大規(guī)模儲能技術前景

多個國家都在支持開發(fā)合適本國能源特點的儲能技術，開展儲能經(jīng)濟性研究，促進儲能商業(yè)化和市場化發(fā)展

儲能是指通過介質或設備把能量存儲起來、在需要時再釋放的過程。廣義的儲能包括煤、石油、天然氣等化石能源以及電力、熱、氫、成品油等二次能源的存儲。狹義的儲能一般指儲電和儲熱。18世紀末期，隨著第一塊電池“伏特電堆”的出現(xiàn)，人們第一次把儲能與“電”聯(lián)系到了一起。19世紀的鉛酸電池揭開了工業(yè)儲能的序幕。進入20世紀后，伴隨著電力行業(yè)的發(fā)展、消費電子產(chǎn)品的普及、可再生能源的大規(guī)模應用，各種新型儲能技術層出不窮，其應用也逐漸向大型化和能源工業(yè)發(fā)展。

儲能技術的應用領域廣泛，包括電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻及系統(tǒng)備用，可再生能源發(fā)電出力平滑，分布式發(fā)電和微電網(wǎng)，工礦企業(yè)、商業(yè)中心等大型負荷中心應急電源，無電地區(qū)和通訊基站供電，電動汽車等場合。特別在近年來在智能電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電規(guī)?？焖侔l(fā)展的帶動下，儲能技術越來越成為多個國家能源科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)支持的焦點。

我國的儲能產(chǎn)業(yè)雖然起步較晚，但在政府的支持下，近幾年的發(fā)展速度也令人矚目。為發(fā)展分布式發(fā)電和促進可再生能源利用，我國強調(diào)儲能在分布式電源和微電網(wǎng)建設以及分布式可再生能源發(fā)電自發(fā)自用中的作用，并通過建設風光儲等示范項目，探索提高間歇性能源并網(wǎng)的途徑。儲能技術的規(guī)?；瘧靡矎膫鹘y(tǒng)的抽水蓄能逐漸向可再生能源并網(wǎng)、電動汽車等新興領域延伸。

大規(guī)模儲能技術應用潛力

儲能技術可分為物理儲能、化學儲能、電磁儲能及相變儲能4大類。物理儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣和飛輪儲能?；瘜W儲能主要包括鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池和鈉硫電池等電池儲能技術。電磁儲能包括超導儲能和超級電容儲能。相變儲能主要指通過利用水等相變材料將電能轉變?yōu)闊岬膬δ芊绞健８鶕?jù)各種應用場合對儲能功率和儲能容量的不同要求，各種儲能技術都有其適宜的應用領域?？偟貋砜矗m合于大規(guī)模儲能的技術主要有抽水蓄能、壓縮空氣和鈉硫電池技術。近幾年來，隨著鋰離子電池技術的快速進步，鋰離子電池逐步向用于分散儲能及規(guī)模儲能領域滲透。

物理儲能

抽水蓄能(Hydro Pump Energy Storage)是目前唯一成熟的大規(guī)模儲能方式，也是目前經(jīng)濟最優(yōu)的儲能方式。抽水蓄能電站在電力負荷低谷期將水從低水位水庫抽到高水位水庫，將電能轉化成重力勢能儲存起來，在電網(wǎng)負荷高峰期通過釋放高水位水庫中的水來發(fā)電。由于抽水蓄能具有單位儲電成本低、調(diào)節(jié)能力強、運行壽命長等特點，目前被廣泛應用于電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和應急備用等領域。然而，抽水儲能電站的選址受到地理因素和水資源的制約，項目建設工期長，并伴有移民及生態(tài)破壞等問題，影響了其進一步大規(guī)模應用。

壓縮空氣儲能(Compressed Air Energy Storage)是在電力負荷較低時，通過吸收電網(wǎng)中富余的電能來進行空氣壓縮，并將其存儲在高壓容器(如巖洞、深井)中，在負荷高峰時對其釋放驅以動燃氣輪機發(fā)電。壓縮空氣儲能周期長，效率高，單位投資成本較低。但壓縮空氣儲能需要同燃氣輪機配套使用。此外，壓縮空氣與抽水蓄能類似，對地理條件的要求較高。

飛輪儲能(Flywheel Energy Storage)是一種利用高速旋轉的飛輪存儲能量的儲能技術。典型的飛輪儲能裝置包括高速旋轉飛輪、封閉殼體和軸承系統(tǒng)、電源轉換和控制系統(tǒng)等。飛輪儲能功率密度高，能量轉換率高，但大型飛輪儲能系統(tǒng)所需的高速低損耗軸承、散熱及真空技術仍有待提高。

