大規模儲能系統現階段問(wèn)題及在電網(wǎng)中的應用前景
現有的儲能系統主要分為五類(lèi)：機械儲能、電氣儲能、電化學(xué)儲能、熱儲能和化學(xué)儲能。目前世界占比最高的是抽水蓄能，其總裝機容量規模達到了127GW，占總儲能容量的99%，其次是壓縮空氣儲能，總裝機容量為440MW，排名第三的是鈉硫電池，總容量規模為316MW。
1)機械儲能
機械儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等。
抽水蓄能：將電網(wǎng)低谷時(shí)利用過(guò)剩電力作為液態(tài)能量媒體的水從地勢低的水庫抽到地勢高的水庫，電網(wǎng)峰荷時(shí)高地勢水庫中的水回流到下水庫推動(dòng)水輪機發(fā)電機發(fā)電，效率一般為75%左右，俗稱(chēng)進(jìn)4出3，具有日調節能力，用于調峰和備用。
不足之處：選址困難，及其依賴(lài)地勢;投資周期較大，損耗較高，包括抽蓄損耗+線(xiàn)路損耗;現階段也受中國電價(jià)政策的制約，去年中國80%以上的抽蓄都曬太陽(yáng)，去年八月發(fā)改委出了個(gè)關(guān)于抽蓄電價(jià)的政策，以后可能會(huì )好些，但肯定不是儲能的發(fā)展趨勢。
壓縮空氣儲能(CAES)：壓縮空氣蓄能是利用電力系統負荷低谷時(shí)的剩余電量，由電動(dòng)機帶動(dòng)空氣壓縮機，將空氣壓入作為儲氣室的密閉大容量地下洞穴，當系統發(fā)電量不足時(shí)，將壓縮空氣經(jīng)換熱器與油或天然氣混合燃燒，導入燃氣輪機作功發(fā)電。國外研究較多，技術(shù)成熟，我國開(kāi)始稍晚，好像盧強院士對這方面研究比較多，什么冷電聯(lián)產(chǎn)之類(lèi)的。
壓縮空氣儲也有調峰功能，適合用于大規模風(fēng)場(chǎng)，因為風(fēng)能產(chǎn)生的機械功可以直接驅動(dòng)壓縮機旋轉，減少了中間轉換成電的環(huán)節，從而提高效率。
不足之處：一大缺陷在于效率較低。原因在于空氣受到壓縮時(shí)溫度會(huì )升高，空氣釋放膨脹的過(guò)程中溫度會(huì )降低。在壓縮空氣過(guò)程中一部分能量以熱能的形式散失，在膨脹之前就必須要重新加熱。通常以天然氣作為加熱空氣的熱源，這就導致蓄能效率降低。還有可以想到的不足就是需要大型儲氣裝置、一定的地質(zhì)條件和依賴(lài)燃燒化石燃料。
飛輪儲能：是利用高速旋轉的飛輪將能量以動(dòng)能的形式儲存起來(lái)。需要能量時(shí)，飛輪減速運行，將存儲的能量釋放出來(lái)。飛輪儲能其中的單項技術(shù)國內基本都有，難點(diǎn)在于根據不同的用途開(kāi)發(fā)不同功能的新產(chǎn)品，因此飛輪儲能電源是一種高技術(shù)產(chǎn)品但原始創(chuàng )新性并不足，這使得它較難獲得國家的科研經(jīng)費支持。
不足之處：能量密度不夠高、自放電率高，如停止充電，能量在幾到幾十個(gè)小時(shí)內就會(huì )自行耗盡。只適合于一些細分市場(chǎng)，比如高品質(zhì)不間斷電源等。
2)電氣儲能
超級電容器儲能：用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結構獲得超大的電容量。與利用化學(xué)反應的蓄電池不同，超級電容器的充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程。充電時(shí)間短、使用壽命長(cháng)、溫度特性好、節約能源和綠色環(huán)保。超級電容沒(méi)有太復雜的東西，就是電容充電，其余就是材料的問(wèn)題，目前研究的方向是能否做到面積很小，電容更大。超級電容器的發(fā)展還是很快的，目前石墨烯材料為基礎的新型超級電容器，非�；�。
Tesla首席執行官Elon Musk早在2011年就表示，傳統電動(dòng)汽車(chē)的電池已經(jīng)過(guò)時(shí)，未來(lái)以超級電容器為動(dòng)力系統的新型汽車(chē)將取而代之。
不足之處：和電池相比，其能量密度導致同等重量下儲能量相對較低，直接導致的就是續航能力差，依賴(lài)于新材料的誕生，比如石墨烯。
超導儲能(SMES)：利用超導體的電阻為零特性制成的儲存電能的裝置。超導儲能系統大致包括超導線(xiàn)圈、低溫系統、功率調節系統和監控系統4大部分。超導材料技術(shù)開(kāi)發(fā)是超導儲能技術(shù)的重中之重。超導材料大致可分為低溫超導材料、高溫超導材料和室溫超導材料。
不足之處：超導儲能的成本很高(材料和低溫制冷系統)，使得它的應用受到很大限制�？煽啃院徒�(jīng)濟性的制約，商業(yè)化應用還比較遠。
3)電化學(xué)儲能
鉛酸電池：是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。目前在世界上應用廣泛，循環(huán)壽命可達1000次左右，效率能達到80%-90%，性?xún)r(jià)比高，常用于電力系統的事故電源或備用電源。
不足之處：如果深度、快速大功率放電時(shí)，可用容量會(huì )下降。其特點(diǎn)是能量密度低，壽命短。鉛酸電池今年通過(guò)將具有超級活性的炭材料添加到鉛酸電池的負極板上，將其循環(huán)壽命提高很多。
