功率、法拉级别的超大电容量（0.1～50 000 F）、较高的比能量（0.5～10 Wh/kg）、较宽的工作温度范围（-40～70 ℃）以及极长的使用寿命，充放电循环次数可达10万次以上，且无需维护。与化学电池相比，超级电容的优点包括较高的比功率（200～30 000 W/kg）、全生命周期无环境污染以及充放电时间短等。

超级电容根据储能机理不同分为两类：一类是基于高比表面积的碳材料与溶液间界面双电层原理的双电层电容器（Electric Double Layer Capacitor，EDLC）；另一类是在电极材料表面或体相的二维或准二维空间上，电活性物质欠电位沉积发生高度可逆的化学吸附脱附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的法拉第准电容（Faraday Pseudocapacitor）。

实际中，超级电容器一般同时包含双电层电容和法拉第准电容两个分量，两者只是依靠双电层和氧化还原假电容电荷来储存电能的比例有所不同。目前，已经市场化的超级电容主要为双电层电容器，其中美国、日本以及俄罗斯的产品占据市场的主要份额。

此外，还有采用不同正负电极材料的非对称型超级电容器，也称混合超级电容器或杂化超级电容器。它的储能能力得到了一定增强。

目前，超级电容的电极材料可以分为碳材料、过渡金属氧化物以及导电聚合物3类。超级电容常用的活性碳电极材料具有吸附面积大和静电储存多等优点，在新能源汽车等领域应用广泛。

过渡金属氧化物和导电聚合物作为电极材料，性能优于碳材料。但是，由于贵金属材料成本高昂，导电聚合物掺杂的性能不稳定，这两类超级电容目前仍然处于实验室研究阶段，短期内难以商业化应用。

前沿技术重点围绕改进超级电容实现超级电容的规模化和商业化的生产应用[15]。超级电容当前的不足主要为重量能量密度偏低和体积能量密度偏小等。现有超级电容的工作电压较低，水系电解液的单体工作电压低于1.4 V，且电解液腐蚀性强。非水系电解液（有机电解液）的单体工作电压可以达到4.5 V，实际常用为3.5 V。但是，非水系电解液有纯度高和不含水等要求，价格较高且装配环境要求苛刻，有待进一步改善。

2.3 储能技术对比分析

储能技术应用于能源发电、新能源汽车以及其他领域时，需要综合对比各类储能形式，明确相应的产业应用方向。如表1所示，对于各类储能技术，研究整理了10项主要指标和典型值。相变储能以储存热能为主，不包含在对比之列。对于抽水蓄能和压缩空气储能等利用固定设施储能的技术，不涉及比能量和比功率这两项针对移动式储能技术的指标。

由表1可以看出，机械储能类别中的抽水蓄能具有容量大和寿命长等优点，但存在响应时间长等不足，适用于电网大规模储能和调峰。压缩空气储能（CAES）容量较大，但效率很低，响应时间比抽水蓄能更长。压缩空气一般储存在矿井或洞穴，配合燃气轮机使用，可以减少压气机压缩空气的能耗。

飞轮储能的比能量较大、比功率很高、爆发力强，且寿命、效率、成本以及响应时间等方面无明显不足，但持续放电时间较短，限制了其应用领域。飞轮储能属于可移动式的机械储能，在交通（车辆和航空）和不间断电源（UPS）等领域具有独特优势，应用前景良好。

电磁储能类别中，超导储能（SMES）优势是比功率极高（可以达到1012W/kg），响应时间极短（可以低于5 ms），电流衰减很小，且储能效率很高。在需要瞬时大功率释放能量的应用领域，如大功率激光器和大规模电网调节等方面应用前景良好。超导储能的主要缺点是必须在70 K以下的温度中运行，因此储能成本较高，应用领域限制明显。

超级电容优点是比功率很高、寿命很长以及效率高，可在常见温度范围运行，相比超导储能更适合于规模化和商业化应用。因此，超级电容和锂离子电池成为目前储能领域的两大前沿技术热点。

电化学储能类别中代表性的4类电池，各项指标范围的数量级较为接近，共同特点是比能量、寿命、容量以及效率均较为适中，共同优势是连续放电时间长、成本较低、响应较快以及大部分在室温运行等，因此在中小规模储能领域应用广泛。其中，锂离子电池比能量高，成本较高，多用于交通和电子设备等领域。钠硫电池比能量高，但工作温度为300 ℃左右，需要加热保温。真空绝热保温技术的进步，有助于扩展钠硫电池的应用领域。铅酸电池比能量低、效率低，但成本低，因此目前各个领域均有广泛应用。液流电池各方面相对均衡，由于寿命较长和成本较低的优势，近年来受到了关注。

3 储能前景预测与发展路线

3.1 储能前景预测

储能的产业用途方面，传统的调频、输配电以及备用电源等用途保持稳步增长，而用于可再生能源平滑和储能盈利的储能项目，将伴随可再生能源发电产业增长实现稳定增长。由于可再生能源发电和分布式发电的双重推动作用，用户侧储能将成为增长较为迅速的应用形式，未来会成为重要的储能用途。

表1 储能技术的指标对比

新能源汽车方面，动力电池的技术水平和产业应用将进一步发展。由于动力电池产业发展的推动作用，世界新能源汽车销量在2025年有望达到300万～500万辆，为2015年的6～10倍。我国2015年新能源汽车销量约为33万辆，占据世界新能源汽车市场的主要份额。受到购置补贴、免购置税、不限行不限号以及充换电设施建设等一系列政策的大力支持，新能源汽车产业将持续高速发展，相关的动力电池和储能技术的研发应用也将进一步加速。

3.2 储能发展路线

目前，我国在锂离子电池和新能源汽车等技术和应用方面取得了一定突破，但储能领域的基础科学、关键技术以及应用水平与国外先进国家仍然存在差距。明确我国储能的技术研究和产业应用的发展路线，有助于更好地引导储能的发展方向。储能领域重点工作应当包括以下4个方面。第一，掌握锂离子电池正极材料的核心技术，研发高能量密度的三元聚合物锂电池，并开发过充保护（OVP）、过放保护（UVP）、过温保护（OTP）以及过流保护（OCP）等前沿安全技术。第二，促进锂硫电池相关的技术研究，掌握先进的电解质和复合正极材料的核心技术，探索锂硫电池的应用和产品。第三，研发超级电容的电极材料，掌握活性炭电极材料的自主知识产权并加速产业应用。开展过渡金属氧化物和导电聚合物等电极材料的基础研究，探索改善有机电解液性能的途径。第四，促进储能产业与可再生能源发电和分布式发电的结合发展，加强储能在抑制可再生能源发电间歇波动方面的作用，减少我国在用户侧储能应用领域与国外的差距，从而提升可再生能源发电与分布式发电的综合效率和经济性。

4 结 论

通过归纳储能的技术分类、产业概况以及前沿技术，研究并对比分析了各类储能方式的技术特点和应用方向，展望了储能的产业应用前景，提出了储能领域的技术研究和产业应用的路线，以期促进我国储能技术不断发展。