基于綜合能源的儲能技術與發(fā)展路線分析

李江鋒，王智峰，楊倩鵬

（1.陜西省地方電力（集團）有限公司咸陽供電分公司，陜西 咸陽 712000；2.西安理工大學 電氣工程學院，陜西 西安 710048）

0 引 言

近年來，風力發(fā)電和光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，在未來能源發(fā)電領域占據(jù)重要地位。可再生能源發(fā)電的波動性和間歇性會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，而配備儲能系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)是重要的解決方法之一[1]。同時，隨著分布式發(fā)電技術和產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，特別是基于可再生能源的中小規(guī)模分布式發(fā)電，用戶側(cè)對儲能的需求非常強烈。儲能是提升分布式系統(tǒng)能源利用效率和經(jīng)濟性的重要途徑[2,3]?，F(xiàn)階段，高效環(huán)保的儲能技術逐步引起了能源發(fā)電行業(yè)的重視，成為保障可再生能源發(fā)電和分布式發(fā)電發(fā)展的關鍵技術[4]。

本文通過歸納儲能領域的技術分類、產(chǎn)業(yè)概況以及前沿技術，對比分析各類儲能方式的技術特點和應用方向，展望儲能的產(chǎn)業(yè)應用前景，提出了儲能領域的技術研究和產(chǎn)業(yè)應用路線，有助于更好地引導我國儲能領域的發(fā)展。

1 儲能技術分類與產(chǎn)業(yè)概況

1.1 儲能技術分類

儲能技術按照原理可以分為機械儲能、相變儲能、電化學儲能以及電磁儲能4類[5]。機械儲能（動能、勢能以及壓能）包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能以及飛輪儲能等形式。相變儲能（熱能）包括蓄熱和蓄冷形式。機械儲能和相變儲能屬于物理儲能技術，原理和系統(tǒng)相對簡單。

電磁儲能包括超導儲能和超級電容器等形式。電化學儲能包括鋰離子電池、鈉硫電池、鈉鎳電池、鉛酸電池以及液流電池等二次電池體系。電磁儲能和電化學儲能的前沿技術主要圍繞材料科學展開，兩者也通常合稱為化學儲能。

1.2 儲能產(chǎn)業(yè)概況

目前，國內(nèi)外對于儲能產(chǎn)業(yè)的分析，大多圍繞化學儲能范圍展開。抽水蓄能等機械儲能形式和冰蓄冷、熔鹽蓄熱等相變儲能形式，通常歸入水力發(fā)電、暖通空調(diào)以及光熱發(fā)電等其他產(chǎn)業(yè)分析范疇。

近年來，化學儲能的技術和規(guī)模發(fā)展迅速。為引導儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國際能源署（IEA）在2014年發(fā)布了《儲能技術路線圖》，規(guī)劃了未來40年世界儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向[6]。2015年國際可再生能源署（IRENA）發(fā)布了《可再生能源與電力儲能技術路線圖》，分析了可再生能源儲能的產(chǎn)業(yè)與技術方向。截至2015年底，世界范圍內(nèi)化學儲能的累計裝機容量達到1 930 MW，形式組成如圖1所示。其中，鋰離子電池是最主要的化學儲能形式，累計裝機容量達到1 060 MW。

圖1 2015年世界化學儲能累計裝機容量組成

在儲能的產(chǎn)業(yè)用途方面，根據(jù)近年儲能項目應用模式來看，除了滿足傳統(tǒng)的調(diào)頻、輸配電以及備用電源等需求外，用戶側(cè)儲能、可再生能源平滑以及儲能盈利是儲能技術在發(fā)電領域的3種重要新型用途。首先，用戶側(cè)儲能需求與分布式光伏發(fā)電的快速發(fā)展密切相關。隨著分布式光伏發(fā)電用戶越來越多地采用自發(fā)自用模式，用戶側(cè)化學儲能的需求隨之逐步增長。其次，可再生能源平滑用途也稱可再生能源集成，主要是針對中小規(guī)模風電、光伏以及光熱等的配套化學儲能?？稍偕茉雌交哪康氖菧p少可再生能源發(fā)電的間歇性和波動性，使功率輸出更平滑，提升系統(tǒng)的綜合效率和經(jīng)濟性。最后，儲能盈利用途則是通過建立儲能系統(tǒng)綜合服務于各類儲能需求，并通過提升服務的效率和經(jīng)濟性使自身獲得盈利從而實現(xiàn)共贏[7-10]。

1.3 新能源汽車與動力電池組

除發(fā)電領域外，交通領域的新能源汽車產(chǎn)業(yè)也是儲能技術的重要應用領域，對儲能技術的發(fā)展創(chuàng)新具有重要的推動作用[11]。

