储能技术商业化应用探讨

宋丹丹马宪国

1.上海市能效中心 2.上海理工大学

0 概述

随着我国社会发展，能源与环境问题日益突出。能源互联网能够提高能源利用效率，促进清洁能源利用，降低国内经济发展对传统化石能源的依赖程度，从根本上改变我国的能源生产和消费模式，从而有效解决我国能源消费与经济发展之间的矛盾以及能源安全问题。储能是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段，是推动能源消费由化石能源向可再生能源更替的关键技术，也是构建能源互联网、推动电力体制改革和促进能源新业态发展的核心基础。大规模电力储能作为能源互联网建设中的重要支撑环节，具有削峰填谷、平滑电网波动以及消纳清洁能源等重要作用。

2014年11月，国务院办公厅印发《能源发展战略行动计划（2014-2020）》明确提出：“提高可再生能源利用水平，加快电源与电网的统筹规划，科学安排调峰调频、储能配套能力，切实解决弃风、弃光问题”。首次将发展储能技术列入国家发展战略规划。

2017年10月，国家发展改革委、国家能源局等五部门联合印发《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》，明确了未来十年中国储能产业发展的目标和任务。《指导意见》指出，储能是智能电网、可再生能源高占比能源系统、互联网+智慧能源（简称能源互联网）的重要组成部分和关键支撑技术。

在全球能源互联网战略需求下，大规模电力储能作为国家确定的战略性新兴产业，在提高新能源接入、削峰填谷和电能质量补偿等应用领域潜在市场容量巨大。近年来，我国储能呈现多元发展的良好态势，总体上已经初步具备了产业化的基础。目前，国内一些地方已经在电网侧建成储能示范项目，并已投入运行。

1 储能技术路线

现阶段，电力储能技术主要包括抽水蓄能、电化学储能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能等类型。抽水蓄能电站具有启动灵活、爬坡速度快和低谷储能的特点，在削峰填谷和提高新能源接入等领域应用比较广泛，是目前商业化运行的主流储能类型，但其存在建设周期较长、受地形制约、环境破坏等问题。压缩空气储能成本较低、寿命长，安全系数高，与抽水蓄能类似，也会受地形制约，建设周期也较长，还会带来一定的生态问题。其它诸如飞轮储能、超导储能等新型储能技术目前还处于示范应用阶段。相比其它类型储能技术，电化学储能系统具有选址灵活、建设周期短、功率容量灵活可控、响应速度快、易规模化等特点，在电力储能领域应用前景广阔。

电化学储能主要是通过氧化还原化学反应进行能量的存储和释放，这类储能技术运用非常广泛。电化学储能系统主要包括电化学储能单元、储能单元管理系统、储能双向变流器、就地监控系统、储能电站监控系统等几部分组成。监控系统采用层次化的监控架构，实现对电化学储能系统的智能化监测、控制和保护功能。双向变流器是电化学储能单元与电网之间实现电能转换的联系纽带，以实现储能系统与电网的柔性连接。同时双向变流器采集电网信息，参与电网的电压/无功控制，实现防孤岛保护或作为应急电源使用。

本文主要介绍电化学储能技术中的三种储能技术：铅酸/碳电池、磷酸铁锂电池和全钒液流电池储能技术。

电化学储能系统组成如图1所示。

图1 电化学储能系统组成示意图

1.1 铅酸/碳电池

铅酸电池是比较成熟的蓄电技术，是世界上应用最广泛的电池之一。铅酸电池内的阳极（PbO2）及阴极（Pb）浸到电解液（稀硫酸）中，两极间会产生2V的电势（铅酸电池的原理）。铅酸电池具有价格低廉、安全性相对可靠的优点。但存在循环寿命短、不可深度放电、运行和维护费用高等缺点。

铅碳电池的技术由传统的铅酸电池演化而来，它是在铅酸电池的负极中加入活性碳，能够显著提高铅酸电池的寿命。铅碳电池较铅酸电池在使用寿命、循环次数、系统效率和放电深度等方面均有较明显的提升，同时铅碳电池具有成本较低、安全性较好和可再生回收率高等优势。

1.2 锂离子电池

锂离子电池分为液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（PLB）。其中，液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。电池正极采用锂化合物LiCoO2或LiMn2O4等，负极采用锂-碳层间化合物。

锂离子电池的主要优点是储能密度高、储能效率高、循环寿命长等。锂离子电池技术近年来发展迅速，成本不断降低。但锂离子电池的价格依然偏高，且锂离子电池有时会因过分充电而导致发热、燃烧等安全问题。

