储能技术发展现状研究

李允超， 宋华伟， 马洪涛， 王宝玉， 薛 福

储能技术发展现状研究

李允超， 宋华伟， 马洪涛， 王宝玉， 薛 福

（华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030）

对现有储能技术进行了全面分析和系统总结，对各储能技术特点进行了比较，对储能技术未来发展方向进行了展望，认为近期大规模存储仍依赖于抽水蓄能电站，其多用于电网调峰调频和事故备用。飞轮储能将围绕不断提高能量密度和降低成本进行。压缩空气储能将在10MW以下级取得快速发展。电化学储能中的新型电池如液流电池、钠硫电池等将逐渐应用于大规模电站存储中以削峰填谷和平滑电站出力。超导磁和超级电容储能额定功率多在兆瓦级，如何降低成本增加寿命是关注重点。而熔融盐蓄热储能会随太阳能发电技术的发展不断推进，同时开发具有更加优越性能的新型混合熔融盐将是未来研究的方向。

储能； 抽水蓄能； 压缩空气； 电化学储能； 蓄热

0 引言

储能是指利用一定的媒介，将电能等能源以一定的形式进行存储，在有利用需求时再将其释放做功发电的技术。传统利用化石能源的电站系统，其会根据用电需求进行发电、输电和配电；而对于新型可再生能源（如风能、太阳能等）发电系统，受自然条件制约，其发电具有间歇性和波动性，直接并网运行会给电网造成很大的安全隐患。利用储能技术，能很大程度解决太阳能、风能等可再生能源发电的波动性和间歇性问题，平滑电站出力，减小波动，提高电网运行的可靠性和安全性，同时使风能和光能等能源得以有效利用。此外，对于一些工业负荷和关键商业负荷，其对电网电能质量有较高要求，通过安装储能装置，能够保证用户电能质量。储能系统在电网削峰填谷、调频调压、负荷跟踪、热备用和电能质量管理等方面起着重要作用，同时促使可再生能源的就地消纳，促进可再生能源的发展。本文对当前常用储能技术进行了细致梳理，分析了不同储能技术的特点和应用范围，对其发展现状进行了概述，对其未来发展方向进行了展望和总结。

1 储能的分类

储能按其所存能量的形式，可划分为机械类储能、电化学储能，电磁场储能和蓄热储能[1]。机械类储能有抽水蓄能、飞轮储能和压缩空气储能等；电化学储能有铅酸电池储能、锂离子电池储能和液流电池储能等；电磁场储能主要为超导磁储能和超级电容储能等；蓄热储能主要为熔融盐储热技术[2]。

1.1 抽水蓄能

抽水蓄能通常是由抽水蓄能电站完成，其由上下水库、输水系统及发电系统等构成。在低负荷时，下水库的水经由抽水泵进入到上水库，以势能形式进行储存；在负荷需求较高时，上水库蓄存的水自上而下推动发电机做功后进入到下水库，势能重新转换为电能。抽水蓄能电站技术较为成熟，额定功率大（100-5000MW），持续放电时间长（可持续数天），寿命也较长（数十年之久），并且机组启停灵活。然而，抽水蓄能电站对自然环境要求较高，地质条件需求严苛，水库选址较为考究，且投资成本较高，建设周期长[3]。

1.2 飞轮储能

飞轮储能是利用多余电能驱动电机，电机带动飞轮转子旋转加速，使电能以动能的形式进行存储；当电量匮乏时，高速旋转的飞轮转子再驱动电机进行发电，完成动能向电能的转化。飞轮储能系统的储能量和输出量可单独设计和控制，具有充电时间短、响应快、效率高、使用寿命较长等特点。然而，飞轮储能自放电率极高，且放电时间也相对较短[4]。

1.3 压缩空气储能

压缩空气储能是在系统电量富余时，将过剩电量驱动压缩机压缩空气，将其注入到一定的储气系统中；当系统电量匮乏时，对储气系统中的压缩空气进行再释放做功的技术。压缩空气储能成本较低、易操作、存储容量较大、无污染，综合效率高。传统利用自然岩洞或废弃矿井作为储气空间的压缩空气储能系统单机存储容量大，多在百兆瓦级以上，但其对地址条件要求严格。随着高压容器技术的发展，新型压缩空气储能利用高压容器进行空气存储，尽管容量较低（一般在10MW以下），但其不受地理条件限制，系统更加灵活[5]。