世界范圍內(nèi)，新能源汽車（NEV）包含純電動汽車（EV）和插電式混合動力汽車（PHEV）兩大類別。2015年，全球新能源汽車銷量達到54.9萬輛，近3年銷量增速均達50%～60%。

伴隨新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，相配套的動力電池的技術和產(chǎn)業(yè)進步顯著。動力電池技術的進步使得動力電池組價格明顯下降[12]，刺激了新能源汽車的生產(chǎn)銷售，形成了良性循環(huán)。

對于新能源汽車，我國近年來出臺了《關于加快新能源汽車推廣應用的指導意見》和《免征車輛購置稅的新能源汽車車型目錄》等一系列政策。相關政策的主要措施包括對新能源汽車免征車輛購置稅、鼓勵私人投資建設電動汽車充電站、用電采用扶持性定價、對電動汽車充換電服務費實行政府指導價管理以及電動汽車充換電設施配套電網(wǎng)改造成本納入電網(wǎng)企業(yè)輸配電價等。以上措施不僅將刺激新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也將對發(fā)電產(chǎn)業(yè)和儲能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生長遠影響。

2 儲能技術對比與前沿技術

2.1 鋰離子電池與動力電池組

鋰離子電池是電化學儲能的代表性形式，也是目前世界上的主要化學儲能形式，累計裝機容量占化學儲能總量的一半以上。伴隨新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和動力電池組技術進步，鋰離子電池相關的前沿技術近年來不斷涌現(xiàn)，成為電化學儲能領域熱點。

對于純電動汽車（EV）而言，動力電池組容量一般為15～90 kW·h，續(xù)航里程為50～450 km，重量為0.2～0.6 t，價格為5萬元 ～25萬元。動力電池組通常占整車重量的20%～40%，占整車價格的30%～50%，高于普通汽油車的發(fā)動機重量比例（約15%）和價格比例（10%～30%）。

較高的定價和政策的約束，推動了動力電池組技術的進步和創(chuàng)新。常見的動力電池組技術包括鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池以及三元聚合物鋰電池等。鉛酸電池的優(yōu)點是電壓穩(wěn)定和價格便宜，缺點是比能量?。?5～50 Wh/kg）、壽命短以及維護頻繁，目前主要應用于部分低速電動汽車。

鋰離子電池是目前動力電池組的主流技術，常見能量密度在100～150 Wh/kg，是鉛酸電池3～4倍，可以較好地滿足電動汽車對動力和自重兩方面需求的平衡。

正極材料對于鋰電池的能量密度、安全性以及循環(huán)壽命等起決定性作用，占鋰電池成本的40%。目前，主流正極材料包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鎳鈷錳酸鋰三元材料等[13]。

磷酸鐵鋰電池屬于鋰離子二次電池，能量密度為80～100 Wh/kg，主要用于動力電池。磷酸鐵鋰電池充放電效率可達90%以上，而鉛酸電池約為80%。磷酸鐵鋰電池安全性高和壽命長，缺點是價格較高、容量較小、續(xù)航里程短以及無法回收等。

鈷酸鋰電池主要用于特斯拉電動車，車輛采用松下NCA系列18650鈷酸鋰電池，單顆電池容量為3 100 mAh。特斯拉MODEL S的85 kW·h動力電池組由8 142個18650鋰電池組成，并置于車身底板，根據(jù)廠家宣傳其動力電池組能量密度達到230～ 250 Wh/kg。

鈷酸鋰電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且性能突出，但安全性較差，成本較高。鈷酸鋰電池主要用于中小型號電芯，標稱電壓為3.7 V。鈷酸鋰電池組合后使用，需要采用技術手段（獨立保險絲等）嚴格保障安全性。

三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰（Li（NiCoMn）O2）三元正極材料的鋰電池。三元復合正極材料以鎳鹽、鈷鹽以及錳鹽為原料，可以根據(jù)實際需求調(diào)整鎳鈷錳比例。三元聚合物鋰電池的能量密度可以達到150～200 Wh/kg，在移動電子設備如筆記本電腦等領域，三元材料電芯逐步代替了鈷酸鋰電芯。三元鋰材料的安全性存在不足，在200 ℃發(fā)生分解，而磷酸鐵鋰材料在800 ℃才發(fā)生分解。三元鋰材料的化學反應更劇烈，高溫作用下釋放的氧分子將引發(fā)電解液快速燃燒，更容易著火。

由于三元鋰材料容易熱解，前沿安全技術主要包括過充保護（OVP）、過放保護（UVP）、過溫保護（OTP）以及過流保護（OCP）等，并日益受到重視。在經(jīng)濟性方面，三元鋰電池現(xiàn)有技術可以將成本控制在2 750元/kW·h左右，具備較好的競爭力。

