新型储能技术发展方向研究

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 陈永敢

1 新型储能技术综述

储能技术顾名思义就是利用某种技术先将能量以某种形式储存下来，在需要的时候再将能量释放，完成能量在时空上的调配，储能一般是指将暂时不用的电能转化成其他形式的能量，在需要时再转化为电能。而更广泛的储能是将电能、热能、机械能等特殊的能量用不同的方式或者技术储存在特定的设备中，在未来需要时，可以根据当时的具体情况，释放出不同种类的能量以供使用[1]。最常规的储能方式是抽水蓄能，技术发展最为成熟，装机容量占比也最大，所谓新型储能技术是指除抽水蓄能以外的其他储能技术。新型储能技术分类如图1所示。

图1 新型储能技术分类

2 机械储能

2.1 压缩空气储能

压缩空气储能是指在用电低谷时消耗电力驱动空气压缩机形成高压空气，在用电高峰时通过高压空气膨胀做功来产生电力。压缩空气储能装机容量大，储能量级可与抽水蓄能相媲美，特别适用于大规模储能，功率达到百兆瓦级，且建设周期只需要12～18个月，具有能量密度高、日常运营成本低、自放电率低等优势，技术正越来越受到青睐。压缩空气储能通过三种技术实现进步：绝热压缩空气储能、液态空气储能、超临界压缩空气储能。目前非绝热系统的储能效率较低，在40%～55%左右，主要由于能量以热能形式损失，而绝热系统的效率在60%～70%左右，故绝热系统更具有发展前景。

2.2 重力储能

重力储能是利用电能将重物提升到高处，增加其重力势能，从而完成储能过程，需要时，通过重物下落过程将重力势能转化为动能，再转化为电能。重力储能项目具有安全、环保、经济的优点。重力储能采用机械能和电能相互转化，不会发生爆炸，安全性较强；同时不造成地质生态破坏，环保效益较好；重力储能建设周期通常只需要6个月左右，寿命可达30～35年，转化效率约85%，因此从全生命周期角度来看重力储能度电成本较低，约为0.5元/kWh，具备良好的经济性。重力储能也有一定局限性。目前国内在建的首个重力储能项目为中国天楹在江苏如东建设的100MWh 项目，相较抽水蓄能规模较小；同时重力储能响应速度达到秒级，也略低于电化学储能的响应速度。重力储能具有功率大、效率高、寿命长的特点，选址不受限制，能够在中、长时间内储存大量的新能源产生的富余能量，同时可提供转动惯量，适用于西部可再生能源的大规模消纳利用，重力储能在西部新能源消纳方面大有可为。

3 飞轮储能

飞轮储能是利用电能对放置在真空外壳中的转子进行加速，从而将电能以机械能的形式储存起来，并利用大转轮储存的惯性能来储存电能。飞轮储能具有响应速度快、功率密度高、不受充放电次数限制等优点。飞轮储能的响应时间可以达到毫秒级，同时飞轮储能系统是一种纯物理储能装置，因此不会产生环境污染，飞轮储能单机功率可达2000～3000kW，可实现储能0.5～100kWh，且没有化学储能充放电次数的限制。飞轮储能也有缺点，成本较高，能量密度低，储能容量少，安全性还有待改进。飞轮储能主要应用领域是调频，由于飞轮储能具有短时高频的特点，适合应用在电力系统调频方面，同时在分布式发电及微网、轨道能量回收、电力输配、备用电源方面也有应用。

4 电化学储能

4.1 铅蓄电池

铅蓄电池应用时间最长、技术最为成熟，成本低廉，是一种通用的储能技术，可被用于电能质量调节和电网调峰等，既可以用于短期平滑也可以应用于深度循环充放电。具有很快的响应能力，可以在数毫秒内将输出功率从0% 提升到 100% 额定功率。但铅酸蓄电池在充放电次数上有所限制，循环使用寿命还有待提高，离大规模储电的要求仍有较大差距。此外，由于使用大量的铅作为电池材料，存在环境污染的隐患，在铅蓄电池整个使用寿命周期内都应进行严格的管理。

4.2 锂离子电池

对于锂电池来说，最常用的是三元锂电池和磷酸铁锂电池。三元体型锂电池比能量较其他锂电池高，但是，非常受循环技术和安全技术的限制。该类电池如果受到较大力的冲击，集中在一点的冲击以及遇到过充或者短路问题时，其内部温度能够快速达到 200～300℃，极易导致正极部分内部反应引起电池整体膨胀甚至爆炸[3]。磷酸铁锂电池正极材料的分解温度在700℃左右。在实验室测试条件下，短路的磷酸铁锂电池单体很少着火，因此磷酸铁锂电池在安全性方面比三元电池具有绝对优势；同时，三元锂电池的理论寿命约为800～1000次循环，而磷酸铁锂电池的理论寿命约为2000次或以上。从循环寿命的角度来看，磷酸铁锂电池在应用和推广方面更有优势，同时也更加安全。

