大容量储能技术在张家口地区的探索与实践

摘 要：首先对大容量储能技术的发展前景、技术要求与路线进行了简述，其次对大容量储能技术在张家口地区应用的可行性进行了分析，然后通过张家口地区的典型储能项目案例分析大容量储能技术在张家口地区的应用效果，最后对张家口地区的储能技术发展趋势进行了预测。未来，随着液流电池储能、压缩空气储能等储能技术逐渐成熟、规模不断增加、成本持续下降，这些技术都将会成为新型储能的重要力量。以期本研究为大容量储能技术应用提供借鉴，为中国在沙漠、戈壁、荒漠建设风储、光储或风光储一体化基地提供参考。

关键词：光伏发电；风电；储能技术；大容量；电化学储能；压缩空气储能；抽水蓄能

中图分类号：TK02 文献标志码：A

0" 引言

随着《“十四五”新型储能发展实施方案》（发改能源[2022]209号）的印发，储能行业开始向商业化初期过渡，其市场规模稳步扩大，所起到的支撑作用初步显现[1]。

本文针对大容量储能技术的应用问题，首先对大容量储能技术的发展前景、技术要求与路线进行简述；其次，对大容量储能技术在张家口地区应用的可行性进行分析；然后通过张家口地区的典型储能项目案例分析大容量储能技术在张家口地区的应用效果；最后对张家口地区的储能技术发展趋势进行预测。

1" 大容量储能技术的发展前景

1.1" 大容量储能技术概述

储能技术是指通过介质或设备将能量存储，并在需要时将能量释放的技术，通常所储存的能量为电能，其对提高电力系统的供电可靠性，改善电能质量有明显作用。储能技术主要包括电化学储能、飞轮储能、压缩空气储能技术和抽水蓄能等类型，其中，前3种储能技术属于新型储能技术[2]。电化学储能、压缩空气储能、抽水蓄能是目前主流的大容量储能技术。大容量储能技术主要应用于平衡电力供需落差，特别是在新能源发电渗透率提高的情况下，有助于确保电力系统的长期稳定。

1.2" “双碳”背景下的储能

随着“双碳”目标的提出，中国逐步确立了新能源作为电力系统主体能源的地位，但在新能源高速发展的情况下，电力系统对可用于调峰的灵活资源的需求缺口越来越大，电力行业也在寻找更好地调峰手段和调峰资源[3]。在此背景下，中国政府出台了一系列政策措施，用于推动储能行业的发展。“十四五”期间，储能项目广泛应用，形成较为完整的产业体系，成为能源领域新的经济增长点[4]。

1.3" 大容量储能技术的发展历史

中国大容量储能技术的发展历史可以追溯到20世纪中后期，1968年河北岗南水库电站和1973年北京密云水库白河水电站的建设，标志着中国抽水蓄能电站的建设正式拉开序幕。自2019年开始，储能市场规模快速增长，大容量储能技术得到快速发展，其中，抽水蓄能是主要的储能方式，电化学储能也在快速崛起。大容量储能技术被认为是实现电力行业脱碳的关键。

1.4" 大容量储能技术的发展现状

目前，大容量储能技术正在受到越来越多的关注，储能行业继续保持高速发展态势。

截至2022年底，中国已投运的电力储能项目的累计装机容量为59.8 GW，其中，抽水蓄能的累计装机容量占比首次低于80%，同比下降8.3个百分点；新型储能技术继续高速发展，累计装机容量首次突破10 GW，达到13.1GW/27.1GWh，功率规模年增长率达到128%，能量规模年增长率达到141%[5]。

1.5" 大容量储能技术的政策支持

随着储能技术的快速发展，中国各地积极出台相关政策以推动储能项目的落地和储能产业的发展；而补贴政策作为其中的重要手段之一，可以有效刺激储能市场需求，促进储能技术创新和企业运营效率提升。

中国不同地区的补贴政策侧重点各有不同，但总体来说，都是围绕储能放电量、充电量，项目投资额、容量补贴、技术创新及储能参与需求侧响应等方面，旨在鼓励企业加大投入，提高技术水平和市场竞争力，同时也为消费者提供更加优质和经济的储能服务。

