大規模電化學儲能系統發展現狀及示范應用綜述

許守平，李相俊，惠東

（中國電力科學研究院，北京市 100192）

0 引言

儲能技術是智能電網、可再生能源接入、分布式發電系統及電動汽車發展必不可少的支撐技術之一，不但可以有效地實現需求側管理、消除峰谷差、平滑負荷，而且可以提高電力設備運行效率、降低供電成本，還可以作為促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性和可靠性、調整頻率、補償負荷波動的一種手段，此外儲能技術還可以協助系統在災害事故后重新啟動與快速恢復，提高系統的自愈能力［1－4］。一直以來，在電力系統中都是采用抽水蓄能的方式來解決電力儲能應用上的問題，但隨著智能電網的構建和電動汽車的大力推進，世界各國對儲能技術的研究越發重視，電化學儲能技術發展迅速，已從小容量小規模的研究和應用發展為大容量與規模化儲能系統的研究和應用。電化學儲能是指通過發生可逆的化學反應來儲存或者釋放電能量，其特點是能量密度大、轉換效率高、建設周期短、站址適應性強等。根據化學物質的不同可以分為鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池等儲能形式。目前，圍繞電化學儲能系統的研究主要集中在儲能配置方式和容量優化等方面［5－10］，而對電化學儲能系統的發展現狀、應用示范以及在電網中的功能尚缺少較為系統的論述。因此，本文對國內外的大規模電化學儲能系統的發展現狀和示范應用進行總結和闡述，并對其技術方向和未來發展趨勢進行探討和展望，以期為我國電力系統安全高效運行提供新的技術支持，并為未來智能電網中的的儲能系統建設提供參考建議。

1 鉛酸電池儲能

鉛酸電池是以二氧化鉛和海綿狀金屬鉛分別為正、負極活性物質，硫酸溶液為電解質的一種蓄電池，已經有140多年的歷史。鉛酸電池具有自放電小、電池壽命長、抗震動、比容量高、大電流性能好、高低溫性能較好、價格低廉、制造及維護成本低、無“記憶效應”、電池失效后的回收利用技術比較成熟及回收利用率高等優點［3，5］，因此在近幾十年中，隨著鉛酸電池性能的改進和成本的降低，其作為電動車用電源、不間斷電源、軍用電源、電力系統負荷均衡的儲能電源等，已經在各個行業得到了廣泛應用。

在用作儲能技術方面，目前世界各地已經建立了許多基于鉛酸電池的儲能系統。早在1986年，德國就在柏林BEWAG 建成了1 套基于鉛酸電池的8.5 MW×1h電池儲能系統并投入商業運營，用于電力調峰和電網調頻。1988年，美國在加利福利亞洲建立了10MW×4h鉛酸電池儲能系統，用于電力調峰和電能質量控制。1996年，美國在阿拉斯加的Metlakatla島上建立了另外1 套基于鉛酸電池的1.4 MW·h電池儲能系統，作為離網式水力發電系統的后備電源，能夠以800kW 的功率提供90 min的應急電能。2011年，美國在夏威夷又興建了3 座鉛酸電池儲能系統，用于當地光伏和風電場的爬坡出力控制和備用電源。在20世紀90年代初期，西班牙首都馬德里建立了1MW×4h的鉛酸電池儲能系統ESCAR，用于電力調峰，是歐洲首個用于電網調峰用途的鉛酸電池儲能系統，在用電高峰時段，該系統能夠以1.2 MW 的功率提供2 MW·h的電能。國外基于鉛酸電池的大型儲能系統如表1所示。

中國加入世界貿易組織后，由于看好中國蓄電池市場的巨大潛力以及發達國家對鉛酸電池行業的限制政策，越來越多的國外大型電池廠商選擇在中國建廠或合資生產制造。目前，中國鉛酸電池產量超過世界電池產量的1／3，成為世界電池的主要生產地，生產研發技術與國際先進水平差距已不明顯。國內基于鉛酸電池的大型儲能電站很少，典型的有中國電力科學研究院電工所于2012年在河北省張北縣國家風電檢測中心建立的儲能實驗室，包含有100 kW×6 h的鉛酸電池儲能系統，主要功能是跟蹤風電計劃出力，削峰填谷，改善電能質量；浙江溫州市洞頭縣鹿西島并網型微網示范工程中的2 MW×2 h鉛酸電池儲能系統，主要功能是改善電網質量，提高電網可靠性。