1.3 液流电池

液流电池是电池的正负极或某一极活性物质为液态流体氧化还原电的一种电池。根据活性物质不同，研究较多的液流电池有锌溴电池、多硫化钠/溴电池及全钒液流电池三种。其中全钒液流电池被认为是最具应用前景的液流储能电池技术。

全钒液流储能电池具有循环寿命长（大于16000次）、蓄电容量大、能量转换效率高、选址自由、可深度放电、系统设计灵活、安全环保、维护费用低等优点，在输出功率为若干KW至数10MW，储能容量若干小时以上级的规模化固定储能场合，液流电池储能具有明显的优势，是大规模高效储能的首选技术之一。

1.4 不同储能技术比较

目前比较成熟的电储能电池包括铅碳电池、锂离子电池和液流电池等。衡量各种储能技术的关键指标包括：循环寿命、储能效率、最大储能容量、能量密度、功率密度、响应时间、建设和运行维护成本、技术成熟度等。不同储能技术选型主要取决于循环寿命、效率、规模化、成本和安全性等因素。各种储能电池技术性能比较如表1所示。

2 储能应用领域

随着可再生能源的普及、分布式发电及微电网、电动汽车产业、智能电网建设及调频辅助服务的发展，各种储能技术都面临巨大挑战和前所未有的发展机遇，储能应用前景广阔。目前，我国储能商业化应用的领域主要有：可再生能源发电，用户侧、电网侧、电源侧和辅助服务领域。“投资+运营”已成为现阶段国内推进储能项目开发的主要模式。

表1 不同储能技术性能参数表

2.1 可再生能源发电

在集中式可再生能源发电领域，储能已被验证的应用主要包括：解决弃风/弃光、跟踪计划出力、平滑输出和参与调峰调频辅助服务。在此领域，储能系统的大容量、大规模建设和应用是重点，因此对储能的成本、寿命、安全性的要求都很高。但这一模式的投资收益问题还没有得到解决。在欧美一些国家，配套的储能会从电网得到补偿，而我国目前还没有形成这种模式，电网不给补偿。部分地区参照抽水蓄能的两部制补偿，即通过容量电价和电量电价对参与辅助调峰的储能企业给予补偿。

2.2 用户侧领域

安装于工商业用户端或是园区的储能系统是我国用户侧储能的主要应用形式，主要服务于电费管理，帮助用户降低需量电费和电量电费。在这些领域，储能既可以与光伏系统联合使用，也可以独立存在。通过峰谷电价差套利是最主要的盈利手段，根据不同地区的政策，需量电费管理和需求侧管理是辅助盈利点。由于储能系统成本有差异，各地区的峰谷电价差不同，因此项目的盈利空间也有差别。一般情况，当峰谷电价差大于0.75元/kWh时才有盈利的空间，以套利为盈利点的储能项目静态投资回收周期在7-9年不等。另一个盈利点是帮助用户管理电费，削减用户的高峰用电功率，从而达到削减需量电费的目的。从节省下来的电费中收取部分费用作为其自身收入。目前，储能企业在经济条件较好、峰谷电价差大的地区密集推进商业示范项目的开发。

2.3 电网侧领域

江苏、河南已有项目正在建设，部分省市正在积极规划。该类储能项目分为两种情况：1）不考虑投资效益，一般由电网企业直接投资、租赁或其它带资模式；2）考虑投资收益，由政府补贴或发电企业购买服务。第一种情况目前江苏已经有项目正在实施。第二种情况涉及多方利益，需平衡各方利益，目前无相关政策，推进相对困难。

2.4 辅助服务领域

储能系统联合火电机组参与调频服务的模式得到快速推广应用。储能系统与火电机组捆绑参与电网调频辅助服务的商业示范项目取得了较好的应用效果。该类储能接受电网调度进行调峰调频服务时，其容量和效果都是至关重要的保障条件。这种模式的收益来源主要分享辅助服务收益。但由于调频市场的整体规模不大，特别是采用类似“按效果付费”的调频电价尚未在全国范围推广，储能大规模参与辅助服务还需要政策的进一步支持。当前，我国正在逐步建立电储能参与的调峰调频辅助服务共享新机制，充分发挥电储能技术在电力调峰调频方面的优势，电力储能系统在获得参与电网调峰调频等辅助服务的同时，也能够按照应用效果获得应有的收益。

3 结论

我国储能产业经过十多年的发展，正处于从示范应用向商业化发展过渡的重要阶段。随着我国能源变革、大规模可再生能源的接入和电力体制改革的进一步深化，都将给储能产业创造巨大的市场商机。同时储能技术已日趋成熟、储能成本已大幅降低、储能的盈利模式也逐步建立、储能的价值也得到认同以及储能补贴和补偿政策逐步出台，这些都为储能未来的广泛应用奠定了良好基础。