大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)現(xiàn)階段問(wèn)題及在電網(wǎng)中的應(yīng)用前景
現(xiàn)有的儲(chǔ)能系統(tǒng)主要分為五類：機(jī)械儲(chǔ)能、電氣儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能。目前世界占比最高的是抽水蓄能，其總裝機(jī)容量規(guī)模達(dá)到了127GW，占總儲(chǔ)能容量的99%，其次是壓縮空氣儲(chǔ)能，總裝機(jī)容量為440MW，排名第三的是鈉硫電池，總?cè)萘恳?guī)模為316MW。
1)機(jī)械儲(chǔ)能
機(jī)械儲(chǔ)能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)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(shì)低的水庫(kù)抽到地勢(shì)高的水庫(kù)，電網(wǎng)峰荷時(shí)高地勢(shì)水庫(kù)中的水回流到下水庫(kù)推動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電，效率一般為75%左右，俗稱進(jìn)4出3，具有日調(diào)節(jié)能力，用于調(diào)峰和備用。
不足之處：選址困難，及其依賴地勢(shì);投資周期較大，損耗較高，包括抽蓄損耗+線路損耗;現(xiàn)階段也受中國(guó)電價(jià)政策的制約，去年中國(guó)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(chǔ)能的發(fā)展趨勢(shì)。
壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)：壓縮空氣蓄能是利用電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)的剩余電量，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)，將空氣壓入作為儲(chǔ)氣室的密閉大容量地下洞穴，當(dāng)系統(tǒng)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(dǎo)入燃?xì)廨啓C(jī)作功發(fā)電。國(guó)外研究較多，技術(shù)成熟，我國(guó)開(kāi)始稍晚，好像盧強(qiáng)院士對(duì)這方面研究比較多，什么冷電聯(lián)產(chǎn)之類的。
壓縮空氣儲(chǔ)也有調(diào)峰功能，適合用于大規(guī)模風(fēng)場(chǎng)，因?yàn)轱L(fēng)能產(chǎn)生的機(jī)械功可以直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)，減少了中間轉(zhuǎn)換成電的環(huán)節(jié)，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(dǎo)致蓄能效率降低。還有可以想到的不足就是需要大型儲(chǔ)氣裝置、一定的地質(zhì)條件和依賴燃燒化石燃料。
飛輪儲(chǔ)能：是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)。需要能量時(shí)，飛輪減速運(yùn)行，將存儲(chǔ)的能量釋放出來(lái)。飛輪儲(chǔ)能其中的單項(xiàng)技術(shù)國(guó)內(nèi)基本都有，難點(diǎn)在于根據(jù)不同的用途開(kāi)發(fā)不同功能的新產(chǎn)品，因此飛輪儲(chǔ)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(guó)家的科研經(jīng)費(fèi)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(nèi)就會(huì)自行耗盡。只適合于一些細(xì)分市場(chǎng)，比如高品質(zhì)不間斷電源等。
2)電氣儲(chǔ)能
超級(jí)電容器儲(chǔ)能：用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的電容量。與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池不同，超級(jí)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(zhǎng)、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保。超級(jí)電容沒(méi)有太復(fù)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(jí)電容器的發(fā)展還是很快的，目前石墨烯材料為基礎(chǔ)的新型超級(jí)電容器，非�；�。
Tesla首席執(zhí)行官Elon Musk早在2011年就表示，傳統(tǒng)電動(dòng)汽車的電池已經(jīng)過(guò)時(shí)，未來(lái)以超級(jí)電容器為動(dòng)力系統(tǒng)的新型汽車將取而代之。
不足之處：和電池相比，其能量密度導(dǎo)致同等重量下儲(chǔ)能量相對(duì)較低，直接導(dǎo)致的就是續(xù)航能力差，依賴于新材料的誕生，比如石墨烯。
超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES)：利用超導(dǎo)體的電阻為零特性制成的儲(chǔ)存電能的裝置。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)大致包括超導(dǎo)線圈、低溫系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)4大部分。超導(dǎo)材料技術(shù)開(kāi)發(fā)是超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的重中之重。超導(dǎo)材料大致可分為低溫超導(dǎo)材料、高溫超導(dǎo)材料和室溫超導(dǎo)材料。
不足之處：超導(dǎo)儲(chǔ)能的成本很高(材料和低溫制冷系統(tǒng))，使得它的應(yīng)用受到很大限制。可靠性和經(jīng)濟(jì)性的制約，商業(yè)化應(yīng)用還比較遠(yuǎn)。