表1 國外大型鉛酸電池儲能系統一覽表Tab.1 Large－scale lead－acid battery energy storage system in foreign countries

2 液流電池儲能

液流電池是正負極活性物質均為液態流體氧化還原電對的電池，最早由美國航空航天局資助設計，1974年由Thaller H.L.公開發表并申請了專利。液流電池具有循環壽命長、儲能容量大、可超深度放電等優點，主要包括全釩液流電池（all－vanadium redox flow battery，VRB）、鋅溴液流電池和多硫化鈉／溴液流電池等。

2.1 VRB

VRB以溶解于一定濃度硫酸溶液中的不同價態的釩離子為電池充、放電時正、負極電極反應的活性物質，根據電解液的濃度及電池的充放電狀態，電解液中的釩離子的存在形式會產生一些變化，從而對電池正極電對的標準電極電位產生一些影響，實際使用時電池的開路電壓一般為1.5～1.6 V。VRB 除具有液流儲能電池的優點外，由于電解質金屬離子只有釩離子一種，還能夠避免充放電時因為離子互串而導致的電解液污染問題，并且釩電解質溶液可循環使用和再生利用，節約資源，因此在太陽能、風能等可再生能源利用、電力系統用戶端“調峰填谷”、應急和備用電源以及軍事領域有著廣泛的應用前景［11－13］。

VRB由澳大利亞新南威爾士大學發明［14］，從20世紀80年代中期開始，日本有多個機構參與了VRB的研發工作，并成功開發出多種不同規模的VRB 儲能系統。1985年，日本住友電工與關西電力公司合作進行VRB 的研發工作，并于1996年用24個20 kW的電池組（實際功率18.8 kW）通過模塊化方式串、并聯連接組成了450 kW 的VRB電池組，作為子變壓電站的1個基本單元進行充放電試驗。2000—2002年，日本住友電工分別完成了多項各種儲能容量的VRB電池組的建設，其中北海道的1套功率為4 MW×1.5 h的VRB 儲能系統用于對當地30 MW 風電場的調頻和調峰。目前，在日本共有15套VRB儲能系統示范運行［15－16］。

澳大利亞的Pinnacle VRB Ltd公司及加拿大的VRB Power Systems公司在大型全釩液流電池儲能系統（VRB－ESS）的開發上也走在世界前列［17］。2004年2月，VRB Power Systems 公 司 又 為Castle Valley，Utah Pacific Corp 公司建造了輸出功率為250 kW，儲能容量為2 MW·h 的全釩液流儲能電池系統，這是北美地區第1座大型商業化VRB 儲能系統，主要用于電廠的削峰填谷、平衡負載。

于2000年成立的奧地利Cellstrom GmbH 公司在2008年成功開發出10 kW／100 kW·h 的VRB儲能系統，系統的能量轉換效率可達到80%。他們與Solong AG 光伏公司合作將該系統與太陽能光伏電池配套，用作城市電動車的充電站，在奧地利維也納進行應用示范。

在我國，VRB研究始于20世紀90年代，中國科學院大連化物所、中國地質大學、中國工程物理研究院電子工程研究所、廣東工業大學、廣西大學、東北大學、中國科學院金屬研究所和中南大學等先后加入到VRB的研究中來［18－19］。2008年，中國電力科學研究院電工所與中國科學研究院大連化物所合作建成當時國內最大的100 kW×2 h的VRB儲能系統，在中國電力科學研究院開展試驗示范。2009年7月，大連化物所又與西藏太陽能研究示范中心合作，在西藏成功安裝了1套“太陽能光伏發電—5 kW／50 kW·h液流電池儲電”聯合供電系統。產業化方面，北京普能公司由于購買了加拿大VRB 公司，成為目前世界上唯一能夠提供商業化VRB的公司。

