施祖銘

(上海電氣輸配電集團，200050)

【摘要】儲能技術是智能電網的重要環節，是智能電網關鍵支撐技術之一。可再生能源發電和電動汽車的快速發展，給儲能產業帶來了新的發展機遇。介紹抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導磁儲能、超級電容器儲能、鈉硫電池、全釩液流電池和鋰離子電池的原理、特點和應用。對它們的儲能技術進行比較。我國儲能產業發展前景是：抽水蓄能電站進入高峰期，動力電池市場不斷擴大，應用于電網的儲能技術快速發展和開發大容量電池等。

可再生能源發電和電動汽車的快速發展，給儲能產業帶來了新的發展機遇。未來能源的焦點在能效、可再生能源、儲能和可插入電動汽車。智能電網是新能源經濟的實施者。智能電網被定義為廣義的優化能源鏈的解決方案，是未來可支撐能源的基礎。

現在，新能源發電規模迅速擴大，新能源汽車推廣使用，智能電網建設快速升溫，與之相關的儲能技術與裝備的發展前景被一致看好。

1儲能技術是智能電網的重要環節，是智能電網關鍵支撐技術之一

1.1大幅提高電網有效利用可再生能源的能力

據世界風能協會統計，2010年底全球風電總裝機容量達到了1.9663億kW；我國2010年累計風電裝機容量4473.3萬kW，預計到2020年風電裝機達1.5億kW。2010年底，全球光伏發電裝機累計達4000萬kW；我國2010年光伏發電累計裝機容量80萬kW，預計到2020年光伏發電裝機容量超過2000萬kW。

大量可再生能源應用(包括分布式電源和集中式電源)，特別是風力發電和太陽能光伏發電都具有隨機性、間歇性和波動性，大規模接入將給電網調峰、運行控制和供電質量等帶來巨大挑戰。儲能技術能夠有效提升電網接納清潔能源的能力，解決大規模清潔能源接入帶來的電網安全穩定問題。

1.2推進電動汽車的規模化應用，有利于節能減排，實現用戶側調節電力需求

電動汽車興起，形成動力儲能電池的巨大市場。電動汽車和廣泛分布的電動汽車充電站間的雙向電力交換——Vehicleto Grid(車輛到電網，簡稱V2G)技術，將成為未來智能電網重要的負荷特性。電動汽車儲能電池既吸納大量電能，又可為電網提供總量巨大的儲能能力，實現電能在智能電網和電動汽車間的雙向互動。理想中的V2G平臺是在非高峰時段充電，在高峰時段放電(售電)，為電網的峰谷負荷調節、旋轉備用、電能質量改善和穩定控制提供能量需求。

1.3儲能技術的應用有利于優化系統的能量管理，提高系統效率和設備利用率

電力系統的負荷存在白天高峰和深夜低谷的周期性變化，負荷峰谷差可達最大發電出力的30%～40%，且近年來有增大的趨勢。這種峰谷差給發電和電力調度造成一定的困難。目前的電力供應緊張狀況大部分出現在夏季負荷高峰期。如果電力系統能夠大規模地儲存電能，即在晚間負荷低谷時段將電能儲存起來，白天負荷高峰時段再將其釋放出來，就能在一定程度上緩解缺電狀況，減小負荷峰谷差，提高系統效率和輸配電設備的利用率，延緩新的發電機組和輸電線建設。

1.4儲能有利于增加系統備用容量，提高電網安全穩定性和電能質量，實現用能經濟性，提高綜合效益

在電力系統發生擾動、電壓暫降與短時中斷、短路等事故時，儲能裝置能瞬時吸收或釋放能量，使系統中的調節裝置有時間進行調整，避免系統失穩，保證優質供電。在系統因故障而停電時，儲能裝置又可以起到大型不間斷電源(UPS)的作用，避免突然停電帶來的損失，提高綜合經濟效益。

1.5儲能技術在智能電網中的應用分類

對智能電網中的儲能技術應用分類，國際儲能委員會(ESA)列出了表1所示的分類及說明。

2儲能技術簡介

2.1抽水蓄能電站

抽水蓄能使用兩個不同水位的水庫。谷負荷時，將下位水庫中的水抽入上位水庫；峰負荷時，利用反向水流發電。抽水儲能電站的最大特點是儲存能量大，可按任意容量建造，儲存能量的釋放時間可以從幾小時到幾天，其效率在70%～85%。

2.2壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能系統主要由兩部分組成：一是充氣壓縮循環，二是排氣膨脹循環。在夜間負荷低谷時段，電動機—發電機組作為電動機工作，驅動壓縮機將空氣壓入空氣儲存庫；白天負荷高峰時段，電動機—發電機組作為發電機工作，儲存的壓縮空氣先經過回熱器預熱，再與燃料在燃燒室里混合燃燒后，進入膨脹系統中(如驅動燃氣輪機)發電。

