電力儲能技術進展與挑戰

電能存儲技術是實現需求側能量高效管理、有效提高可再生能源入網的關鍵技術。解析了面向電力儲能使用的抽水儲能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等物理儲能技術的發展現狀和亟待處理的問題，重點闡述了具有廣闊使用前景的電化學儲能技術，包括鋰電池、鉛炭電池、液流電池、鈉硫電池(ZEBRA電池)和液態金屬電池等的工作原理、技術優點及其在電網中的使用和挑戰，為電力儲能技術的發展供應參考。

近年來，我國在全國范圍內進行電網改造和升級，對工業公司進行節電改造，對全國居民的生活節能節電給予補貼，標志著我國電力工業已經進入需求側管理時代。電力儲能技術的引入將有效削減負荷峰谷差，降低供電成本，有效實現需求側管理。同時，規模儲能技術的廣泛使用將大大加強電網對大規模可再生能源的接納能力，實現間歇式可再生能源發電的可預測、可控制、可調度，促使傳統電網的升級與變革，實現發電和用電之間在時間和空間上的解耦，徹底改變現有電力系統的建設模式，促使電力系統從外延擴張型向內涵增效型的轉變，提高供電可靠性和電能質量。因此儲能技術在現代電力系統中具有舉足輕重的用途(如圖1所示)。

現有儲能技術包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能和超導磁儲能等物理儲能技術，和鋰電池、鉛炭電池、液流電池、鈉硫電池、液態金屬電池和超級電容器等電化學儲能技術。不同儲能技術的工作原理、轉化效率以及成本、壽命等儲能特性都存在著很大的差異，因此它們在電力系統中適用的場合也各不相同。一般來說，飛輪儲能、超導磁儲能和超級電容器等適合高倍率的功率型使用，其他技術適合規模儲能的能量型使用。下面將對不同類型的儲能技術分別進行簡要解析，以期為電力儲能技術的發展供應一定的參考。

1物理儲能技術簡介

1.1抽水蓄能

抽水蓄能技術成熟、可靠、經濟性強，適用于調峰、調頻、調相、電網的黑啟動電源和事故備用等，是目前最成熟的大規模儲能技術。但其對廠址的要求較高，大多建設在山區丘陵地帶，受地理因素等限制。現階段，我國急切要攻克高水頭、大容量機組的設計、制造難關，實現機組設計制造國產化，從根本上降低我國抽水蓄能電站的工程造價，實現抽水儲能技術的進一步發展。

1.2壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能規模大、效率高、能量密度較高，相比于抽水儲能選址更為靈活，因此得到廣泛的關注，有望成為將來大規模儲能的緊要技術方向之一。目前壓縮空氣儲能依然面對一些亟待處理的問題，例如：效率偏低、儲氣室受限、燃料的限制、初始投資巨大和投資動力不強等。將來壓縮空氣儲能的發展在克服以上問題的同時，將會朝著儲能規模大、效率高、投資成本低、能量密度高的超臨界壓縮空氣儲能系統等方向發展。

1.3飛輪儲能

飛輪儲能技術具有功率密度大、能量轉換效率高、對溫度不敏感、環境友好、使用壽命長和充電時間短等優勢。但是飛輪儲能的儲能密度相對較低，自放電率較高，其使用和發展受到了較大的限制。我國在該項技術范疇起步較晚，投入不足，目前還處于初級研發階段。現階段要大力增強飛輪轉子的故障保護、高速電機設計制備和低能耗真空獲得與維護等技術研發，實現飛輪儲能系統的工業化使用。

2電化學儲能技術解析

電化學儲能具有功率和能量可以依據不同使用需求靈活配置、應和速度快、不受地理資源等外部條件的限制等優點，適合批量化加工和大規模使用，在電力儲能方面具有廣闊的發展前景。電化學儲能包括液流電池、鋰電池、鈉硫電池(ZEBRA電池)、鉛酸(炭)電池、鎳氫電池和液態金屬電池等，表1為各種電化學儲能技術的相關參數。下面著重對幾類使用前景較好的儲能電池技術進行解析。

2.1鋰電池

鋰電池以其較高的比能量/比功率、充放電效率和輸出電壓，較長的單體電池使用壽命，自放電小、無記憶效應等優勢在移動電子設備、動力工具和新能源汽車等范疇得到廣泛的使用。鋰電池的工作原理如圖2所示。電池在充電過程中，正極中的鋰離子脫出，經過電解液傳遞并嵌入負極石墨層間晶格，放電則執行相反的過程。鋰電池反應機理被稱為“搖椅式”機制。

