储能前沿技术的发展概况

来源:经济预测部   作者:胡祖铨   时间:2017-06-28

随着风能、太阳能等可再生能源和智能电网的迅速崛起,储能技术成为万众瞩目的焦点。大规模储能技术被认为是支撑可再生能源普及的战略性技术,得到各国政府和企业界的高度关注。“十三五”时期,我国将推动能源发展革命,以可再生能源逐步替代化石能源,实现可再生能源和核能等清洁能源在一次能源生产和消费中占更大份额,建立可持续发展的能源系统。在这个过程中,储能将扮演着很重要的角色,甚至是带来颠覆性的影响。

一、储能及其重要性

储能是指通过物理或化学手段将电、热等形式的能量储存起来,在出现用能需求时释放的过程。储能是决定未来能源大格局的关键技术,不仅对常规电网具有调峰调频、增强电网安全稳定运行的能力,也是实现可再生能源平滑波动、促进可再生能源大规模消纳和接入的重要手段。同时,储能更是分布式能源系统和智能电网系统的重要组成部分,在能源互联网中具有重要作用。

首先,储能技术是实现可再生能源普及应用的关键。风能、太阳能和海洋能等可再生能源发电受季节、气象和地域条件的影响,具有明显的不连续性和不稳定性。发出的电力波动较大,可调节性差。当电网接入的风电、光电等发电容量过多时,电网的稳定性将受到影响。目前,可再生能源发电的大规模电网接入是制约其发展的瓶颈。配套大规模高效储能装置,可以解决发电与用电的时差矛盾及间歇式可再生能源发电直接并网对电网冲击,调节电能品质。同时,储能技术在离网的可再生能源发电应用中具有不可或缺的重要作用。

其次,储能技术是构建坚强智能电网的重要环节。智能电网技术是提高电力系统安全性、稳定性、可靠性和电力质量的重要技术。储能技术作为提高智能电网对可再生能源发电兼容量的重要手段和实现智能电网能量双向互动的中枢和纽带,是智能电网建设中的关键技术之一。

再次,储能技术可用于高耗能企业和重要部门的备用电源。电解、电镀及冶金等行业,电车、轻轨和地铁等交通部门,都是集中用电大户。使用储能电池用“谷电”对储能系统充电,在高峰期应用于生产、运营,电能的利用效率高,不仅可以减轻电网负担,还可以降低运营成本。此外,高效储能系统还可以用作政府、医院、军事指挥部等重要部门的备用电站,在非常时期保证稳定、及时的应急电力供应。

二、主要的储能技术

储能技术按照储存介质进行分类,可以分为机械类储能、电气类储能、电化学类储能、热储能和化学类储能。

(一)机械类储能

机械类储能的形式主要有抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能。

抽水蓄能。其基本原理是,在电网低谷时利用过剩电力将作为液态能量媒体的水从低位水库抽到高位水库,电网峰荷时将高位水库中的水回流到低位水库,并推动水轮发电机发电。抽水蓄能属于大规模、集中式能量储存,技术相当成熟,可用于电网的能量管理和调峰;效率一般约为65%~75%,最高可达80%~85%;具有日调节能力,适合于配合核电站、大规模风力发电、超大规模太阳能光伏发电。但是,抽水蓄能也存在一些缺点,比如厂址的选择依赖地理条件,有一定的难度和局限性;与用电负荷中心有一定距离,需要长距离输电。

飞轮储能。其基本原理是,在一个飞轮储能系统中,电能将一个放在真空外壳内的转子加速到几万转/分钟,从而将电能以动能形式储存起来,存在形式是大转轮所储存的惯性能量。飞轮储能具有寿命长(15~30年)、效率高(90%)、稳定性好、功率密度较高、以及响应速度快(毫秒级)等优点。但也存在着一些缺点,比如能量密度低,只可持续几秒至几分钟;又如,由于轴承的磨损和空气的阻力,具有一定的自放电现象。飞轮储能多用于工业和不间断电源中,适用于配电系统运行,维持系统的短时间频率稳定,保证电能质量。