電磁儲能

超導儲能(Superconducting Magnetic Energy Storage)利用超導線圈將電力通過勵磁轉化為磁場能存儲，需要時再反輸電網(wǎng)。超導儲能的優(yōu)點包括能量轉化率高、響應速度快等。但超導儲能成本高，能量密度低，且運行穩(wěn)定性和安全性仍有待提高。

超級電容(Super Capacitor Energy Storage)通過雙層電極將電解液中異性離子吸附于極板表面，從而形成雙電層電容。由于電荷層間距非常小(5mm以下)，且極板由特殊材料制成以增加其表面積，從而大幅增加了其儲電能力。超級電容結構簡單，過充、過放性能好，但能量密度低，充放電存在一定的效率損失，且設備成本高。電磁儲能主要應用在UPS、電能質量調(diào)節(jié)、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性等靈活響應要求高、充放電頻繁的領域。

化學儲能

化學儲能，即電池儲能，主要通過電池正負極的氧化還原反應來進行充放電。電池系統(tǒng)通常由電池、交直流逆變器及控制輔助裝置組成，目前在小型分布式發(fā)電系統(tǒng)中應用廣泛。

作為技術相對成熟的化學儲能技術，鉛酸電池(Lead Acid Battery)具有價格低廉、可靠性高等優(yōu)點，被廣泛應用于車用電池、分布式發(fā)電及微電網(wǎng)系統(tǒng)。然而，目前鉛酸電池的發(fā)展受到循環(huán)壽命短、不可深度放電、運行和維護費用高和失效后的回收難題，使得鉛酸電池在電網(wǎng)級規(guī)模儲能領域仍然頗具爭議。

鈉硫電池(Sodium Sulfur Battery)以鈉和硫分別用作陽極和陰極。氧化鋁陶瓷同時起隔膜和電解質的雙重作用。在一定的工作溫度下，鈉離子透過電解質隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應，形成能量的釋放和儲存。鈉硫電池最大的特點是：比能量密度高，是鉛酸電池的3-4倍;可大電流、高功率放電;充放電效率高，硫和鈉的原料資源儲量豐富，便于電池的量化生產(chǎn)。鈉硫電池的不足之處在于其運行溫度高達300℃-350℃，需要附加供熱設備來維持溫度，且其正、負極活性物質的強腐蝕性，對電池材料、電池結構及運行條件的要求苛刻。此外，由于鈉硫電池僅在高溫下運行，造成啟動時間很長，這在一定程度上制約了其在風電、光伏等間歇性能源發(fā)電并網(wǎng)領域的應用。

液流電池(Redox Flow Battery)是電池的正負極或某一極活性物質為液態(tài)流體氧化還原電對的一種電池。根據(jù)活性物質不同，主要的液流電池種類包括鋅溴電池、多硫化鈉/溴電池及全釩液流電池3種，其中全釩液流電池被認為是較具應用前景的液流儲能電池技術。全釩液流儲能電池具有循環(huán)壽命長、蓄電容量大、能量轉換效率高、選址自由、可深度放電、系統(tǒng)設計靈活、安全環(huán)保、維護費用低等優(yōu)點。在輸出功率為數(shù)千瓦至數(shù)十兆瓦，儲能容量數(shù)小時以上級的規(guī)?；潭▋δ軋龊?，液流電池儲能具有明顯優(yōu)勢，是可再生能源大規(guī)模儲能的理想方式。液流電池的主要缺點為能量密度及功率密度較低，且成本較高。液流電池的大規(guī)模應用依賴批量化生產(chǎn)技術開發(fā)，通過進一步降低成本、提升性能滿足液流電池商業(yè)化的需要。

鋰離子電池(Lithium-ion Battery)分為液態(tài)鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)兩類。液態(tài)鋰離子電池是指鋰離子嵌入化合物為正、負極的二次電池。電池正極采用鋰化合物，如鈷酸鋰(LiCoO2)或錳酸鋰(LiMn2O4)等，負極采用鋰—碳層間化合物。鋰離子電池具有比能量和能量密度高、額定電壓高、放電功率高、產(chǎn)業(yè)基礎好等優(yōu)點。但鋰離子電池耐過充/放電性能差，組合及保護電路復雜，電池充電狀態(tài)很難精確測量。此外，鋰電池成本相對于鉛酸電池等傳統(tǒng)蓄電池偏高，單體電池一致性及安全性仍無法完全滿足目前電力系統(tǒng)大規(guī)模儲能的需要。

