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储能技术的三类价值体现

在过去相当长一段时间，储能在电的应用技术主要是抽水蓄能，应用领域主要是移峰填谷、调频及辅助服务等。近年来，随着新能源发电技术的发展，风电、太阳能光伏发电等波动性电源接入电的规模不断扩大，以及分布式电源在配应用规模的扩大，储能及其在电的应用领域和应用技术都发生了很大变化。储能技术类型不断增多，应用范围也在扩大，本文就从储能技术的类型与应用范围谈起。

储能技术即能量存储和再利用的技术，按其基本原理分类，可分为物理储能、化学储能以及一些前沿储能技术，其中物理储能包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能等，化学储能有铅炭电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电建筑设计师通常只会斟酌结构安全的问题池、超级电容器等，液态金属电池、铝空气电池、锌空气电池等属于比较前沿的技术。不同的储能技术其特征和应用范围也有所区别。单从储能技术评价指标来看，就包括功率规模、持续时间、能量密度、功率密度、循环效率、寿命、自放电率、能量成本、功率成本、技术成熟度、环境影响等。可以说，没有一种单一储能技术可以适应所有的储能需求，应按需选择合适的储能技术或技术组合。

1、储能技术简介

1.1抽水蓄能电站

抽水蓄能使用两个不同水位的水库。谷负荷时，将下位水库中的水抽入上位水库;峰负荷时，利用反向水流发电。抽水储能电站的最大特点是储存能量大，可按任意容量建造，储存能量的释放时间可以从几小时到几天，其效率在70%—点光源—85%。

1.2压缩空气储能

压缩空气储能系统主要由两部分组成：一是充气压缩循环，二是排气膨胀循环。在夜间负荷低谷时段，电动机—发电机组作为电动机工作，驱动压缩机将空气压入空气储存库;白天负荷高峰时段，电动机—发电机组作为发电机工作，储存的压缩空气先经过回热器预热，再与燃料在燃烧室里混合燃烧后，进入膨胀系统中(如驱动燃气轮机)发电。

1.3飞轮储能系统

飞轮储能利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化邛崃成机械能储存起来，在需要时飞轮带动发电机发电。近年来，一些新技术和新材料的应用，使飞轮储能技术取得了突破性进展，例如：磁悬浮技术、真空技术、高性能永磁技术和高温超导技术的发展，极大地降低了机械轴承摩擦与风阻损耗;高强度纤维复合材料的应用，飞轮允许线速度大幅提高，大大增加了单位质量的动能储量;电力电子技术的飞速发展，使飞轮储存的能量交换更为灵活高效。因此，飞轮储能也被认为是近期最有竞争力的储能技术之一。

1.4超导磁储能系统

超导磁储能是利用超导线圈由电供电励磁而产生的磁场储存能量。超导磁储能储存的能量为E=LI2/2(其中，L为线圈的电感，I为线圈的励磁电流)。如线圈维持超导态，则线圈中所储存的能量几乎可以无损耗地永久储存下去，直到需用时再使用。

超导线圈是一个直流装置，电中的电流经整流变直流后给超导线圈充电励磁。超导线圈放电时须经逆变装置向电或负载供电。

1.5超级电容器储能

超级电容器根据电化学双电层理论研制而成，可提供强大的脉冲功率。充电时处于理想极化状态的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双电层超级电容器。其电容量极大，可存储较多的电荷。

1.6钠硫电池

钠硫电池以钠和硫分别作为负极和正极，β氧化铝陶瓷同时起隔膜和电解质的双重作用。目前研发的单体电池最大容量达到650Ah，功率120W以上，可组合后形成模块直接用于储能。钠硫电池在国外已是发展相对成熟的储能电池，实际使用寿命可达10——15a。

1.7液流电池与全钒液流电池

液流电池是正负极活性物质均为液态流体氧化还原电对的一种电池。液流电池主要包括溴化锌(ZnBr)、氯化锌(ZnCl)、多硫化钠溴(PSB)和全钒液流电池(VRB)等多种体系。其中，全钒液流电池已经成为液流电池体系的主流。

1.8锂离子电池

锂离子电池的工作原理：锂离子蓄电池的正极活性物质为锂的活性化合物组成，负极活性物质则为碳材料。锂离微调电容子电池是利用Li+在正负极材料中嵌入和脱嵌，从而完成充放电过程的反应。

