可再生能源發電及智能電網儲能技術比較

吳賢章，尚曉麗

（浙江南都電源動力股份有限公司研究院，浙江 杭州 311305）

在全球變暖的碳減排壓力和化石能源不可持續的危機之下，世界各國以風能、太陽能為代表的可再生能源開發利用步伐日益加快。隨著可再生新能源發電占比的不斷提高，穩定發電出力波動、增強可調節性、改善電網消納能力面臨巨大挑戰。儲能技術是消除可再生能源大規模開發利用瓶頸的關鍵技術，可調整風電、光伏發光電的不可預測性，提高能源利用效率，改善電網電能質量。

同時，傳統電網面臨用電高峰期發電成本高、供需不平衡導致輸電線路阻塞、發電廠與終端用戶遠距離輸電線路損耗嚴重等諸多難題，迫切需要在保證供用電連續性、可靠性、靈活性的同時，減緩電網擴容、降低運營成本。儲能技術是智能電網的必要組成部分，滲透于電力系統發、輸、變、配、用的各個環節,可平抑峰谷差，減少發電功率調整，提高傳統發電效率，降低燃料成本；提高黑啟動安全性，降低事故發生率；提高電網安全性，在輸配環節出現問題時提高備份電源；降低主干網擴容投入，節約大量擴容資金[1]。

在儲能市場商業化雛形階段，系統性的分析比較各類儲能技術的性能特點，為未來市場發展提供篩選技術路線的框架基礎至關重要。本文將闡述儲能技術在可再生能源發電和智能電網中的作用，對物理儲能、電化學儲能及其它化學儲能技術進行系統的比較與分析，最后提出儲能技術的發展趨勢。

1 儲能技術分類

根據所用的能量形式，可將儲能技術分為物理儲能(如抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能)、電化學儲能（二次電池、液流電池）、化學儲能（氫能、合成天然氣）、電力儲能(如超導線圈儲能、超級電容器儲能)和熱儲能（熔融鹽儲能、顯熱儲能）五類，如圖1所示。

圖1 儲能技術分類[2]Fig.1 Classification of energy storage systems according to energy form[2]

2 儲能技術應用

圖2所示為基于頻率和持續時間劃分的儲能技術應用，包括負荷調平、改善電能質量、頻率調節、備用電力四類。

（1）負荷調平（削峰填谷）——轉移峰荷需求以降低電力調度困難（分鐘級～小時級）。發電廠必須具備充足的發電能力、輸變線路以適應逐年攀升的高峰用電負荷，負荷峰谷差越來越大，電力系統調度困難，通常需要利用抽水蓄能或安裝更多的調峰機組（如快速啟動的燃氣輪機），或者增加常規煤電的調峰能力，但煤電低出力時熱效率低下。而且電力短缺往往具有很強的季節性和時段性，按峰荷匹配發電設施的成本效益不理想。采用儲存技術，如在變電站安裝大規模電池組，將谷電儲存起來峰荷時用，可以調平發電出力，提高發電效率，降低燃料成本，推遲建設新的發電廠、輸電線和相應的設備的周期[3]。

圖2 基于頻率和持續時間劃分的儲能技術應用[2]Fig.2 Different uses of electrical energy storage in grids depending on the frequency and duration of use[2]

（2）改善電能質量——緩沖供電電壓和頻率波動對敏感型負荷的影響（秒級）。越來越多的電子型負荷對電壓驟降或對供電短時中斷極為敏感。如果采用一些儲能設備（如蓄電池、飛輪等），并與無功補償設備相結合，供電質量就可得到改善。

（3）頻率調節——輔助可再生能源發電以獲得穩定的電力輸出（秒級～分鐘級）。風電、太陽能光伏發電越來越多的接入電力系統，而傳統通過調節發電機輸出功率適應負荷變化的做法難以適應發電側本身的間歇式性和不可調性，儲能技術可以平滑可再生能源發電出力，保證穩定的電力輸出。

（4）備供電力——保證當供電轉移時供電不間斷（秒級～小時級）。改善電力系統的穩定性能，增加可靠性，作為供電事故備用（如蓄電池、飛輪、超導儲能、超級電容器儲能）。

3 儲能技術比較

在選擇儲能技術路線時，除了考慮投資成本、運行維護費用等經濟因素以及安全和環境因素外，必須衡量的技術指標包括能量密度、功率密度、響應時間、充放電效率和使用壽命，儲能各種技術的參數對比如表1所示。同時，綜合考慮各種技術的優劣勢，做到揚長避短至關重要。

根據各種儲能技術的特點，飛輪儲能、超導儲能和超級電容器儲能適合于需要提供短時較大的脈沖功率場合，如應對電壓暫降和瞬時停電、提高用戶的用電質量，抑制電力系統低頻振蕩、提高系統穩定性等；而抽水儲能、壓縮空氣儲能和電化學電池儲能適合于系統調峰、大型應急電源、可再生能源并入等大規模、大容量的應用場合[4]。