鋰離子電池：是一類(lèi)由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。主要應用于便攜式的移動(dòng)設備中，其效率可達95%以上，放電時(shí)間可達數小時(shí)，循環(huán)次數可達5000次或更多，響應快速，是電池中能量最高的實(shí)用性電池，目前來(lái)說(shuō)用的最多。近年來(lái)技術(shù)也在不斷進(jìn)行升級，正負極材料也有多種應用。
市場(chǎng)上主流的動(dòng)力鋰電池分為三大類(lèi)：鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池。前者能量密度高，但是安全性稍差，后者相反，國內電動(dòng)汽車(chē)比如比亞迪，目前大多采用磷酸鐵鋰電池。
鋰硫電池也很火，是以硫元素作為正極、金屬鋰作為負極的一種電池，其理論比能量密度可達2600wh/kg，實(shí)際能量密度可達450wh/kg。但如何大幅提高該電池的充放電循環(huán)壽命、使用安全性也是很大的問(wèn)題。
不足之處：存在價(jià)格高(4元/wh)、過(guò)充導致發(fā)熱、燃燒等安全性問(wèn)題，需要進(jìn)行充電保護。
鈉硫電池：是一種以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的二次電池。循環(huán)周期可達到4500次，放電時(shí)間6-7小時(shí)，周期往返效率75%，能量密度高，響應時(shí)間快。目前在日本、德國、法國、美國等地已建有200多處此類(lèi)儲能電站，主要用于負荷調平，移峰和改善電能質(zhì)量。
不足之處：因為使用液態(tài)鈉，運行于高溫下，容易燃燒。而且萬(wàn)一電網(wǎng)沒(méi)電了，還需要柴油發(fā)電機幫助維持高溫，或者幫助滿(mǎn)足電池降溫的條件。
液流電池：利用正負極電解液分開(kāi)，各自循環(huán)的一種高性能蓄電池。電池的功率和能量是不相關(guān)的，儲存的能量取決于儲存罐的大小，因而可以?xún)Υ骈L(cháng)達數小時(shí)至數天的能量，容量可達MW級。這個(gè)電池有多個(gè)體系，如鐵鉻體系，鋅溴體系、多硫化鈉溴體系以及全釩體系，其中釩電池最火吧。
不足之處：電池體積太大;電池對環(huán)境溫度要求太高;價(jià)格貴;系統復雜。
電池儲能都存在或多或少的環(huán)保問(wèn)題。
4)熱儲能
熱儲能：熱儲能系統中，熱能被儲存在隔熱容器的媒介中，需要的時(shí)候轉化回電能，也可直接利用而不再轉化回電能。熱儲能又分為顯熱儲能和潛熱儲能。熱儲能儲存的熱量可以很大，所以可利用在可再生能源發(fā)電上。
不足之處：熱儲能要各種高溫化學(xué)熱工質(zhì)，用用場(chǎng)合比較受限。
5)化學(xué)類(lèi)儲能
化學(xué)類(lèi)儲能：利用氫或合成天然氣作為二次能源的載體，利用多余的電制氫，可以直接用氫作為能量的載體，也可以將其與二氧化碳反應成為合成天然氣(甲烷)，氫或者合成天然氣除了可用于發(fā)電外，還有其他利用方式如交通等。德國熱衷于推動(dòng)此技術(shù)，并有示范項目投入運行。
不足之處：全周期效率較低，制氫效率僅40%，合成天然氣的效率不到35%。
引用個(gè)前人的總結：
PHS- 抽水蓄能;CAES-壓縮空氣;Lead-Acid:鉛酸電池;NiCd:鎳鎘電池;NaS:鈉硫電池;ZEBRA:鎳氯電池;Li-ion:鋰電池;Fuelcell:燃料電池;Metal-air:金屬空氣電池;VRB:液流電池;ZnbBr:液流電池;PSB:液流電池;SolarFuel: 太陽(yáng)能燃料電池;SMES:超導儲能;Flywheel:飛輪;Capacitor/Supercapcitor:電容/超級電容;AL-TES:水/冰儲熱/冷系統;CES:低溫儲能系統;HT-TES：儲熱系統。
總體來(lái)說(shuō)，目前研究發(fā)展主要還是集中于超級電容和電池(鋰電池、液流電池)上。材料領(lǐng)域的突破才是關(guān)鍵。
可靠?jì)δ芎蟮碾娋W(wǎng)會(huì )是什么樣
1)支撐實(shí)現能源互聯(lián)網(wǎng)，智能電網(wǎng)。
儲能是智能電網(wǎng)實(shí)現能量雙向互動(dòng)的重要設備。沒(méi)有儲能，完整的智能電網(wǎng)無(wú)從談起。
2)利用儲能技術(shù)面對新能源考驗
主要就是平抑、穩定風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇式可再生能源發(fā)電的輸出功率，提高電網(wǎng)接納間歇式可再生能源能力。
3)減小峰谷差，提高設備利用率
電網(wǎng)企業(yè)在調峰和供電壓力得到緩解的同時(shí)，可獲取更多的高峰負荷收益。
4)提高電網(wǎng)安全可靠性和電能質(zhì)量
提供應急電源;減少因各種暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題造成的損失。
| 【上一個(gè)】 “十三五”電力規劃分析：未來(lái)五年我們需要多少電？ | 【下一個(gè)】 未來(lái)十年中國電力裝備如何發(fā)展 |
| ^ 大規模儲能系統現階段問(wèn)題及在電網(wǎng)中的應用前景 |