2" 大容量储能的技术要求与路线

2.1" 大容量储能的技术要求

大容量储能技术可为电力系统稳定运行提供支撑，同时提高系统的可靠性和灵活性。对于大容量储能技术而言，其应满足要求：1）具备技术适合性，储能技术必须与电力系统的特点相匹配，能够适应电力系统的运行要求；2）具备安全、可靠性，储能设备在各种条件下都需要具有高度的安全性和可靠性，保证其稳定运行；3）具备经济性，储能技术应具有低成本、高效率等特点，能够为电力系统带来经济效益。

2.2" 大容量储能技术的主要技术路线

下文以抽水蓄能、压缩空气储能和电化学储能为例，对大容量储能技术路线进行介绍。

2.2.1" 抽水蓄能

抽水蓄能是指在电力需求低时使用电力把低处的水抽取到高处的蓄水池，然后在电力需求高时再将水从高处流下推动水轮机发电的蓄能方式。该方式可以将电网谷段时的电能，转变为电网峰段或尖峰段时的高价值电能。

抽水蓄能是目前技术最成熟、应用最广泛的大容量储能技术，在削峰填谷、紧急事故备用、调频、调相等方面发挥了重要作用[6]；且该技术的能量转换效率高且初始投资和平准化度电成本（LCOE）低。

抽水蓄能作为大容量储能的标杆，经常以其能量转换效率、初始投资及LCOE等参数作为评判新型储能技术的指标[7-8]。

2.2.2" 压缩空气储能

压缩空气储能具有储能容量大和储能周期长等优点，其工作原理为：储能过程中利用富余电能通过压缩机将空气压缩到超临界状态，通过储热系统回收压缩热后，利用储冷系统存储的冷能将空气冷却液化，并储于低温储罐中；释能过程中对液态空气进行加压，然后通过储冷系统将冷能储存，空气吸热至超临界状态，并吸收储热系统储存的压缩热使空气进一步升温，通过膨胀机驱动电机发电[8]。

虽然传统的压缩空气储能技术较为成熟，但由于压缩空气储能系统在运行过程中需要额外的能源进行补充（压缩过程中会造成放热能量散失，导致膨胀过程中吸热时需要燃烧燃气予以补充），导致系统的能量转换效率偏低，仅为20%～50%[7-8]。而先进绝热压缩空气储能（advanced adiabatic compressed air energy storage，AA-CAES）技术采用高压容器作为储气装置，具有大容量储能及高效储能等显著优势[9]，且项目选址布点较为灵活[10]。

2.2.3" 电化学储能

电化学储能包括锂离子电池、液流电池等储能技术类型。其中，液流电池是一种先进的电化学储能技术，其工作时正负极电解液由各自的送液系统向电池内部输送，通过离子交换膜实现正负极之间的离子传导，从而实现电能的储存和释放。在液流电池电极反应的过程中无相变发生，物质的状态不会发生变化，电池能够进行深度的充电和放电。液流电池能耐受较大的电流充放，能在短时间内就完成大量的电能储存和释放。液流电池不受地域、环境等条件的限制，无论是从技术创新还是从应用的角度来看，都展示出了巨大的潜力和良好的市场前景。

液流电池包括全钒液流电池、铁铬液流电池等多种类型，其中，最接近产业化和规模化应用的是全钒液流电池。全钒液流电池主要优点包括：1） 属于水系电池，安全性好；2）基本电池单元大、液流便于热管理、寿命长；3）技术进步快，而且“天花板”足够高，潜力大 [7-8]。

全钒液流电池日历寿命可达20年，循环寿命15000次以上，安全性好[11]；能量转换效率约为70%～80%，但成本过高制约了商业化进程[12]。

2.2.4" 小结

锂离子电池、液流电池、压缩空气储能、抽水蓄能均适合采用大容量储能技术路线。这几种储能技术的额定功率如图1所示。

对锂离子电池、液流电池、压缩空气储能、抽水蓄能这几种储能技术的特性进行对比，其中，锂离子电池以磷酸铁锂电池为例，液流电池以全钒液流电池和铁铬液流电池为例进行分析，具体如表1[13]所示。需要说明的是：目前铁铬液流电池的技术尚不成熟，相关参数数值选取的是未来技术成熟后的预测值；其余储能技术的参数数值按照行业实际情况选取。