4.3 全钒液流电池

全钒液流电池采用不同价态的钒离子溶液分别作为正极和负极材料，通过氧化还原反应进行充放电。全钒液流电池具有安全性高、环保、寿命长、长期储能的特点。全钒液流电池的介质为含钒离子的稀硫酸水溶液，工作环境为常温常压，不易发生爆炸和燃烧。在100%充放电循环下，充放电循环次数可达20000次以上，整个生命周期的保能率可达100%。是大容量高效储能技术解决方案的首选之一。同时，钒电池适用于中长期储能，储能时间可达4～12h。全钒液流电池成本较高，技术还有待改进。目前全钒液流电池电堆的额定工作电流密度较低，造成其功率密度较低、材料用量大，成本高[4]。

5 氢储能/热储能

5.1 氢储能

氢储能技术利用电—氢—电的互变性。基本原理是电解水后获得氢和氧，利用多余电力大规模生产氢。首先，将电能转化为氢能并储存起来，当电力输出不足时，使用氢燃料电池或其他方法再将其转换回电能。氢能清洁、高效，是化学储能的延伸，氢能是最理想的能量载体，具有能量密度高、运行成本低、存储时间长、无污染等诸多优点。氢储能缺点主要是效率较低、储氢技术难、安全性较低。氢储能技术目前还不成熟，高工产研氢电研究所曾作出分析，氢储能发电系统的系统效率仅35%左右，相较于其他储能较低，同时储氢技术仍需突破，氢气是一种无色无味且易燃易爆气体，安全性需要进一步提高。氢储能是一种很有前景的储能技术，可应用于新能源消纳、电网调峰填谷、用户冷热电气联供、微电网等多种场景。氢储能技术若要进行大规模地应用，必须先解决储氢、运氢的安全和成本问题，氢能储运在产业链中成本较高，高效率和低成本是氢能储运的发展趋势。

5.2 熔盐储能

熔盐储能采用智能互补系统，使用风电、光伏、夜间低谷电源为熔盐电加热器供电。熔盐通过熔盐电加热器加热，储存热量；高温熔盐在放热过程中，与换热系统中的水交换热量，释放热量。熔盐储热技术具有规模大、时间长、安全环保等优点。熔盐储热具备单日10h 储热能力，且储能规模可达几百兆瓦。

熔盐储能工作原理是加热熔盐储能，并通过蒸汽带动汽轮机发电，整个过程不产生污染排放。根据CNESA 全球储能项目库，截至2021年底，熔盐储热占我国储能市场1.2%，熔盐储热规模达到0.5GW，主要应用在光电发热方面，特点是将储热和传热介质合为一体。未来熔盐储热在清洁供热、火电灵活性改造方面有广阔的发展空间。熔盐储热可以将弃风、弃光电、低谷电等电能储存起来，在需要的时候释放，减少用户用能成本；同时可以为火电电厂减小供热机组热负荷，或增大供热机组发电出力调节范围，提高电厂的运行灵活性。

6 不同储能类型发展展望

不同的储能技术类型各有其优缺点，适用不同的应用场景，不同储能类型技术参数对比见表1，各自处在不同的发展阶段。常规抽水蓄能技术成熟，容量规模大，运行成本低，负荷响应速度快，但受制于地理条件限制，锂离子电池和铅酸电池商业化成熟，占据目前电化学储能的主要份额，全钒液流电池异军突起，安全性高，使用寿命长，原材料不受限制，适用于大规模储能，具有很大的发展潜力。压缩空气储能技术逐渐成熟，我国的压缩空气储能项目正式进入百兆瓦级时代，其中人工硐室储气技术可摆脱天然洞穴依赖，有利于百兆瓦级压缩空气储能电站灵活选址，为大规模推广奠定坚实基础。重力储能安全性和经济性兼具，具有不错的发展前景，目前还处在试验探索阶段，技术有待验证。飞轮储能调频性能优越，但价格较高，存在一定的安全隐患。氢储能极具发展潜力，但氢气的燃点较低，易爆炸，对储运过程中的安全性也有极高的要求，储氢技术还有待突破。熔盐储热受益于西北风光大基地配储需求，大型化特征明显，有望实现跨越式增长。

表1 不同储能类型技术参数对比