商業(yè)化政策支持

從歐美日實施的儲能項目和發(fā)展規(guī)劃來看，多個國家都將支持開發(fā)合適本國能源特點的儲能技術，通過示范項目累計實際經(jīng)驗，推動儲能產(chǎn)業(yè)的技術創(chuàng)新、研發(fā)和應用，并以此為基礎開展儲能經(jīng)濟性研究，促進儲能商業(yè)化和市場化發(fā)展。

美國的儲能政策設計較為全面，其對儲能的

支持政策包括儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(如《美國能源部2011-2015儲能計劃》)、儲能示范項目財政支持(如《聯(lián)邦政府復興與再投資法》、儲能電價支持(如《聯(lián)邦能源管理委員會第745號令-電力批發(fā)市場中對需求響應進行補償》)、儲能系統(tǒng)安裝稅收減免(如《美國加州自發(fā)電激勵政策(SGIP-CA)》)和儲能系統(tǒng)配制比例標準(如《聯(lián)邦能源管理委員會第719號令》)5個方面。此外，美國聯(lián)邦政府不斷通過立法強化能源稅收減免激勵制度和可再生能源配額制(RPS)以保障可再生能源的健康發(fā)展，同時儲能技術作為實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模應用的關鍵技術受到更多的關注，特別是在加州、夏威夷等可再生能源應用規(guī)模較大的地區(qū)，儲能系統(tǒng)已經(jīng)成為重要的可再生能源發(fā)電的配套設施。奧巴馬的經(jīng)濟激勵法案中，美國能源部安排了28億美元支持汽車用電池和電動汽車研究開發(fā)。美國政府制定的儲能政策具有連續(xù)性，早期對儲能的支持源于能源政策且重點在于支持儲能技術的研發(fā)，隨后與新能源政策緊密相連且在技術研發(fā)和促進示范應用兩方面并重。未來美國的儲能政策也將把繼續(xù)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)運行作為支持的重心。

德國一直以來強調(diào)新能源與可再生能源的發(fā)展。特別在日本福島核電事故后，德國提出了無核化要求?？稍偕茉从捎谇鍧嵑蛯ν庖蕾嚦潭鹊偷忍匦裕蔀榱颂娲穗姷氖走x。德國制定的目標是到2020年實現(xiàn)可再生能源發(fā)電占比達35%，2050年達到100%。宏大的可再生能源發(fā)電目標為儲能技術的應用提供了廣闊平臺。今年5月1日，德國復興銀行(KFW)聯(lián)合德國聯(lián)邦環(huán)境、自然保護和核反應堆安全部(BMU)支持分布式光伏儲能的新政生效，政策針對小于30kW的光伏設施，給予新安裝光伏發(fā)電同步建設的儲能設施最高不超過600歐元的補貼，既有光伏發(fā)電加裝儲能設施給予每千瓦最高不超過660歐元的補貼，成為全球分布式可再生能源發(fā)電儲能補貼的先行者。

日本能源資源匱乏，較早開始有計劃地推進儲能技術的開發(fā)。在福島事故后日本產(chǎn)經(jīng)省先后出臺了《革新的能源及環(huán)境戰(zhàn)略》《電力事業(yè)主體進行可再生能源電力調(diào)節(jié)的特別措施法》等文件，明確了將要大力發(fā)展分布式及可再生能源發(fā)電，支持蓄電池、燃料電池等儲能技術研發(fā)，并給予安裝家用儲能系統(tǒng)的住戶、企業(yè)一定的資金支持。日本的儲能政策具有前瞻性、高效性的特點。日本政府相繼出臺了儲能技術研發(fā)資金支持、儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和儲能電價支持。此外，日本政府對可再生能源、分布式發(fā)展規(guī)劃也間接扶持了儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

我國近年來大力發(fā)展可再生能源和分布式發(fā)電，鼓勵新能源電源并網(wǎng)。近期我國以建設儲能示范項目為依托，檢驗儲能技術對可再生能源發(fā)電并網(wǎng)、電力系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰及電力系統(tǒng)備用的效果。相關科技發(fā)展規(guī)劃則專注于儲能材料和儲能技術在分布式、可再生能源發(fā)電項目中的系統(tǒng)集成技術。在我國現(xiàn)行的能源政策和電力市場框架下，近期的儲能扶持政策仍將主要圍繞在智能電網(wǎng)、可再生能源發(fā)電、分布式發(fā)電及微電網(wǎng)、農(nóng)村電網(wǎng)升級改造及電動汽車領域。我國現(xiàn)行的上網(wǎng)端峰谷電價對儲能發(fā)展的激勵作用有限，而大工業(yè)用戶的兩部制電價鼓勵用戶錯峰用電的電力管理需求，一定程度上激勵了儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。