压缩空气储能。其基本原理是,采用空气作为能量的载体,利用过剩电力将空气压缩并储存在一个地下的结构(如地下洞穴),当需要时再将压缩空气与天然气混合,燃烧膨胀以推动燃气轮机发电。压缩空气储能具有调峰功能,适合用于大规模风场,因为风能产生的机械功可以直接驱动压缩机旋转,减少了中间转换成电的环节,从而提高效率。压缩空气储能也存在着一些缺点,比如需要大的洞穴以存储压缩空气,与地理条件密切相关,选址地点非常有限;需要燃气轮机配合,并要一定量的燃气作燃料,适合于用作能量管理、负荷调平和削峰;效率相对较低,通常低于50%。目前只有德国和美国有投运的压缩空气储能站,不过近年来压缩空气储能的研究和开发热度在不断上升,中国的国家电网公司已立项研究10MW压缩空气储能。

(二)电气类储能

电气类储能的形式主要有超级电容器储能和超导储能。

超级电容器储能。又称双电层电容器储能,是根据电化学双电层理论研制而成的,两电荷层的距离非常小(0.5mm以下),采用特殊电极结构,使电极表面积成万倍的增加,从而产生极大的电容量。超级电容器储能将电能直接储存在电场中,无能量形式转换,充放电时间快,适合用于改善电能质量。由于能量密度较低,一般与其他储能手段联合使用。超级电容器储能具有长寿命、循环次数多,充放电时间快、响应速度快,效率高,少维护、无旋转部件,运行温度范围广,环境友好等优点。但是,其能量密度低导致同等重量下储能量相对较低,续航能力差。超级电容器储能的发展依赖于新材料的诞生,比如被誉为“新材料之王”的石墨烯。

超导储能。超导储能系统是由用超导材料制成的、放在低温容器中的线圈,功率调节系统和低温制冷系统等组成。能量以超导线圈中循环流动的直流电流方式储存在磁场中。由于直接将电能储存在磁场中,并无能量形式转换,能量的充放电非常快(几毫秒至几十毫秒),功率密度很高。但是,超导储能也存在一些缺点,比如超导材料价格昂贵;维持低温制冷运行需要大量能量;能量密度低,只能维持秒级。超导储能适合用于提高电能质量,增加系统阻尼,改善系统稳定性能,特别是用于抑制低频功率振荡。但是由于其价格昂贵和维护复杂,在电网中应用很少,大多是试验性的,离商业化应用还比较远。

(三)电化学类储能

电化学类储能主要包括各种二次电池(充电电池或蓄电池),有铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池等。蓄电池储能是目前微网中应用最广泛、最有前途的储能方式之一。蓄电池储能可以解决系统高峰负荷时的电能需求,也可用蓄电池储能来协助无功补偿装置,有利于抑制电压波动和闪变。但是,蓄电池对充电电压、充电电流比较敏感,要求充电器具有稳压限压、稳流限流的功能。如果过度充电或短路容易爆炸,在安全方面稍逊于其他储能方式。另外蓄电池中使用了铅等有害金属,回收不当容易造成环境污染。

铅酸电池。铅酸电池的电极主要由铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液。目前在世界上应用广泛,循环寿命可达1000次左右,效率可达到80%-90%,性价比高,常用于电力系统的事故电源或备用电源。

锂离子电池。锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池,正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构成。主要应用于便携式的移动设备中,其效率可达95%以上,放电时间可达数小时,循环次数可达5000次或更多,响应快速,是电池中能量最高的实用性电池。

钠硫电池。钠硫电池是以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。循环周期可达到4500次,放电时间6-7小时,周期往返效率75%,能量密度高,响应时间快。目前在日本、德国、法国、美国等地已建有200多处此类储能电站,主要用于负荷调平,移峰和改善电能质量。

液流电池。液流电池是正负极电解液分开,各自循环的一种高性能蓄电池。在液流电池中,能量储存在溶解于液态电解质的电活性物种中,而液态电解质储存在电池外部的罐中,用泵将储存在罐中的电解质打入电池堆栈,并通过电极和薄膜,将电能转化为化学能,或将化学能转化为电能。目前全钒液流电池技术已经比较成熟,循环周期可超过10000次以上。

