能源互联网背景下电力储能技术发展问题研究

柴 雯，吴明锋，杨 姝

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原 030001）

0 引言

信息技术和新能源相关技术的快速发展引导出了一种全新的能源利用体系，即基于可再生的、分布式的、开放共享网络的能源互联网[1]。能源互联网也是一种“网络”，其“主干网”是具有高效传输效率的大电网，“局域网”则由微网构成，可以实现能源“双向”“按需”传输，以及动态平衡使用。

在这一新型的能源利用体系中，储能技术起着十分重要的作用。在全球能源互联网发展合作组织发布的《全球能源互联网发展战略白皮书》《跨国跨洲电网互联技术与展望》《全球能源互联网发展与展望》等相关文件中，不仅指明了未来几十年中全球能源互联网的发展路径，还十分明确地提出了一份关键技术清单，涵盖特高压、智能电网、清洁能源、储能和电网运行控制五大领域[2]。在这样的技术需求和发展背景下，探讨全球能源互联网背景下储能关键技术问题具有重要意义。

1 能源互联网背景下电力储能技术发展现状

储能技术多种多样，一般根据储能过程和涉及的能的形式，将储能技术划分为物理储能和化学储能，也有将超导储能、超级电容器等从物理储能中划分出来，单独列为电磁储能。根据中关村储能产业技术联盟多年的统计数据可知[3]：在众多储能技术中，抽水蓄能是目前最为成熟的技术，多年来在储能应用中保持最高占比，累计装机量高达90%；在过去的10 a 里，锂电池的成本下降了90%，电池性能却提高了3 倍，因此以锂电池为代表的化学储能技术在市场应用、商业化发展上具有巨大的发展前景，持续多年保持高速发展，是目前最具发展前途的储能技术；氢储能作为具备零污染、低成本、长寿命、高效率等特点的储能技术[4]，十分具有发展潜力，在清洁能源消纳、电网调峰、分布式能源系统等多种场景可以提供应用。

储能技术种类众多，适用于不同的场景，但是在能源互联网背景下，已有的电力储能技术面临着多方面的挑战。一方面，现有的储能技术本身就具有多种局限性，受场景、应用方式、现有技术水平等因素影响[5]，不同的储能技术往往凭借其突出的优点和暂时可以在某些场景规避其缺点在不同的领域得到应用；另一方面，可再生能源将逐渐成为市场主流，保障可再生能源安全、稳定、高效地运行是当前能源行业面临的新挑战，这一挑战对储能技术突破提出了新需求[6]。

2 电力储能技术发展问题与难题

目前，电力储能技术发展的问题按照层次可以分为技术性问题和战略性问题。技术性问题是指目前各类储能技术在性能指标上的缺陷，战略性问题是指储能产业发展所面临的国家层面的问题[7]。

2.1 电力储能技术性问题

储能技术所面临的技术性问题虽然可以从不同角度来考察，但是归根结底都要回归到提高性能和降低成本这两个要点上。性能涉及多个指标，包括寿命、功率密度、能量密度等，另外还有按照需求平稳、可控地释放，平滑波动，跟踪调度输出，调峰调频，大规模化可行性等[8]。可以说，在上述指标上高质量地表现的储能技术都可以视为未来储能产业发展的关键技术。不同类型储能技术比较如表1所示。

表1 不同类型储能技术比较

在电化学储能领域，锂离子电池具有绝对的优势。锂离子电池是一类以锂金属或者锂合金为正负极材料，使用非水电解质溶液的电池，由正负极、隔膜和电解液构成。锂电池材料广泛，目前适合用于电力储能的主要有磷酸铁锂、钛酸锂、镍钴锰酸锂以及一些新型的高能量密度的锂电池[9]。目前，安全性、寿命、充放电速率和存储能量密度等问题，是困扰锂电池规模化、市场化的难题。尤其是用于电动汽车的锂电池，其安全性问题是最为重要，也是最受关注的议题。除锂电池外，还有多种电池也具备较好的应用前景：钠硫电池在欧洲和日本的储能应用中占比较高，能量密度高，原材料成本低，但是整体运行系统的造价高，运行条件苛刻，有待在经济性和安全性上得到改善；铅碳电池也是在国外较早开始新能源场景应用的技术，在各项指标上都优于传统的铅酸电池，但是关键材料并没有国产化，且电池寿命偏短；全钒液流电池目前在国内外也具备多个新能源储能示范项目，这种液流电池安全性好，电池寿命长，但是效率低、成本高，同样面临关键材料非国产的问题；氢储能可以视为化学储能技术的延伸，目前在国外已进入推广阶段，在国内尚处于示范项目建设阶段。