3)電化學(xué)儲(chǔ)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(yīng)用廣泛，循環(huán)壽命可達(dá)1000次左右，效率能達(dá)到80%-90%，性價(jià)比高，常用于電力系統(tǒng)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(jí)活性的炭材料添加到鉛酸電池的負(fù)極板上，將其循環(huán)壽命提高很多。
鋰離子電池：是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。主要應(yīng)用于便攜式的移動(dòng)設(shè)備中，其效率可達(dá)95%以上，放電時(shí)間可達(dá)數(shù)小時(shí)，循環(huán)次數(shù)可達(dá)5000次或更多，響應(yīng)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(jí)，正負(fù)極材料也有多種應(yīng)用。
市場(chǎng)上主流的動(dòng)力鋰電池分為三大類：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(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車比如比亞迪，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(fù)極的一種電池，其理論比能量密度可達(dá)2600wh/kg，實(shí)際能量密度可達(dá)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(dǎo)致發(fā)熱、燃燒等安全性問(wèn)題，需要進(jìn)行充電保護(hù)。
鈉硫電池：是一種以金屬鈉為負(fù)極、硫?yàn)檎龢O、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的二次電池。循環(huán)周期可達(dá)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(yīng)時(shí)間快。目前在日本、德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)等地已建有200多處此類儲(chǔ)能電站，主要用于負(fù)荷調(diào)平，移峰和改善電能質(zhì)量。
不足之處：因?yàn)槭褂靡簯B(tài)鈉，運(yùn)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(jī)幫助維持高溫，或者幫助滿足電池降溫的條件。
液流電池：利用正負(fù)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(chǔ)存的能量取決于儲(chǔ)存罐的大小，因而可以儲(chǔ)存長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)至數(shù)天的能量，容量可達(dá)MW級(jí)。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(duì)環(huán)境溫度要求太高;價(jià)格貴;系統(tǒng)復(fù)雜。
電池儲(chǔ)能都存在或多或少的環(huán)保問(wèn)題。
4)熱儲(chǔ)能
熱儲(chǔ)能：熱儲(chǔ)能系統(tǒng)中，熱能被儲(chǔ)存在隔熱容器的媒介中，需要的時(shí)候轉(zhuǎn)化回電能，也可直接利用而不再轉(zhuǎn)化回電能。熱儲(chǔ)能又分為顯熱儲(chǔ)能和潛熱儲(chǔ)能。熱儲(chǔ)能儲(chǔ)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(chǔ)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)類儲(chǔ)能
化學(xué)類儲(chǔ)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(yīng)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(guó)熱衷于推動(dòng)此技術(shù)，并有示范項(xiàng)目投入運(yùn)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(jié)：
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(dǎo)儲(chǔ)能;Flywheel:飛輪;Capacitor/Supercapcitor:電容/超級(jí)電容;AL-TES:水/冰儲(chǔ)熱/冷系統(tǒng);CES:低溫儲(chǔ)能系統(tǒng);HT-TES：儲(chǔ)熱系統(tǒng)。
總體來(lái)說(shuō)，目前研究發(fā)展主要還是集中于超級(jí)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?jī)?chǔ)能后的電網(wǎng)會(huì)是什么樣
1)支撐實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)，智能電網(wǎng)。
儲(chǔ)能是智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能量雙向互動(dòng)的重要設(shè)備。沒(méi)有儲(chǔ)能，完整的智能電網(wǎng)無(wú)從談起。
2)利用儲(chǔ)能技術(shù)面對(duì)新能源考驗(yàn)
主要就是平抑、穩(wěn)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(shè)備利用率
電網(wǎng)企業(yè)在調(diào)峰和供電壓力得到緩解的同時(shí)，可獲取更多的高峰負(fù)荷收益。
4)提高電網(wǎng)安全可靠性和電能質(zhì)量
提供應(yīng)急電源;減少因各種暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題造成的損失。
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