3" 张家口地区发展大容量储能技术的可行性分析

3.1" 张家口地区发展大容量储能技术的背景

《河北省张家口市可再生能源示范区发展规划》[14]指出：张家口地区应大力推广应用储能新技术，积极探索商业化储能方式，逐步降低储能成本，依托行业领军企业，在崇礼县、张北县开展大容量储能试点，为实现可再生能源全覆盖做好示范。基于此，张家口地区开展了大容量储能试点。

张家口地区储能项目背景情况：1）该地区正在策划建设以抽水蓄能为主，电化学储能和压缩空气储能为辅的千万千瓦级储能示范基地；2）按照《河北省2023年抽水蓄能开发建设推进方案》，张家口地区正在推进崇礼常峪口、怀安西坪山、蔚县九宫山、怀来官厅和赤城白河5个抽水蓄能项目；3）抽水蓄能电站正在建设中；4）铁铬液流电池、压缩空气储能等储能技术路线的示范项目已建成投运；5）锂离子电池储能作为大容量储能技术应用中发展最快的电化学储能技术，在张家口已批复的电化学储能电站中占主导地位，但目前尚无锂离子电池储能电站建成投产。

3.2" 张家口地区发展大容量储能技术的市场需求

截至2021年7月底，张家口地区风电和光伏发电的总装机容量达1858.8万kW，其中，风电装机容量为1254.5万kW、光伏发电装机容量为 604.3万kW。虽然新能源装机容量逐渐增加，但其利用率却呈下滑态势。根据冀北电网公司估算，在张家口地区已规划的新能源发电装机容量目标基础上，新能源发电装机容量每增加300万kW，即使配置20%（4 h）储能设施，新能源利用率仍下降约0.6～0.7个百分点。在北京市、天津市、河北省北部地区本地火电机组灵活性改造基础上，2022年以后张家口地区新投产的新能源发电项目需配置大容量储能设施，才能将新能源利用率提升至95%左右，张家口地区的储能市场需求巨大。

3.3" 国家对张家口可再生能源示范区的支持

为加快推进张家口地区的可再生能源示范区建设，国家发展改革委不仅印发了《张家口可再生能源示范区发展“十四五”规划》[15]，还成立了示范区建设协调推进工作组和示范区专家咨询委员会等机构。

《张家口可再生能源示范区发展“十四五”规划》[15]指出，需开展“风光储氢”“风光火储”等源网荷储一体化和多能互补的储能应用；鼓励用电大户在用户侧建设以峰谷电价差为商业模式的新型储能电站；以企业自建、共建共享等多种方式，在电网侧建设并运营安全高效的新型储能电站；做好中长期抽水蓄能电站布局，积极推动尚义抽水蓄能项目按期投产。

3.4" 张家口发展大容量储能技术的商业模式探索

抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能等储能技术在中国已经取得了长足的进步，张家口市可再生能源示范区积极探索各种储能应用模式，比如：“新能源+储能”、“火电机组+储能”等模式也在不断涌现。

风电和光伏发电项目配建储能系统的模式是解决风电和光伏发电平滑上网问题的重要手段，特别是在大型风电和光伏发电基地的运行中显得尤为重要。当风电和光伏发电因天气等因素产生波动时，通过储能系统可以平衡电网负荷，保证电力供应的稳定性。

从商业角度来看，一些企业可以选择投资或租赁储能系统的模式，通过长期的运营收益来回收投资。

目前，河北省北部地区及张家口市的各个新能源企业都在积极探索储能技术的各种商业模式，预计近期会出台储能相关政策。

4" 张家口地区的典型储能项目案例

4.1" 尚义抽水蓄能电站

位于张家口市尚义县小蒜沟镇的尚义抽水蓄能电站，是张家口市的首个抽水蓄能电站，其总装机容量为140万kW。该抽水蓄能电站建成后，将承担一系列重要任务，包括国家电网的调峰、填谷、调频、调相等，同时还将为紧急事故提供备用电源。

4.2" 张北县压缩空气储能国家示范项目

位于张家口市张北县的压缩空气储能国家示范项目是国际首套百兆瓦先进压缩空气储能国家示范项目，规模为100MW/400MWh，设计的系统效率为70.4%。该示范项目被列入中国科学院先导A专项，装机容量排名全球第1。该项目研发团队于2009年提出了超临界压缩空气储能技术，提高了压缩空气储能系统的系统效率。