近年來，在美國華盛頓、加利福尼亞、紐約和密歇根等地方建立了不同規模的鋰電池儲能系統，用于削峰填谷，提高電網可靠性和實現微網可再生發電等方面。智利和韓國等國家也采用鋰電池儲能技術進行電網調頻和改善電能質量等。我國作為鋰電池加工大國，自2010年起已經在福建安溪、寧德，河南鄭州，廣東東莞和江蘇常州等地建立起鋰電池儲能系統，成功使用于削峰填谷，提高電網接納風電能力等。在將來鋰電池的發展中，要進一步發展高比容量，循環性能優異且成本低廉的關鍵電極材料，優化正極、負極、電解質溶液的匹配技術和電池制造工藝，顯著提升鋰電池的循環壽命和安全特性，進一步降低電池成本。

2.2鉛炭電池

鉛酸蓄電池發展歷史悠久，原料豐富、成本低廉、安全性好，在蓄電池市場有著不可取代的地位，但是鉛酸蓄電池負極硫酸鹽化現象導致循環壽命較短，限制了電池的長足發展。鉛炭電池作為一種新型鉛酸蓄電池，只需在鉛酸蓄電池負極添加適量的碳材料即可，有效抑制負極硫酸鹽化現象，其倍率性能和循環壽命得到了顯著提升，有望在儲能范疇廣泛使用。鉛炭電池的結構原理圖如圖3所示。

鉛炭電池儲能技術在國內外均有廣泛的示范使用。2011年前后，美國在北美地區建立了容量為3MW/1～4MWh的電網級鉛炭電池儲能項目，在夏威夷Oahu和Maui分別建立了容量為15MW/10MWh和10MW/20MWh的鉛炭電池風電儲能系統，使用于電網輔助能量存儲、頻率調節和能源需求管理等。澳大利亞將3MW/1.6MWh的鉛炭電池儲能系統投入到King島項目中，保證新能源接入電網。哥倫比亞和南極洲部分區域也建立起了以鉛炭電池技術為核心的儲能系統。目前鉛炭電池儲能技術在我國的河北、青海、西藏、浙江等省的14個微網儲能項目中均有使用。在將來應當優化鉛炭電池制作工藝，探討碳材料最優添加量，對碳材料進行改性或者添加析氫抑制劑以抑制負極析氫現象，從而進一步提高鉛炭電池的循環壽命。

2.3液流電池

液流電池是利用正負極電解液分開存放，各自循環的一種高性能儲能電池。其活性物質存在于電解液中，實現了電極與活性物質空間上的分離。電池功率由電極的尺寸大小和電堆中電池的數目決定，電池容量則由電解質的濃度和體積決定，因此電池功率和容量可以分開設計，靈活方便。其結構原理圖如圖4所示。充放電時無固相電極過程及形貌變化，理論壽命較長，安全性能較高。目前比較成熟的液流電池體系蘊含鐵鉻體系、鐵鈦體系、釩溴體系和全釩體系等。其中全釩液流電池的正負極活性物質均為釩，可以戒備活性物質通過離子交換膜擴散造成的元素交織污染，優點分明，是目前最緊要的商用化發展技術方向。

液流電池在提升可再生能源入網、平衡電網穩定性等方面將發揮緊要用途，受到國內外的廣泛關注。美國在2011年儲能發展規劃中已將液流電池作為緊要的儲能技術發展方向，之后一年內資助建立了12個液流電池儲能系統。2015年加拿大安大略省也開展了4個液流電池儲能項目。我國于2012年建立了全球最大規模的5MW/10MWh遼寧臥牛石風電場全釩液流儲能系統，在國內外率先實現了該技術的示范使用。當前我國正在建立200MW/800MWh全釩液流電池國家儲能示范項目。現階段液流電池發展面對的緊要問題為發展高性能電解液，優化隔膜和極板材料，進一步降低成本，提高性能，從而更好的推動其產業化發展。

2.4鈉硫電池和ZEBRA電池

鈉硫電池的正負極材料分別為熔融態的硫和鈉，電解質為氧化鋁陶瓷管，當工作溫度在300~350℃。鈉硫電池的原理圖如圖5a所示，鈉離子透過電解質隔膜與硫之間發生的可逆反應，從而進行能量的釋放和儲存。鈉硫電池的理論比能量高達760Wh/Kg，實際可達150Wh/Kg，為鉛酸蓄電池的3—4倍，充放電效率高，循環壽命較長。ZEBRA電池與鈉硫電池的結構十分相近，但不同的是ZEBRA以固態多孔的二氯化鎳(NiCl2)等為正極并且加入液態的NaAlCl4為二次電解質，其原理圖如圖5b所示。ZEBRA電池放電時，負極中的金屬鈉離子化后通過β"-A12O3，擴散到正極與NiCl2反應生成Ni金屬和NaCl，充電則執行相反的過程。ZEBRA電池的能量密度可達到100Wh/Kg，壽命較長，儲能成本低，具有較好的耐過充過放特性，安全性能較高。