1.4 电化学储能

电化学储能是利用化学反应，将电能以化学能进行储存和再释放的过程。电化学储能有铅酸蓄电池、锂离子电池、液流电池等。电化学储能能量和功率配置灵活、受环境影响小，易实现大规模利用。然而，电化学储能目前仍存在电池充放电次数有限，使用寿命短，成本较高等缺点[6]。

1.5 超导磁储能

超导磁储能技术利用变流器将电能存储在超导线圈中，必要时再将超导线圈贮存的电能释放的技术。超导磁储能利用超导线圈在超导状态下电阻几乎为零的特性，电流密度高，热损耗极低，具有响应速度快（1-100ms）、功率密度高、寿命长、无噪声污染等特点[7]。然而目前超导材料及维持低温成本仍然很高，且超导磁体存在失超保护等问题仍需解决。

1.6 超级电容储能

超级电容储能是利用电解质极化形成的正负电容性存储层来实现储能的，其充放电响应快、功率密度高、使用温度范围广、寿命长，但其能量密度相对较低；同时超级电容自放电率较高，一般只适用于短时间和较大功率下的用电环境，且电容元件易损耗[8]。

1.7 蓄热储能

蓄热储能是通过一定的蓄热介质将能量以热量的形式进行存储，在需要时再将热量释放发电的过程。目前蓄热介质实现商业化应用的是熔融盐，其比热容大，使用温区广（300-1000℃），且换热性能优良，但其在低温下易冷凝，限制了使用范围。

表2 近年来世界在役抽水蓄能电站项目

2 储能方式的比较

为更直观地比较上述几种典型储能技术，表1列出了各储能技术的参数和性能特征[9]。可以看出，抽水蓄能额定功率高、持续放电时间长，可实现大规模能量存储，但效率偏低；飞轮储能额定功率相对较低，持续放电时间较短；压缩空气储能额定功率区域范围较广，这与空气所储容器有关，且其持续放电时间也较长，但同样转化效率较低；电化学类储能中锂离子电池较铅酸电池能量密度高，但额定功率不及铅酸电池，钒液流电池额定功率要高于锂离子电池；超导磁储能额定功率较高，但其能量密度和功率密度却不及电容类储能。这几类储能中，飞轮储能自放电率最高，其能量损散快，超导磁储能因超导效应其效率最高，但持续放电时间也最短，而抽水蓄能电站具有最长的使用寿命。

表1 不同储能技术特征

3 最新研究进展

3.1 机械储能类

3.1.1 抽水蓄能

抽水蓄能电站在国内外有较为广泛的应用，其主要应用在电网系统的调峰、调相和调频，为系统提供备用容量等。截止至2015年，世界范围内抽水蓄能电站总装机容量可达170GW，主要分布在西班牙、葡萄牙、美国等地。我国抽水蓄能电站总装机容量也较大，为23.6GW，目前在役10MW以上机组就有26座。表2[10]列举了近年来国内外投运的一些典型抽水蓄能电站项目，可以看出在役抽水蓄能电站容量均较大，且多用于调峰调频和事故备用。

3.1.2 飞轮储能

飞轮储能各国也多有研究，当前热点主要集中于高温超导磁悬浮形式的飞轮储能技术。飞轮储能在电网调频、可再生能源发电和不间断电源等多领域都有应用。美国Beacon Power公司为电网调频计划建设一20MW级的飞轮储能电站。德国Gmbh公司生产出了能在五秒内提供5MW输出功率的不间断电源，其能量来源于飞轮储能[11]。日本研制出了多台超导磁悬浮飞轮储能的样机。表3[10]列举了一些公司生产投入使用的飞轮储能项目，可以看出现有飞轮储能项目额定功率都不是很高，且放电时间较短，且多应用于系统调频、备用电源等领域。