使用磷酸铁锂为正极材料的锂电池由于成本优势明显，正逐步成为锂离子电池的主要发展方向。锂离子电池已成为目前世界上大多数汽车企业的首选目标和主攻方向。

2、各种储能技术比较

2.1储能技术特点和应用场合

各种储能技术的特点和应用场合见表1。

2.2主要储能技术成熟度比较

目前，大规模储能技术中只有抽水蓄能技术相对成熟。因受地理条件制约，还有一些储能方式处于试验示范阶段，距离大规模推广应用还有距离，需要在可靠性、效率、成强化产业人材会聚本、规模化和寿命等方面进行综合评估。主要储能技术成熟度如图1所示。

2.3主要储能技术的经济性比较

主要储能技术的安装成本见表2。

3、全球各储能技术市场发展情况

从全球各储能技术类型市场发育程度来看，抽水蓄能技术发展最为成熟，装机规模也最大。储热技术近十年发展很快，目前在装机量上排名第二。电化学储能则是全球发展最为迅速，增速最快，也是在运项目数最多的技术。其他机械储能增长相对比较平稳。除此之外，储氢、石墨烯储能等新技术也开始进入市场。各类型技术发展趋势详见图2。

资料来源：DOEGlobalEnergyStorageDatabase

图2 2005——2016年全球各储能技术装机情况

抽水蓄能电站的储能投资收益最高，技术成熟度也最高，是目前电力系统中最成熟、最实用的大规模储能方式。据美国能源部全球储能数据库2016年8月16日的更新数据显示，全球累计运行的抽水蓄能项目装机161.23GW(316个在运项目)，占全部装机的96%。相比于其它储能方式，抽水蓄能电站设备具有寿命长、储能规模大、转换效率高、技术成熟、运行条件简便、清洁环保等特点，因而得到了快速发展和广泛应用。随着近年来新的储能技术的不断发展，以及抽水蓄能建设的地理选址受限等因素影响，抽水蓄能装机增长逐渐趋缓。

以2011年为分界点，前5年储热装机增速最快，较2007年增加7倍，后5年化学储能则成为发展最快的技术，详见表3。

表32016年各储能技术类型增速

4、储能技术价值

总的来说，储能技术的价值可分为三种，如表4所示

具体到各市场成员来看，储能作用和价值体现在以下几个方面：

对于发电集团来说，储能可以延缓发电装机投资，改善调频调峰性能，规避市场上的极端低电价风险，典型的应用技术有抽水蓄能、压缩空气、储热、液流电池、锂电池、铅酸电池等;

对于电公司来说，储能可以延缓输电、配电设备投资，缓解局部电阻塞，提供调峰调频、电压支撑，提供紧急备用、黑启动等。典型的应用技术有抽水蓄能、压缩空气、储热、飞轮、超级电容、液流电池、锂电池、铅酸电池;

对于新能源运营商来说，储能可以减少弃水、弃风、弃光电量，改善电能质量，规避参与市场交易的偏差惩罚风险，规避市场上的极端低电价风险;典型的技术有储热配合光热发电、锂电池、铅酸电池;

对于用户和售电公司来说，可以利用峰谷价差盈利，提供调峰调频等辅助服务，与分布式光伏配置使用，规避市场上的极端高电价风险，保证稳定的电能供应，规避停电风险等。

5、智能电发展大规模储能的必要性

5.1满足可再生能源发展需要

由于风能和太阳能等新能源具有随机性、间歇性、出力变化快等特点，而且风能还具有不可预测、反调峰特性，大容量的新能源发电直接并会对电运行、控制及有功调度带来较大的影响，并问题现已成为了制约可再生能源发展的瓶颈。新能源发电设备中若配有储能装置，利用储能装置秒级甚至毫秒级的有功调节能力，可以平滑新能源的输出曲线。储能系统的有功动态调节能力使其可发挥类似发电机的对电的频率调节作用，调和电力供给与需求之间的差异。储能系统在新能源领域的另一项应用是风光储一体化发电系统，该系统可以充分利用风能和光伏在时间和地域上的天然互补性，同时配合储能系统对电能的存储和释放，改善整个风、光发电系统的功率输出特性，缓解风电、光电等可再生能源对电的不利影响，增加电对可再生能源的吸纳程度。

5.2削峰填谷，减少系统备用，提高设备利用率

电力生产要求发电、供电、用电之间必须随时保持平衡，然而白天和黑夜、不同季节间的峰谷差要求电力系统又必须配有一定的发电备用容量，随着新能源产业及社会经济的迅速发展，通过增加旋转备用来满足高峰负荷需求变得越来越困难。储能系统可以在电负荷低谷的时候作为负荷从电获取电能充电，在电负荷峰值的时候向电输送电能，实现削峰填谷功能，同时，还可以减少电对发电设备的投资，提高电力设备的使用率，减小线路损耗，提高供电可靠性，创造巨大的经济效益和社会效益。