在物理储能领域，先进的储能技术包括压缩空气储能、飞轮储能、超导储能和超级电容器储能。压缩空气储能中的空气是能源多媒体的最优选择，比不均衡、不同步的太阳能、风能、波浪能等更稳定、便捷，对环境友好，安全系数也高。但是目前的压缩空气储能技术对地理条件要求较高，系统建设成本高。飞轮储能在提升电网安全性、稳定性、灵活性，提高可再生能源消纳水平方面有优势，但是目前国内成熟运行的产品较少，整体技术性能还需要进一步完善。超导储能和超级电容器都是基于电磁原理的储能技术，理论上具备效率高、响应速度快的优点，但是受限于材料和技术水平，目前我国正处于开发探索阶段。

2.2 电力储能战略性问题

储能技术战略性问题是指国家层面储能产业发展在核心技术体系研发、标准体系设计、市场机制及商业化运行等方面还有待突破。一是现在我国的储能核心技术体系理论研究不足，缺乏完善的顶层设计和底层环节支撑，目前核心技术体系难以支撑目标需求的实现，形成了规划走前端，技术难跟上的困局；二是相关的标准体系还有待完善，储能产业的实施涉及工程、环境、消防、交通等多行业与领域，储能项目的完整运行，不仅需要技术支持，还需要涉及多领域的运行制度支撑，相关的标准、制度和规范急需出台；三是市场化机制和商业化运行，这一点着眼于目前储能产业的高投资、低回报现象，储能技术成本高，资本引进困难，且储能的经济回报计算方式复杂，目前没有统一的标准，这影响了储能产业的市场化和商业化。解决技术成本问题可以一定程度上缓解高投资现象，但是储能多样化收益问题需要技术和市场同时关注[10]。

3 能源互联网对电力储能技术的新需求

3.1 储能系统能量合理调度

在能源互联网中，多种能源耦合使得网络变得十分复杂。新能源+储能模式就是为了能够减少电源侧的不确定性，增加可调性和电网适应性。除此之外，分布式电源的接入、远距离输入输出、灵活响应需求等因素，更加重了储能系统合理调度的意义[11]。储能的监控与调度系统作为储能体系的大脑，在系统中担任着收集数据、控制运行、发出指令、合理安排工作的角色。因此，优化储能系统的能量监控与调度功能，可以明显提升能源互联网运行效率。

3.2 大容量储能规划

能源互联网的主要目的之一是对清洁能源的大规模高效利用，这一目的需对应解决大容量储能的技术问题与合理规划。一方面是大容量储能的技术问题，需对现有储能技术提升优化，实现高效率、低成本；另一方面是合理规划储能布局与容量配置，需综合考虑用户侧、发电侧与配网侧多种约束条件。

3.3 集成化与模块化储能

在网络化背景下，智能系统都在趋向集成化与模块化，储能系统也不例外，为了高效利用智能技术，保障能源互联网安全、经济、稳定地运行，提高控制工作效率，集成化与模块化势在必行。这是因为集成化与模块化是解决问题、满足需求、合理控制流程的优化方案，这意味着一体的集成化和模块化配置，将有更优的服务质量。

4 结束语

电力储能技术包含储热技术、电化学储能等内容，对我国社会的可持续发展和国民经济的增长意义重大[12]。全球能源互联网是智能的、前瞻性的、复杂的、物联的、更具经济效益的，随着电力储能技术在能源互联网中的广泛应用，很大程度上完善了我国传统的能源结构体系，挖掘出了更多的新能源和可再生能源，为我国国民的生活提供了便利。在我国，能源互联网的发展有着很大的空间，储能技术作为能源互联网的关键技术，一定要在技术上持续地突破，并在战略上全局引导，加快市场化推广应用，探索多种经济效益。