3.1.3 压缩空气储能

压缩空气储能研究历史较为悠久，较早商业运营的储能电站有两座，一座位于德国（1979年投运）的

表3 飞轮储能项目

Huntorf市，机组额定功率321MW，能持续放电2小时，主要用作风电场功率波动的平滑；另一座位于美国（1991年投运）的Alabama州，机组额定功率110MW，持续放电时间在24h以上，能在15分钟内实现从启动到最大储能[12]。近年来，德国RWE Power公司启动了代号为ADELE的压缩空气储能项目，利用绝热压缩技术以期将系统效率提至70%。2011年，美国SustainX公司在等温压缩空气储能上取得较大进展[13]。我国也有多家单位对压缩空气储能进行深入系统研究，目前研究方向有：1）小型百千瓦系统研发；2）系统技术经济性分析；3）压气机研究；4）储气装置研究。2009年，中科院工程热物理所开展超临界压缩空气储能技术的开发，建成15kW级小型储能系统，同时开展1.5MW级工业示范系统建设[14]。2012年7月，国家电网公司开展大规模压缩空气储能关键技术研究，已建立500kW级（非补燃式）储能示范系统。2016年12月，中科院储能研发中心完成了10MW级压缩空气储能集成实验与验证平台调试，设计能量存储容量40MWh、功率测量范围0-10MW、温度测量范围-196-1000℃、压力测量范围0-10MPa，是目前容量最大、测量范围最宽的试验平台。表4列举了近年来压缩空气储能电站示范项目，可以看出，近年来压缩空气储能在向小型化大功率方向发展。

表4 [10]压缩空气储能电站示范项目

3.2 电化学储能类

电化学储能传统是以铅酸电池和锂离子电池为主，随着技术的进步，铅酸电池和锂离子电池在生产制造工艺取得一定的进步。大规模存储对电池储能系统要求越来越高，一些新型电池如全钒液流电池以及钠硫电池等被不断研发出来；而随着电动汽车等产业的快速增长，锂空气电池、锂硫电池等也被开发以适应未来汽车发展的需求。以下介绍几种典型电池发展现状。

3.2.1 铅酸蓄电池和锂离子电池

铅酸蓄电池在众多电池中发展最为长久，且已有商业化的铅酸蓄电池储能电站，如美国曾于上世纪八十年代就建立了40MWh的铅酸蓄电池储能电站，并在加利福尼亚州的Chino中应用[11，15]。锂离子电池目前正极使用较多的为镍钴锰锂、磷酸亚铁锂、钴镍锰酸锂和钴酸锂等材料；而负极材料多为改性的天然石墨、立方尖晶石结构的Li4Ti5O12、人造石墨、高容量硅、硬碳和软碳等，市面上应用最多的是镍钴锰锂（三元锂电池）和磷酸铁锂电池[16]。在小型电子设备领域，锂离子电池已占据大部分市场份额，但其价格高昂限制了其进一步规模化发展，因此国内外研究多集中于如何降低锂电池制造成本和大规模工程示范。2015年，Hiroki Nagai等[17]成功实现了对透明锂离子电池的优化改进，在阳光暴露下电池可自行充电无需额外的太阳能集板。美国“A123系统”公司在多地建造了锂离子电池储能电站工程示范；我国在锂离子电池技术领域也走在世界前列，多家公司拥有自主知识产权技术，也建立了示范工程。

3.2.2 液流电池和钠硫电池

液流电池包含多种类型，其中全钒液流和锌溴液流电池研究较为广泛[18，19]。全钒液流电池安全性高、深度放电能力强、污染少，是目前应用规模最大的液流电池，广泛应用于大规模电站存储中。大连融科正在研发兆瓦级全钒液流电池储能系统，武汉南瑞承担着全钒液流电池模块化开发及系统能效优化等任务。对于锌溴液流电池，其采用ZnBr2为电解质，电解液将负责能量的存储。锌溴液流电池能量密度很高，同样可用作大规模能量存储。美国Primus Power公司在加利福尼亚州建立了28MW×4h级锌溴液流电池储能电站用以平滑可再生能源发电的功率输出；ZBB Energy公司与Redflow公司也建立了锌溴液流电池的示范基地[10]。2015年，Wang等开发出了液流锂空气电池，其电解液中含有氧化还原分子，可将电池阴极与LiO2的生成和分解分离，避免电极孔隙的钝化和堵塞，在保证高能量密度的同时，具有更高的安全性和灵活性。钠硫电池在近几年已广泛应用于电网负荷的削峰填谷、平滑出力以及作为应急电源等方面。2006年，一套容量为1.2MW的钠硫电池储能电站在美国西弗吉尼亚州投运，用于平衡当地电力负荷[20]。