2.2 鋅溴液流電池儲能

鋅溴液流電池發明于19世紀70年代早期，是一種內有液體流動的電池，包含了1個電化學反應器，通過該反應器，電解液從外部儲罐流入電池槽里的鋅反應堆板，形成循環系統。該電解液包含了以一種鹽復合物形式存在的溴，由泵輸送，該復合物降低了溴的蒸汽壓力，使存儲和系統操作更安全，同時電解液的變化可以調整電池能量特性。鋅溴液流電池理論開路電壓1 182 V，總效率為75%，理論能量密度430 W·h／kg，電池可以100%深度放電，具有較高的能量密度和功率密度以及優越的循環充放電性能［20］。鋅溴電池在近常溫下工作，不需要復雜的熱控制系統，其大部分構件由聚乙烯塑料制成，便宜的原材料和較低的制造費用使其在成本上具有競爭力。

美國Exxon和Gould公司最早介入鋅溴液流電池工程化研究，而ZBB 公司后來居上，并于2001年在美國底特律1個鄉間電站安裝400 kW·h的鋅溴電池儲能系統，主要用于負荷管理。2008年ZBB 公司向愛爾蘭提供了1套500 kW·h鋅溴液流電池儲能系統，用作儲能與風能發電技術聯用，在商業化進程中邁出堅實的一步。2012年，澳大利亞分別在昆士蘭島和南威爾士興建了3座鋅溴液流電池儲能電站，用于對當地的可再生能源發電進行削峰填谷，進而提高本地電力系統的穩定性，改善當地電能質量。

2.3 其他液流電池儲能

1984年，美國人Remick發明了多硫化鈉／溴氧化還原液流儲能電池，是分別以多硫化鈉和溴化鈉的水溶液為電池負、正極電解液及電池電化學反應活性物質的液流電池體系。20世紀90年代初，英國Innogy公司開始工程研發，2002年在英國南威爾士Aberthaw 電站安裝15 MW／120 MW·h 的多硫化鈉／溴儲能系統開始示范運行，用于當地調峰填谷；2004年在美國密西西比的哥倫比亞空軍基地建造了世界上第2 座多硫化鈉／溴儲能系統，規模達12 MW／120 MW·h，可為該空軍基地在非常時期提供24 h儲能。但是，由于無法解決電池設備中溴汽蒸發問題，目前這2個示范系統已經停運。

近年，美國又開發出氯化鋅液流電池，并于2012年在加利福尼亞州 Modesto 建立 1 座25 MW／75 MW·h的示范儲能電站，對當地風場和光伏電站進行調峰填谷，參與當地電能管理，延緩電網升級，降低電力成本，改善當地的電能質量。國內外基于液流電池的大型儲能系統如表2所示。

3 鈉硫電池儲能

鈉硫電池以鈉和硫分別用作鈉硫電池陽極和陰極，Beta－氧化鋁陶瓷同時起隔膜和電解質的雙重作用。鈉硫電池具有原材料豐富，容量大、體積小、能量密度和轉換效率高、壽命長、不受地域限制等優點，是一種能夠同時適用于功率型儲能和能量型儲能的儲能電池［21］。

鈉硫電池最早發明于20世紀60年代中期。從1983年開始日本NGK 公司和東京電力公司合作，成功開發了用于電網儲能的大容量鈉硫電池。2004年7月，日本投運了1 座9.6 MW／57.6 MW·h 的鈉硫蓄電池儲能電站，該儲能電站設計的最大功率達到20 MW，是當時世界上最大的鈉硫儲能電站［22］。目前運行的鈉硫電池儲能站大多用于電力平衡，其應用覆蓋了商業、工業、電力、水處理等各個行業。此外，鈉硫電池儲能站還被應用于風力發電的儲能，對風力發電的輸出進行穩定。目前，全球已有100余座鈉硫電池儲能站在運行中。

美國從2002年9月開始運行第1座100 kW 試驗站，2006年在西維吉尼亞州的Chemical電站開始運行第1座1.2 MW／7.2 MW·h示范站，主要用于削峰填谷，延緩了輸變電設備的投資，提高了電網資產的利用率。2008年，NGK 公司在美國明尼蘇達州Luverne投資興建了1 座1 MW／7 MW·h 的鈉硫電池儲能系統，用于對當地11 MW 風電場的電壓支持，爬坡控制和調頻。目前，美國已投運的鈉硫電池容量達到9 MW，還將有9 MW 于近2年投運。2009年，NGK 公司還與法國EDF公司簽署為期5年的購貨合同，提供150 MW 的鈉硫電池系統。

