浅谈储能技术在电力系统中的应用

2016-11-30张中宽孙慧丽

科技传播 2016年18期

关键词：压缩空气电能储能

张中宽，孙慧丽

国网河南省电力公司濮阳供电公司，河南濮阳 457000

浅谈储能技术在电力系统中的应用

张中宽，孙慧丽

国网河南省电力公司濮阳供电公司，河南濮阳 457000

本文主要分析了电力系统中发展储能技术的意义和作用，储能技术的发展应用现状以及新出现的储能技术，对各种类型的储能技术的原理、技术特点、优缺点等进行了较为详细的阐述。在此基础上，研究探讨实际应用中应考虑的技术水平和经济效益。

电能存储；电力系统；电化学储能

过去，电力系统中，发电和用电同时发生，在用电高峰承受着巨大的发电压力，再用电低谷又存在着大量闲置电力无用，造成了大量的电力资源浪费。而储能技术应用于电力系统的各个生产调度过程，用电高峰时段的发电压力可以得到显著缓解，让已有的电力设备的利用率得到有效提高；减少电网设备供电压力的同时，减少电网发生故障的情况，维护整体电网的发用电安全，从而满足社会对稳定电力的要求；显著减少电网建设和维护的资金投入，逐渐将现有的外延扩张性的发展模式转变为内涵增效型。

1 储能技术的意义和作用

传统化石能源的日渐匮乏以及生态环境的日益恶化，极大地促进了新能源技术的发展，气发电规模日益增长，在电力系统中承担着越来越重要的角色。以火电这样的传统发电模式为例，通常是按照电网用电的需求进行发电、输电、配电和用电的调度和调整；而以风能、太阳能等为基础的新能源技术发电更加依赖于自然资源条件。由于风能和太阳能具有波动性和间歇性，对此进行调节控制的难度更大，对并网后的电网安全运行带来更大的不利影响。但由于储能技术的应用可以在很大程度上解决新能源发电与生俱来的波动性和间歇性，使电网运行更加安全稳定，同时提高了能源利用的效率，让新能源发电成为具有经济和安全双重优势的能源形式。

传统电网中发电和电网的负荷时刻处于动态的平衡，也即通常所说的“即发即用”，不存在储能的问题。但是产生的电力即时发出，供电用电保持时刻平衡，这种供电模式和思路已经越来越不适合新型的社会和经济的发展，对今后的电网的日常维护调度管理的提出的更大的挑战。而且传统输配电运营中为满足输配电设备在电网负荷最高峰的正常运营，需要投入大量资金用于输配电设备的购买，导致电力系统整体的负荷率偏低，电力设备的总体利用率较低。

在引入新型的储能技术后，电力成为了可储存的商品，颠覆了过去遵循发电、输电、配电、用电同时进行的局面，供电和用电不再同时发生，电力的供需之间的实时平衡也不再那么重要，新的发电理念将促进电网的结构、规划设计、输配电调度等发生根本性的发展变革。

2 储能技术在电力系统中的应用现状

2.1储能技术的分类

按照不同储能技术的能量类型，可以将储能技术分为基础燃料的存储、电能的存储、后消费能量的存储。其中电能存储技术是本文重点分析探讨的部分。另外按照能量存储形式的差别，可将储能技术分为物理储能和化学储能，其中物理储能进一步划分为机械储能和电磁场储能。

从国家层面来说，储能技术对于国家的能源安全至关重要，因此国内外的许多国家对储能技术的研究发展给以很大的关注和重视。例如日本在2009年对储能技术进行了细致的发展规划，并将着重研究锂离子电池、钠硫电池和其他新型电池；美国也于2010年进行了新型电池发展的情况进行了技术报告，在未来将重点关注超级铅酸电池、锂离子电池、硫基电池、液流电池等新型储能技术的研究发展。

2.2目前常见的几种储能技术

2.2.1抽水储能

抽水储能是指在电力负荷低谷时段，利用电网中多余的电力将低水位的水抽到高处，将电能转化成水的势能。在负荷高峰的时段，可以将高水位的水释放到低处进行再次发电。

目前该种电力储能技术应用最广，抽水蓄能的技术也相对成熟，一般整套的抽蓄水设备使用寿命可达三四十年，只要水库的库容足够大，这样的储能容量是非常可观的，通常可达到100MW～2 000MW之间。抽水蓄能可以在电力系统起到多种多样的作用，如调峰填谷、调频、调相、紧急情况备用、黑启动、为体统提供备用容量等。但抽水蓄能的应用也有它的局限性，由于受到地理条件的限制，并不是所有发电厂周边都具有建造上下水库的地质条件。此外及时能够建造上下水库还需要考虑到水库的建造难度和水库建造的合理性和必要性。