日本NGK公司是全球唯一鈉硫電池供應商，早在20世紀80年代就與東京電力公司合作研發鈉硫電池使用于儲能范疇。20世紀90年代末期，成功發展了兆瓦時級的儲能系統，緊要用來削峰填谷、輔助備用和穩定電網。2002年美國在俄亥俄州利用NGK公司供應的鈉硫電池建成了100kW/500kVA的示范電站，2006年相繼在西弗吉尼亞州建立了鈉硫儲能電站，成功保證了周邊地區居民的電能供應。在我國，鈉硫電池也得到了越來越多的關注。目前上海電力與中科院硅酸鹽所針對β-氧化鋁陶瓷管電解質的規模化制備和一致性控制等開展了系列研究，已經成功研制出650Ah單體，建立了2MW的電池單體中試線。2010年100kW/800kWh的鈉硫電池儲能系統被成功使用于上海世博園智能電網項目。上海電力公司在2013年陸續通過了3個鈉硫電池儲能項目的驗收。但是鈉硫電池制造成本較高，倍率性能較差，實際壽命有限，安全隱患大，嚴重限制了其在儲能系統中的使用。

瑞士的MAS？DEA公司和美國的GE公司已經實現了管型設計的ZEBRA的產業化使用。ZEBRA電池已經被成功用在奔馳、寶馬3和Clio等汽車中，在通信和軍事上也具有良好的使用前景。今后要加大對ZEBRA電池的研發力度，進一步提升電池的能量密度和功率密度，推進ZEBRA電池的國產化和商業使用。

2.5液態金屬電池

近年來，一種廉價、高效的新型液態金屬電池儲能技術得到了較快的發展。圖6為液態金屬電池的工作原理圖，電池由上下2層液態金屬和中間的無機熔融鹽電解質組成，其中3層液態互不混溶且依據密度差異自動分層。電池的運行溫度在300～500℃。液態金屬電池在長期使用的情況下不存在電極形變和枝晶生長的現象，展現出良好的安全性能和較長的循環壽命(預計壽命長達10000循環，15年)。液態金屬電池不要特殊的隔膜，使電池體系易放大和加工不受關鍵技術限制，儲能成本(低于250美元/kWh)。液態金屬電池的優良特性可以滿足大規模儲能市場的要求，因此在儲能范疇具有廣闊的使用前景。

目前華中科技大學等單位致力于研發液態金屬電池，針對關鍵電極和電解質材料做了大量研究工作，有效提高了電池的安全特性，成功實現了電池單體放大，快速推動了液態金屬電池儲能技術的發展。要實現液態金屬電池規模使用，非得有效處理電池的高溫密封和腐蝕等問題，同時發展新材料、新體系，進一步降低電池操作溫度，降低儲能成本。

3結束語

儲能產業在傳統電網的改造和智能電網建設方面的緊要性日益凸顯。目前抽水儲能發展最為成熟，但是依然要進一步實現高性能機組設計、制造國產化，降低儲能成本。壓縮空氣儲能作為緊要規模儲能技術，今后的發展方向為效率、穩定性更高，成本更低的超臨界壓縮空氣儲能。飛輪儲能技術起步較晚，目前仍處于初級階段，要加大研發力度。

電化學儲能技術已經在削峰填谷、提高電網穩定性和微網可再生發電等方面得到使用。目前鋰電池使用最為廣泛，但是要進一步提高電池的安全性能，降低電池成本。鉛炭電池有望成為大規模儲能系統發展中的緊要技術，其制作工藝和負極析氫問題仍需進一步優化與改進。液流電池在提升可再生能源并網率、平衡電網穩定性等方面有廣泛的使用，但要進一步優化關鍵材料，降低成本。鈉硫電池的制造成本和安全性能依然要重點研究，要加大對ZEBRA電池的研發力度，盡早實現電池的國產化。液態金屬電池作為新型的廉價、高效的電池體系，其儲能成本低、壽命長，經過技術攻關，有望在儲能范疇得到出較好的使用。

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