我國的鈉硫電池研究起步與國際同步，開始是針對電動汽車應用，90年代末被迫中止［23］。2005年9月，上海市電力公司與上海硅酸鹽所聯合對儲能鈉硫電池開展調研，于2006年8月21日，雙方簽訂正式合作協議共同投資開發儲能鈉硫電池。2007年1月2日，第1 只容量達到650 Ah的單體鈉硫電池制備成功，在同年5月開展鈉硫電池工程化技術研究，同時成立上海鈉硫電池研制基地，實行準公司化運行。2010年4月，在上海漕溪能源轉換綜合展示基地建成國內第1座100 kW／800 kW·h的鈉硫儲能電站，主要作為示范研究，為后續大規模化探索經驗。

總的說來，從國際形勢看，日本NGK 在鈉硫電池研發、生產、商業運營和工程應用上取得了巨大的成功。從國內形勢看，我國已在大容量鈉硫電池關鍵技術和小批量制備上取得了突破，但在生產工藝、重大裝備、成本控制和滿足市場需求等方面仍存在明顯不足，離真正的產業化還有一段較長的路要走。

4 鋰離子電池儲能

鋰離子電池因為具有儲能密度高、儲能效率高、自放電小、適應性強、循環壽命長等優點，得到了快速發展。近年來，隨著鋰離子電池制造技術完善和成本不斷降低，許多國家已經將鋰離子電池用于儲能系統，其研究也從電池本體及小容量電池儲能系統逐步發展到應用于大規模電池儲能電站的建設應用［24］。

在將鋰離子電池應用于電力系統儲能方面，美國處于領先位置。美國電科院在2008年已經進行了磷酸鐵鋰離子電池系統的相關測試工作，并在2009年的儲能項目研究規劃中，開展了鋰離子電池用于分布式儲能的研究和開發，其中包括2 kW／4 kW·h、50 kW／200 kW·h、100 kW／400 kW·h 的鋰離子電池儲能系統；同時，美國電科院還在2009年開展了MW 級鋰離子電池儲能系統的示范應用，主要用于電力系統的頻率和電壓控制以及平滑風電等。

表2 國內外大型液流電池儲能系統一覽表Tab.2 Flow redox battery energy storage system in China and abroad

目前，美國A123 Systems公司開發出2MW×0.25h的H－APU柜式磷酸鐵鋰電池儲能系統。2008年11月，A123 Systems公司聯合GE 公司，與美國AES公司與合作，于2009年在賓夕法尼亞州實施了2 MW 的H－APU 柜式磷酸鐵鋰電池儲能系統接入電網［25］。同時，將類似的2個兆瓦級磷酸鐵鋰電池儲能系統分別接入了加利福尼亞的2個風電場，其應用主要定位于為電力系統提供包括頻率控制在內的輔助服務和新能源靈活接入。

中國是鋰離子電池生產大國，以比亞迪公司為代表的電池企業十分注重鋰離子電池儲能的電力應用技術［26－28］。2008年，比亞迪公司開發出基于磷酸鐵鋰電池儲能技術的200 kW×4 h 柜式儲能電站，并于2009年7月在深圳建成我國第1座1 MW×4 h磷酸鐵鋰離子電池儲能電站，其應用方向定位于削峰填谷和新能源靈活接入。

2011年，國家電網公司在張北投產運行國家風光儲輸示范工程，該工程項目一期配置了20 MW 的儲能系統，總工程項目預計配置75 MW 儲能系統，其中多數為鋰離子電池儲能系統，希望利用儲能系統來解決在風電、太陽能發電并網過程中的幾大問題：以儲能平緩風電的波動；通過儲能來矯正風電預測偏差；利用儲能削峰填谷；通過儲能調整新能源出力等。同年10月，中國電力科學研究院與福建電力科學研究院合作研制開發移動式儲能電站樣機，這是國內首套接入配電網末端的，將有效提高配供電能力的、功率最大的移動式儲能電站。2012年6月，該移動式儲能電站在福建安溪投入使用。該項目包含2套功率為125 kW×250 kW·h和1套125 kW×75 kW·h的移動式儲能電站。2012年8月，遼寧錦州塘坊儲能型風電場5 MW×2 h鋰離子電池儲能系統示范項目開始正式啟動。塘坊儲能型風電場項目是目前國內在電源側建設的首批儲能項目之一，也是國內發電集團建設的第1個儲能型風電場項目。該儲能示范項目的主要目的是提高風電場的風電電能品質、減少棄風、提高電網接納風電能力。國內外基于鋰離子電池的大型儲能系統如表3所示。