4.3" 张北县大河乡的国家风光储输示范工程

张北县大河乡的国家风光储输示范工程的储能系统采用了多种技术路线，但以全钒液流电池作为其核心技术，装机容量为8 MW。该工程于2011年投产，是当时全球为数不多的长时间投运的兆瓦级全钒液流电池储能系统之一。张北县大河乡的国家风光储输示范工程工作原理如图2所示。

张北县大河乡的国家风光储输示范工程的储能系统在应用过程中表现出了性能和技术优势，为全球液流电池行业积累了宝贵的大容量液流电池储能系统运行和维护经验。

4.4" 沽源县战石沟铁铬液流电池储能示范项目

沽源县战石沟铁铬液流电池储能示范项目是国家电投集团铁铬液流电池储能技术在实战中的首次示范应用，是全国铁铬液流电池储能项目应用中的首个案例。铁铬液流电池储能系统位于沽源县战石沟光伏电站内，其现场图如图3所示。

该铁铬液流电池储能示范项目由8台具备6 h储能时长的31.25 kW“容和一号”电池堆模块构成，形成了总容量为250kW/1.5MWh的铁铬液流电池储能系统。项目利用了铁铬液流电池储能技术的突出优势，即在长时间能量存储场景中表现出色，并能有效适应高温与严寒天气带来的不良影响，具有显著的安全性能。项目于2020年投入试运行，在2022年冬奥会期间发挥了重要作用，为赛事场馆提供了超过5万kWh的清洁能源电力。

5" 张家口地区储能技术未来趋势预测

张家口地区的风光资源丰富，且临近京津电力负荷中心，随着风储、光储或风光储一体化项目的大规模投运，储能规模将大幅度增加。截至2023年底，张家口地区已建成的铁铬液流电池、全钒液流电池、压缩空气储能等储能示范项目名称及容量如表2所示。

电化学储能预计会成为张家口地区的主流储能技术路线。其中，锂离子电池储能在规划的独立储能电站（抽水蓄能电站除外）中的占比最高。张家口地区已规划或批复的不同技术路线的储能电站，如图4所示[16]。

由于抽水蓄能受地理环境因素限制，在张家口的发展会受到一定影响。随着液流电池储能、压缩空气储能等储能技术逐渐成熟、规模不断增加、成本持续下降，这些技术都将会成为新型储能的重要力量。

6" 结论

本文针对大容量储能技术的应用问题，首先对大容量储能技术的发展前景、技术要求与路线进行了简述，其次对大容量储能技术在张家口地区应用的可行性进行了分析，然后通过张家口地区的典型储能项目案例分析大容量储能技术在张家口地区的应用效果，最后对张家口地区的储能技术发展趋势进行了预测。未来，随着液流电池储能、压缩空气储能等储能技术逐渐成熟、规模不断增加、成本持续下降，这些技术都将会成为新型储能的重要力量。本研究可为大容量储能行业发展提供有益借鉴，为中国在沙漠、戈壁、荒漠建设风储、光储或风光储一体化基地提供一定的参考。

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Exploration and Practice of Large Capacity Energy Storage Technology in Zhangjiakou area

Wang Xianli

（Yongding River Investment Co.，Ltd，Beijing 100193，China）

Abstract：Firstly，the development prospects，technical requirements，and routes of large capacity energy storage technology are briefly described. Secondly，the feasibility of applying large capacity energy storage technology in Zhangjiakou area is analyzed. Then，the application effect of large capacity energy storage technology in Zhangjiakou area is analyzed through typical energy storage project cases. Finally，the development trend of energy storage technology in Zhangjiakou area is predicted. In the future，with the gradual maturity，increasing scale，and continuous cost reduction of energy storage technologies such as flow battery energy storage and compressed air energy storage，these technologies will become important forces for new energy storage. In the hope that this study can provide reference for the application of large capacity energy storage technology，and provide reference for China to build wind-storage bases，PV-storage bases or integrated wind-PV-storage bases in deserts，Gobi and other areas.

Keywords：PV power generation；wind power；energy storage technology；large capacity；electrochemical energy storage；compressed air energy storage；pumped storage