储能系统具有响应速度快、运行成本低等特点，将比火电机组更适合充当发电备用的角色。如果将来能够建设更大容量的储能站，或者在全分散布置大量的小容量储能站，当整体储能容量达到一定规模时，就能逐步减少火电机组的旋转备用。

5.3减缓输电压力，提升配智能化水平

在我国许多地区，电力输送能力的增长远远跟不上电力需求增长的步伐，在高峰电力需求时输配电系统往往变得拥挤阻塞，影响系统正常运行。若把储能系统安装在输配电系统阻塞段的潮流下游，电能被存储在没有输配电阻塞的区段，在电力需求高峰时储能系统释放电能，从而减少输配电系统容量的要求，缓解输配电系统阻塞的情况。同时，储能系统还可以减少电力传输中的异常和干扰，解决输电稳定性阻尼和次同步谐振阻尼等问题每一个负载可以到达的负载不变，改善动态电压稳定性，以及减少系统低频时甩负荷量。

置于用户侧的储能系统，可增强系统的供电可靠性，改善用户的电能质量。随着智能电的发展，微的概念逐步得到推广。各种储能系统作为微的分布式电源之一，通过电力电子装置在秒级甚至毫秒级快速响应，可以实现微“永不断电”的目标。另一方面，小型的家庭式储能设备和区域性的微储能装置，可以通过智能表计接入到周围的大中型电中，在用电高峰时向电供电，增加了电力用户与电的互动。

5.4促进电动汽车产业发展

随着电智能化水平以及电动汽车保有量的大幅提高，电动汽车的车载电池作为可移动储能单元，丰富了电的可控资源，对智能电平衡大量不可控的可再生能源有着重要的作用。在用电低谷时，电动汽车和储能电站的电池可以从电吸纳大量富余电力，用电高峰来临时，电池的电能可以反过来被电吸收，或可以作为停电时的备用电源。把这两者有机结合在一起可以充分利用电池储能站的配套设施，可达到资源的最大利用。

5.5电应急相应的需要

在电失电的情况下，通过传感器技术和通信与信息技术进行故障快速诊断，储能电站切换至电紧急模式，储能装置向用电设备提供已储备的电能，起到应急供电的作用。

储能系统能够为用户提供备用电源，具有辅助设备简单，厂用电少，启动速度快等优点，为系统黑启动提供电源，提高供电可靠性和抵御自然灾害的能力。其移动性和灵活的特点尤其适用于地震洪水汽油机等自然灾害后的恢复。

对于一些重要负荷或者供电可靠性很差的部分地区，在发生事故失去主电源或者输配电设备检修时需要孤运行，孤容量较小，要求备用电源必须相应速度快，储能电站是最适合孤供电的备用电源。

6、全球储能发展前景展望

过去几年，电储能市场的发展不够集中。但是在未来几年，随着可再生能源的快速发展，电储能市场将迎来快速增长。据美国市场研究机构NavigantResearch研究，预计到2024年，全球储能技术收益将突破210亿美元(约合人民币1300.1亿元)。

就应用领域而言，随着技术升级持续改变电稳定性、成本效益，储能发展越来越受到可再生能源行业的欢迎。IHS预计，到2018年全球家庭光伏发电电池储能装机容量将达到900MW，其主要增长市场为德国、意大利与英国。电动汽车领军者特斯拉在2015年4月在美国内华达州建立了自己的电池工厂，预计2020年建成时，其年电池产量将达到35GWh。

就区域需求而言，由于对可再生能源并入电的需求，亚洲将占据储能领域的主导地位。目前，电池储能绝大多数被用到电输配环节，未来工业、商业、尤其是居民储能的增长速度会高过电储能。

就技术路线而言，锂离子电池是目前最具发展前景的技术。IHS预计，到2025年全球储能装置中，锂电池将会占据超过80%。不仅是美国、日本，在南非、肯尼亚、菲律宾等其他国家的电池成本也在持续下降。到2025年，澳大利亚的储能装置安装率将超过5%，成为全球蓄电池的领军。

就中国而言，其储能应用市场前景很大。根据《能源技术革命创新行动计划(2016——2030年)》，到2020年示范推广10MW/100MWh超临界压缩空气储能系统、1MW/1000MJ飞轮储能阵列机组、100MW级全钒液流电池储能系统、10MW级钠硫电池储能系统和100MW级锂离子电池储能系统等一批趋于成熟的储能技术。新一轮电力体制改革将为新能源分布式电源和储能应用打开市场。从经济性上看，储能成本会随着规模化应用而快速下降，回收期逐渐缩短，并开始逼近赢利点。在该情况下，预计到2020年我国储能市场累计装机规模将超过50GW。