表1 不同儲能技術參數比較（來自Fraunhofer）Table 1 Technical overview of EES technologies by Fraunhofer

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表1 全面綜合了各種儲能技術的多項指標，為對儲能技術有進一步清晰的認識，從以下三個方面做分類比較。

3.1 各種儲能技術額定功率、能量、放電時間的 比較

圖3所示為各種儲能技術額定功率（W）與能量（W·h）的雙對數圖，根據其能量/功率比范圍進行從秒至月的額定放電時間劃分,可以確定各項技術適合的放電時間區間，如表2所示。

圖3 不同儲能技術額定功率、能量、放電時間的比較[2]Fig.3 Comparison of rated power, energy content and discharge time of different EES technologies[2]

目前，并非所有儲能技術都已實現商業化，但人們期望各項技術均能在未來發揮更重要的作用。每kW 和每kWh 的成本經濟因素是制約某項技術未能實現更高功率或能量的主要原因。

表2 儲能技術額定功率、能量和放電時間的比較Table 2 Comparison of rated power, energy content and discharge time of different EES technologies

3.2 各種儲能技術體積比功率、體積比能量的比較

圖4對比了各種儲能技術體積比功率、體積比 能量，體積比功率密度和能量密度越高,所需空間越小。右上方的技術為緊湊型，所需空間小，適合移動應用；左下方的技術如抽水蓄能、壓縮空氣儲能則需占據很大的空間；二次電池則介于兩者之間。

3.3 儲能技術成熟度比較

在超高容量大規模儲能技術中，抽水蓄能和壓縮空氣技術相對成熟，適合100 MW 以上級別儲能系統。鈉硫電池、釩電池、鋰電池、鉛酸電池和飛輪儲能已經開始運用于兆瓦級別的項目中，其中鉛酸電池技術為覆蓋功率范圍最寬、技術成熟度最高的儲能技術[5]，具體見圖5。

3.4 儲能技術應用可行性比較

圖4 不同儲能技術體積比功率、體積比能量的比較[2]Fig.4 Comparison of power density and energy density (in relation to volume) of EES technologies[2]

圖5 不同儲能技術的成熟度比較[6]Fig.5 Maturity and state of the art of storage systems for electrical energy[6] Note: the width of the barrindicates storage capacity

現在，鉛酸電池在離網、應急電源、削峰填谷、改善供電質量等應用領域已具有可行性。目前，鋰離子電池在電動車市場已具有可行性，在其它諸多 領域有很大潛力，但需要進一步開展嚴格審慎的研究工作，并通過規模化生產降低成本。壓縮空氣、釩液流電池、氫氣儲能用于削峰填谷也面臨同樣的問題。混合液流、合成天然氣也可能用于削峰填谷，但需要進一步開展基礎研發工作，實現產品的可靠性和低成本，詳見圖6。

3 結 語

圖6 不同儲能技術應用可行性比較Fig.6 Feasibility of different EES technologies

綜上比較，不存在各項特性均優于其它技術的通用型儲能技術，未來各種不同的儲能技術將共存發展，各得其所，各取所長：中、短時放電（秒級 ~小時級）覆蓋的功率和能量密度范圍最寬，其中不乏各種成熟的儲能技術，尤其是飛輪、雙電層電容器及各種電池體系，均可在此范圍使用；中、長時放電（小時級~日級），抽水蓄能是目前唯一可行的大容量儲能技術，壓縮空氣儲能經進一步研究有望在此范圍應用，但兩者選址均受地形限制，選址困難。也可通過提高其它儲能技術的容量，對分散的儲能系統進行控制、并網來實現；長時放電（日級-月級）對儲能容量要求極高（GW·h~TW·h）目前尚無實際投入運行的儲能技術，需要開發氫氣、合成天然氣等新技術。

不同儲能技術的采用首先取決于前述的能量密度、功率密度、響應時間、充放電效率和使用壽命等技術因素，但不同儲能技術發展進步的速度及其經濟性將在相當大的程度上決定了其應用前景。

[1] Zhang Huamin（張華民）. Development and application status of energy storage technologies[J]. Energy Storage Science and Technology（儲能科學與技術），2012，1（1）：58-63.

[2] IEC Electrical Energy Storage White Paper [R]. 2011.

[3] Hu Xuehao. The requirements of power grid to energy storage technology [C]//Energy Storage International Conference 2012，Beijing，China.

[4] Steven Chu，Arun Majumdar. Opportunities and challenges for a sustainable energy future [R/OL]// http://www.nature.com/nature/ journal/v488/n7411/full/nature11475.html.

[5]日經證券. 鉛酸電池行業深度報告[R]. 2012.

[6] Anthony Price. Is energy storage the key to the success of renewable energy systems?[C]// 13th ELBC，2012.