2.3飛輪儲能系統

飛輪儲能利用電動機帶動飛輪高速旋轉，將電能轉化成機械能儲存起來，在需要時飛輪帶動發電機發電。近年來，一些新技術和新材料的應用，使飛輪儲能技術取得了突破性進展，例如：磁懸浮技術、真空技術、高性能永磁技術和高溫超導技術的發展，極大地降低了機械軸承摩擦與風阻損耗；高強度纖維復合材料的應用，飛輪允許線速度大幅提高，大大增加了單位質量的動能儲量；電力電子技術的飛速發展，使飛輪儲存的能量交換更為靈活高效。因此，飛輪儲能也被認為是近期最有競爭力的儲能技術之一。

2.4超導磁儲能系統

超導磁儲能是利用超導線圈由電網供電勵磁而產生的磁場儲存能量。超導磁儲能儲存的能量為E=LI2/2(其中，L為線圈的電感，I為線圈的勵磁電流)。如線圈維持超導態，則線圈中所儲存的能量幾乎可以無損耗地永久儲存下去，直到需用時再使用。

超導線圈是一個直流裝置，電網中的電流經整流變直流后給超導線圈充電勵磁。超導線圈放電時須經逆變裝置向電網或負載供電。

2.5超級電容器儲能

超級電容器根據電化學雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率。充電時處于理想極化狀態的電極表面，電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構成雙電層超級電容器。其電容量極大，可存儲較多的電荷。

2.6鈉硫電池

鈉硫電池以鈉和硫分別作為負極和正極，β氧化鋁陶瓷同時起隔膜和電解質的雙重作用。目前研發的單體電池最大容量達到650Ah，功率120W以上，可組合后形成模塊直接用于儲能。鈉硫電池在國外已是發展相對成熟的儲能電池，實際使用壽命可達10～15a。

2.7液流電池與全釩液流電池

液流電池是正負極活性物質均為液態流體氧化還原電對的一種電池。液流電池主要包括溴化鋅(ZnBr)、氯化鋅(ZnCl)、多硫化鈉溴(PSB)和全釩液流電池(VＲB)等多種體系。其中，全釩液流電池已經成為液流電池體系的主流。

2.8鋰離子電池

鋰離子電池的工作原理：鋰離子蓄電池的正極活性物質為鋰的活性化合物組成，負極活性物質則為碳材料。鋰離子電池是利用Li+在正負極材料中嵌入和脫嵌，從而完成充放電過程的反應。

使用磷酸鐵鋰為正極材料的鋰電池由于成本優勢明顯，正逐步成為鋰離子電池的主要發展方向。鋰離子電池已成為目前世界上大多數汽車企業的首選目標和主攻方向。

3各種儲能技術比較

3.1儲能技術特點和應用場合

各種儲能技術的特點和應用場合見表2。

3.2主要儲能技術成熟度比較

目前，大規模儲能技術中只有抽水蓄能技術相對成熟。因受地理條件制約，還有一些儲能方式處于試驗示范階段，距離大規模推廣應用還有距離，需要在可靠性、效率、成本、規模化和壽命等方面進行綜合評估。主要儲能技術成熟度如圖1所示。

3.3主要儲能技術的經濟性比較

主要儲能技術的安裝成本見表3。

3.4主要儲能產品的市場規模比較

2010年全球主要儲能市場規模(不含鉛酸蓄電池)見表4。

4儲能技術發展前景

4.1儲能技術的市場前景

國外風電場儲能系統配置比例情況：美國夏威夷30MW風電場配15MW儲能系統；美國杜克能源153MW風電場配置36MW儲能系統；日本東北電力公司51MW風電場配置34MW儲能系統。

僅2009年上半年，日本礙子公司(NGK)就與美國、阿聯酋和法國等簽約共銷售約600MW的大型鈉硫電池儲能電站，超過了過去10年的總和。

美國市場研究機構Lux Research估計：目前全球如10%投運的并網風電場使用儲能裝置(不含光伏發電)，僅此即可帶來約500億美元的市場規模。可見儲能系統將成為現有的發電、輸電、變電和配電四大電力環節之外生長出來的一個新產業。

我國國家電網公司目前在河北省張北地區展開的風光儲輸聯合示范工程，風力發電總規模300～500MW，一期100MW；太陽能光伏發電100MW，一期50MW；儲能電站總規模110MW，一期20MW。2011年3月23日，新的招標公告有五個包，其中四個磷酸鐵鋰電池系統，分別為：6MW、6h，4MW、4h，3MW、3h和1MW、2h；一個液流電池系統包為2MW、4h。