2.2.2压缩空气储能

压缩空气储能指的是在电网用电低谷时，利用电网中多余的电力驱动空气压缩机，将空气压缩机中的空气进行压缩以高压空气的形式储存起来，将电能转化成空气能；待电网用电压力较大时，重新将空气压缩机中的压缩空气释放，驱动发电机发电，使得空气能重新转化为电能。

1949年，国外首先提出压缩空气的概念，之后大批的学者专家多压缩空气在储能中的应用进行了大量的研究探索，并进行了卓有成效的实践。目前仍在运营的两大压缩空气储能电站分别位于美国和德国，投入实际的商业运营，为压缩空气的实际实践提供了有益的探索。

压缩空气储能方面的研究和开发在近几年来得到了较为有效的进步，并且压缩空气系统在形式上也更为多样化。考虑到应用规模以及人员配置等方面的差异。

近些年，对于压缩空气储能的研究开发十分活跃，先后出现了多种形式的压缩空气系统。根据系统中人员和应用规模的不同，可细分为：1）传统使用天然气和地下洞穴的空气压缩储能电站，通常情况下单机组规模在100MW以上。2）不使用天然气和低下洞穴的新型压缩空气储能系统，通常情况下单机组规模在10MW以下。

总的来说，使用传统的天然气和地下洞穴压缩空气储能技术发展的较为成熟，系统的运行效率通常可以达到70%，但还是避免不了对地理环境和化石燃料的依赖。另外几种新型的空气压缩储能技术目前仍在研究、试验阶段，目前存在需要重点攻关的技术是储能效果的提升和能量密度的提高，在压缩机、膨胀机、储热设备、储气设备等关键技术上仍然存在技术难题需要解决。

2.2.3电化学储能

电化学储能是通过化学反应将化学能和电能进行相互转换进行能量存储的技术。在电化学储能中，电池是能量转换的主要载体。电池发展至今，其种类众多，内部材料和工作原理千差万别，但内部的核心结构却是大体相同，都是由正极、负极、隔膜、电解质组成。电势较高的一极为正极，电势较低的一极为负极。在电池充电的过程中，正极发生氧化，失去电子；负极发生还原，得到电子。在电池内部形成负极向正极的电流，在电池外部电路形成正极向负极的电流。

电化学储能作为目前广泛关注的一种储能形式，其特点在于能够根据不同应用需求自由灵活的配置，一般不受地理因素的限制，适合大规模用于实际的电能存储中。电化学储能的缺点在于电池的使用寿命较短、使用成本较高，也是实际应用中亟待解决的问题。

目前着重发展研究的是锂离子电池、全钒液流电池、钠硫电池、铅酸电池、镍氢电池、钠氯化镍电池、锂硫电池等。针对大规模储能而开发的钠硫电池和全钒液流电池有了进一步的发展，目前广泛应用于电动汽车中的锂离子电池（如锂硫电池和锂空气电池）也有望在未来大规模应用于电力系统的储能技术中。近期有麻省理工学院研究团队提出了液态金属电池这一新型化学储能技术，该电池具有成本低、寿命长、效率高、储能密度大等诸多优点，得到了国际上的广泛关注，也有望应用于电网系统的储能中。

2.3电磁场储能

2.3.1超导磁储能系统

超导磁储能系统的意义是通过超导线、变流器等设备将电能转化成电磁能进行储存，在电网需要时再次将电磁能转化为电能。这样一个储能系统包括了超导储能磁体、低温系统、电子电力变流系统和监控保护系统等。该储能技术有着区别于其他技术的显著优点：有着更快的系统响应速度、更有效的能量转化效率，通常可达到95%以上，以及更大的能量存储密度，较适合应用于实际的电网储能的需要。

超导磁储能主要的问题在于：1）超导材料成本相对较高，限制了其大规模的应用；2）产生超导态低温条件的冷却装置等核心设备还需要国外进口，国内仍未完全实现国产化；3）部分关键技术仍需要时间来重点攻关处理。

2.3.2超级电容器储能

超级电容器储能目前主要存在的问题时能量密度低、成本较高。该种储能技术在电力系统中的广泛应用仍需时日。超级电容器拥有充放电速度快、功率密度高、循环使用寿命长、环境友好等优点。

2.3.3熔融盐蓄热储能

熔融盐蓄热储能是一种利用熔融盐物化性质，传热换热的过程将热量储存起来，必要时重新将热能重新转化成电能。

受限于自然因素的影响，西部地区在夜间低温不能与该项储能技术的发展使用，所以目前仍需时日进行相关技术的攻关克服。