表3 國內外大型鋰離子電池儲能系統一覽表Tab.3 Large－scale lithium－ion battery energy storage system in China and abroad

5 其他電池儲能

除了上述電池，國內外對其他化學儲能也進行了相關研究，并取得了很大的進展［29］。

早在2003年，法國Saft公司就在美國阿拉斯加州Fairbanks建設了1座儲能規模為27 MW 的鎳鎘電池儲能系統，主要用于對當地電力系統提供無功補償，進而改善電能質量，提高供電穩定性。

2008年，中國第1 座以春蘭高能動力鎳氫電池為儲能系統的100 kW 國家電網上海儲能電站，成功實現商業運營，并投入上海世博會使用。該儲能電站可將晚上電網上多余的電能儲存，為白天用電高峰時供電，實現削峰填谷，而且還可以調壓調頻、穩定電網。

2012年，美國Aquion Energy公司宣布在賓夕法尼亞州的Pittsburgh建設1座鈉離子電池儲能系統，儲能規模為14 kW×4 h，主要用于電能管理、當地電壓支撐、可再生能源的調頻和削峰填谷，改善當地電能質量。這是目前為止，鈉離子電池用于儲能系統示范電站的首次嘗試。

2012年，加拿大Hydrogenics公司宣布與德國意昂集團合作，贏得了歐洲的1個氫儲能項目，為德國北部Falkenhagen 小鎮提供2 MW 的氫儲能設備。該設備主要由1個350 bar的電化學壓縮機、30Nm3PEM 電解系統、90 kW 燃料電池組成，將展示和驗證將可再生能源發電與加氫設施連接后的氫儲能系統在技術和經濟上的可行性，增加可再生能源發電量，促進電網的平衡。

2012年，澳大利亞Ecoult公司在美國西賓夕法尼亞州Lyon Station建立的1座超級電池儲能系統投入運行，該系統的儲能規模為3 MW×15 min，主要用于對當地電網進行頻率調節與出力爬坡控制，改善電能質量，提高供電可靠性。

6 結語

通過對各種電化學儲能技術形式在當前國內外的實際應用進行總結，可以看到，電化學儲能因為具有轉換效率高、能量高密度化和應用低成本化等優點，正在成為大規模儲能系統應用和示范的主要形式，在全球范圍內已有不少的實際工程項目，成功應用于電力系統的各個領域，對解決可再生能源發電并網，改善電力系統的穩定性，提高供電質量提供了新的思路和有效的技術支持。因此，世界各國，特別是發達國家，都在積極開展這方面的研究。我們也應該充分利用電力體制改革的良好機遇.積極開展這一領域的研究，為我國電力系統安全高效運行提供新的技術支持。大規模的電化學儲能技術市場潛力巨大，具有越來越重要的經濟價值和社會價值，在未來智能電網的建設中必將起到越來越重要的作用。

但電化學儲能也存在一些問題，從電化學儲能電池本身來看，不同類型電池在功率、能量方面的性能各有側重，相比于諸多其他儲能類型，電池儲能功能定位需要明確，要深入研究其在不同功能應用中的適用性并進行相關示范測試。

而且電力系統的復雜環境使得單一的儲能技術很難滿足所有的要求，目前還沒有哪一種電化學儲能技術能同時滿足能量密度、功率密度、儲能效率、使用壽命、環境特性以及成本性能等大規模應用的條件，在電力系統的實際應用中，必須根據實際要求，研究不同類型電池間、電池與其他儲能介質間的組合運行，提高電池的功率性能和循環壽命。將不同的電化學儲能技術結合使用，充分發揮各種儲能技術的特點，使其優勢互補，從而提高儲能系統的靈活實用性和技術經濟性。因此，未來大規模多類型混合儲能系統有望在電力系統中得到大力的推廣和發展。

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