上述鋰電池中標的企業為比亞迪、萬向電動汽車有限公司、中航鋰電(洛陽)有限公司和ATL－東莞新能源電子科技有限公司；液流電池中標企業為北京普能世紀科技有限公司。一旦大型儲能電站技術獲得認可，將給大型儲能技術帶來很好的發展機遇。

新能源汽車開始興起，對儲能產業的需求愈加迫切。按照2009年3月公布的《汽車產業調整和振興規劃》，到2011年形成50萬輛純電動、充電式混合動力和普通型混合動力等新能源汽車產能，新能源汽車銷量占乘用車銷售總量的5%左右，車輛用動力電池需求量巨大。

4.2我國儲能產業前景

(1)抽水蓄能電站進入建設高峰期。抽水蓄能發電機組已基本實現國產化。2010年我國抽水蓄能電站總裝機容量已達1700萬kW，預計到2020年將達到6000萬kW(目前已建與在建約為2770萬kW)。

(2)動力電池市場不斷擴大。鎳氫電池具有容量大、結構堅固和充放循環次數多的特點。2008年北京奧運會使用的混合電動車大都采用鎳氫蓄電池作為電源，鎳氫電池在全球混合動力電池市場中仍占據主要地位。但鋰離子電池由于比能量、比功率高，自放電小，環境友好，是新增投資的重點。專家預計，未來三年左右鋰離子電池有可能取代鎳氫電池成為主流。

(3)鉛酸蓄電池(閥控式)盡管有循環壽命短、不可深度放電等缺點，但其能量密度適中、價格便宜、構造成本低、可靠性好和技術成熟，現在全球鉛蓄電池消耗量約550億美元/a，并保持每年約8.6%的增幅。我國2010年，鉛蓄電池產量約14416萬kVAh，約占全球50%，年銷售超過1000億元。但須重視新型鉛酸電池的研制，例如新型鉛碳超級電池，以活性炭作為負電極(還有的將電池的負極分為兩個部分，一部分用鉛，另外一部分用碳制作)，融合了鉛酸蓄電池與超級電容器的優點，循環壽命可達標準鉛酸電池的3倍。

(4)發展大容量儲能有兩種技術路線：電池并聯成較大容量，以鋰離子電池技術為主；另一種是專門開發大容量電池。國際上主流的技術是鈉硫電池和液流電池。在多節電池并聯成的電池組里面，如有一塊電池損壞，一般就可以認為這組電池壽命的終結，必須進行維修、更換。盡管鋰離子電池在電動汽車領域普遍被看好，但在大容量儲能市場上，還需經示范應用驗證。我國鈉硫電池和液流電池都處在示范應用階段。因此，大容量儲能技術產業化需要加快步伐，集成成組技術還有待發展，成本需要下降，一些關鍵部件盡快實現國產化。還需要重視鈉離子電池、鋅氯液流電流等新型儲能電池的研發。

①關于價格：鈉硫電池希望由現在的2000美元/kW下降至1000美元/kW水平，釩電池的價格還高于鈉硫電池的價格。

②關于產業鏈：儲能是一個產業鏈很長的產業，需要從關鍵材料(如釩流電池低成本、高性能的雙極板材料及離子交換膜材料、電解液等)，鋰電池電極材料等方面解決產業鏈發展問題。

③關于使用壽命：電網公司一般要求應用在風電、太陽能等可再生能源發電領域的電池壽命為15a，按每天充放一次計算，大概需要6000次。因此，要求磷酸鐵鋰電池達到5000～6000次循環。

(5)儲能技術在發電、配電和用戶端具有獨特作用，儲能產業已引起了諸多投資者的關注。但在電源點或電網中加裝儲能設備需要大量投入，投資回報機制不夠健全。專家建議，要想推動儲能技術在電網中的應用，國家應出臺相應的支持政策，鼓勵相關方應用儲能技術、接納新能源發電和改善電能質量。

5結語

可再生能源發電和電動汽車的快速發展，給儲能產業帶來了新的發展機遇。研發新型、高效、可靠的儲能裝置及配套設備、關鍵材料，特別是在大容量儲能技術與動力電池產業化，降低成本等方面，仍需加大研制力度和示范應用。同時，產業主管部門還需要給予政策扶持。隨著各種儲能技術不斷發展進步，一些高性能的儲能電池還將不斷涌現。我國的儲能裝備將會得到廣泛應用，儲能產業一定會不斷發展壯大。

參考文獻

［1］劉振亞.智能電網知識讀本［M］.北京:中國電力出版社，2010.