(四)热储能

热储能的基本原理是,在一个热储能系统中,热能被储存在隔热容器的媒质中,以后需要时可以被转化回电能,也可直接利用而不再转化回电能。热储能有许多不同的技术,可进一步分为显热储存和潜热储存等。显热储存方式中,用于储热的媒质可以是液态的水,热水可直接使用,也可用于房间的取暖等,运行中热水的温度是有变化的。而潜热储存是通过相变材料来完成的,该相变材料即为储存热能的媒质。热储能的缺点在于需要各种高温化学热工质,应用场合比较受限。由于热储能储存的热量可以很大,所以在可再生能源发电的利用上会有一定的作用。熔融盐常常作为一种相变材料,用于集热式太阳能热发电站中。

(五)化学类储能

化学类储能主要是利用氢或合成天然气作为二次能源的载体。其基本原理是利用待弃掉的风电制氢,通过电解水,将水分解为氢气和氧气,从而获得氢。除用氢作为能量载体外,也可以将氢与二氧化碳反应成为合成天然气(甲烷),以合成天然气作为二次能量载体。使用氢或者天然气作为能量载体的优点主要有储存的能量很大,可达太千瓦级;储存的时间也很长,可达几个月;另外氢和合成天然气除了可用于发电外,还可有其他利用方式,如交通等。但是,化学类储能的全周期效率较低,制氢效率只有70%左右,而制合成天然气的效率60-65%,从发电到用电的全周期效率更低,只有30%-40%。德国热衷于推动化学类储能技术,已有示范项目在德国投入运行。

三、储能前沿技术的发展情况

目前,最为经济的储能技术是抽水蓄能和压缩空气储能,在大规模可再生能源中具有明显的成本优势,短期内还将得到更为广泛的应用。电池储能目前仍然不具有经济性,且成本难以下降到抽水蓄能的水平,短期内难以成为主要的储能技术进行大规模应用。电池储能虽然在成本上不具优势,但其布置灵活和响应迅速的优势是抽水蓄能无法具备的。因此,应根据需求综合应用各类储能技术,充分发挥优点,优化布置储能系统,最大限度地发挥储能系统的经济性。

根据目前储能技术应用的成熟度,可以将储能技术从3级到0级分为四个不同层次:

3级:已经商业化的技术。如抽水蓄能、铅酸电池储能等。

2级:进入示范阶段或已部分商业化的技术。包括压缩空气储能、锂离子电池、钠基电池、铅碳电池、全钒液流电池、锌溴液流电池、超导储能、飞轮储能、超级电容器、储热/冷、熔融盐储热等。这些技术均已完成研发并开始产业示范。对于能量密度较低但功率密度较高的超导储能、飞轮储能、超级电容器,在电网用先进大容量储能方面可以起到辅助作用,配合其它能量型储能技术使用。

1级:技术原理通过验证但尚处于实验室研发阶段的技术。例如锂液流电池、锂浆料电池、金属基电池等新型储能电池。此类新型储能技术在研发之初就立足于低成本、长寿命、大容量的技术要求,起点较高,发展十分迅速,具有较大的商业潜力。

0级:新概念储能技术。未来会出现的一些新型储能技术,其技术原理尚未得到验证,属于原创技术,应该予以高度关注。

在上述技术分类中,3级和2级特别需要相关价格政策的支持,1级和0级需要科研立项支持技术创新。因此,一方面,政府相关部门需要出台支持储能产业可持续发展的价格政策,促进现有相对成熟的一些储能装备技术进入WM级以上的示范和商业应用,在示范中发现及解决一些应用技术问题,并带动储能商业模式的创新和商业项目的实施推广;另一方面,必须高度重视储能技术的原始创新和知识产权布局,积极开发低成本、长寿命、高安全、易回收的新型储能技术,为储能产业的可持续发展及能源转型提供重要的技术支撑。



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