3.3 电磁储能类

3.3.1 超导磁储能

超导磁储能研究在各国都备受关注，其可消除瞬间断电对电网的冲击，降低电力系统的低频振荡，改善电网电能质量，增加抗事故能力，有效保障电力系统的安全。美国先后开发出了5kJ级和2.5MJ级的超导磁储能系统。日本中部电力公司利用实验证实超导磁储能系统在电力系统稳定电压的可行性。另韩法德澳等国都有高温超导磁储能系统的相关研究报道。国内首台MJ级（1MJ/500kVA）高温超导磁储能系统为中科院电工所研发，后在白银市并网运行。华中科技大学于2005年开发了35kJ/7.5kW级超导磁储能试验样机，其后中科院电工所开始研制1MJ/0.5MV·A高温超导磁储能系统[21]。中国电科院构建了基于YBCO和BSCCO的高温超导体实现并网和电网功率补偿[22]。

3.3.2 超级电容储能

超级电容在保障电网安全可靠性上同样起着重要作用，目前超级电容已有成熟的示范产品，容量可达千法拉、放电电流也为千安级。表5中列举了典型超级电容示范工程，可见近年来超级电容额定功率多在兆瓦级，其持续放电时间仍然较短，多用于交通系统和电网中的电压支撑。

3.4 储热类-熔融盐蓄热储能

目前带蓄热功能的光热发电系统几乎无一例外的采用熔融盐进行蓄热，其在冷热电联供、用户侧需求响应等方面也有一定应用。目前，常采用的熔融盐多为碱金属、碱土金属或一些盐类混合物质，如混合硝酸盐（KNO3、NaNO3按一定比例混合）、混合氯化盐等。James等[23]证实了混合硝酸盐能很好应用于太阳能光热发电中，且已实现商业化。胡宝华等[24]制备的NaCl-CaCl2混合盐，最高工作温度可达800℃，相变潜热约87kJ/kg。当然熔融盐蓄热也存在一定的局限性，如前所述，熔融盐熔点一般都较高（约250℃），易凝固，且在使用温度过高下易气化等，因此开发新型具有更加优越性能的混合熔融盐是接下来研究的重点。

4 结语

表5 典型超级电容示范

储能系统对于电力系统的削峰填谷、调压调频、负荷跟踪、电能质量控制和备用电源等起着重要作用。在未来一段时间里，抽水蓄能技术在大规模电力存储上仍为主力技术。飞轮储能将围绕不断提高能量密度和降低成本进行发展，同时高温超导磁悬浮形式的飞轮储能将是未来研究方向之一。压缩空气在大型领域已比较成熟，如何规避地形限制，发展小型高密度空气储能将是未来研究的重点。电化学储能随着大规模储能需求和电动汽车的发展，新型高效电池将不断被研发和示范，提升电池寿命降低成本将是接下来研究的重点。超导磁储能技术具有高响应速度和高功率密度等特点，如何突破高温超导材料的研发，降低使用成本将是突破的关键。超级电容储能将在不断提高能量密度、降低成本和提高器件使用寿命等方面持续关注。熔融盐蓄热储能会随太阳能发电技术的进展而不断推进，一些新型混合熔融盐将被不断开发以适应未来储热需求。

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Research on the Development of Energy Storage Technology

LI Yun-chao， SONG Hua-wei， MA Hong-tao， WANG Bao-yu， XUE Fu

（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

The existing energy storage technology was analyzed and summarized.The characteristics of each energy storage technology were compared.The future development direction of the energy storage technology was forecast.It was found that the recent large-scale storage was still dependent on the pumped storage power station,which was used for power distribution and power supply.The flywheel storage technology will be improved around the energy density and reducing costs.The compressed air storage will be developed in 10MW level.The electrochemical energy storage such as liquid batteries and sodium sulfur batteries will be gradually applied in large-scale power plant storage,which was used for the peak load shifting and smoothing plant output.The rated power of superconducting magnetic energy storage and super capacitor energy storage was at the MW level,thus,how to reduce the cost and increase the life expectancy should be of concern.The molten salt heat storage technology will be developed with the development of solar power technology.The development of new mixed molten salts will be the direction of the future research.

energy storage； pumped storage； compressed air； electrochemical energy storage；heat storage

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.04.013

TM91

A

2095-3429（2017）04-0056-06

李允超（1987-），男，浙江台州人，博士，主要从事火电厂节能减排与生物质能的开发利用等工

2017-06-23

修回日期：2017-07-27