鋰電池前沿技術還包括理論上比能量高達2 600 Wh/kg的鋰硫電池等，近年來成為鋰電池領域的科研熱點。硫具有儲量豐富、價格低廉以及環(huán)境友好等優(yōu)點，但存在不導電、中間產(chǎn)物聚硫鋰溶于電解質(zhì)以及體積膨脹嚴重等缺點，因此其安全性、倍率性能以及循環(huán)穩(wěn)定性尚有待進一步提升。目前的改善方法主要是從電解質(zhì)和復合正極材料兩方面入手，其中石墨烯/硫復合電極材料等相關研究的進展情況良好。

2.2 超級電容技術

超級電容器是通過極化電解質(zhì)來儲能的一種電化學元件。超級電容器是一種介于常規(guī)電容器和化學電池之間的新型儲能元件，近年來成為前沿的技術熱點[14]。超級電容器具備傳統(tǒng)電容的放電功率，也具備化學電池的儲電能力。與傳統(tǒng)電容相比，超級電容優(yōu)點包括高放電功率、法拉級別的超大電容量（0.1～50 000 F）、較高的比能量（0.5～10 Wh/kg）、較寬的工作溫度范圍（-40～70 ℃）以及極長的使用壽命，充放電循環(huán)次數(shù)可達10萬次以上，且無需維護。與化學電池相比，超級電容的優(yōu)點包括較高的比功率（200～30 000 W/kg）、全生命周期無環(huán)境污染以及充放電時間短等。

超級電容根據(jù)儲能機理不同分為兩類：一類是基于高比表面積的碳材料與溶液間界面雙電層原理的雙電層電容器（Electric Double Layer Capacitor，EDLC）；另一類是在電極材料表面或體相的二維或準二維空間上，電活性物質(zhì)欠電位沉積發(fā)生高度可逆的化學吸附脫附或氧化還原反應，產(chǎn)生與電極充電電位有關的法拉第準電容（Faraday Pseudocapacitor）。

實際中，超級電容器一般同時包含雙電層電容和法拉第準電容兩個分量，兩者只是依靠雙電層和氧化還原假電容電荷來儲存電能的比例有所不同。目前，已經(jīng)市場化的超級電容主要為雙電層電容器，其中美國、日本以及俄羅斯的產(chǎn)品占據(jù)市場的主要份額。

此外，還有采用不同正負電極材料的非對稱型超級電容器，也稱混合超級電容器或雜化超級電容器。它的儲能能力得到了一定增強。

目前，超級電容的電極材料可以分為碳材料、過渡金屬氧化物以及導電聚合物3類。超級電容常用的活性碳電極材料具有吸附面積大和靜電儲存多等優(yōu)點，在新能源汽車等領域應用廣泛。

過渡金屬氧化物和導電聚合物作為電極材料，性能優(yōu)于碳材料。但是，由于貴金屬材料成本高昂，導電聚合物摻雜的性能不穩(wěn)定，這兩類超級電容目前仍然處于實驗室研究階段，短期內(nèi)難以商業(yè)化應用。

前沿技術重點圍繞改進超級電容實現(xiàn)超級電容的規(guī)?；蜕虡I(yè)化的生產(chǎn)應用[15]。超級電容當前的不足主要為重量能量密度偏低和體積能量密度偏小等?，F(xiàn)有超級電容的工作電壓較低，水系電解液的單體工作電壓低于1.4 V，且電解液腐蝕性強。非水系電解液（有機電解液）的單體工作電壓可以達到4.5 V，實際常用為3.5 V。但是，非水系電解液有純度高和不含水等要求，價格較高且裝配環(huán)境要求苛刻，有待進一步改善。

2.3 儲能技術對比分析

儲能技術應用于能源發(fā)電、新能源汽車以及其他領域時，需要綜合對比各類儲能形式，明確相應的產(chǎn)業(yè)應用方向。如表1所示，對于各類儲能技術，研究整理了10項主要指標和典型值。相變儲能以儲存熱能為主，不包含在對比之列。對于抽水蓄能和壓縮空氣儲能等利用固定設施儲能的技術，不涉及比能量和比功率這兩項針對移動式儲能技術的指標。

由表1可以看出，機械儲能類別中的抽水蓄能具有容量大和壽命長等優(yōu)點，但存在響應時間長等不足，適用于電網(wǎng)大規(guī)模儲能和調(diào)峰。壓縮空氣儲能（CAES）容量較大，但效率很低，響應時間比抽水蓄能更長。壓縮空氣一般儲存在礦井或洞穴，配合燃氣輪機使用，可以減少壓氣機壓縮空氣的能耗。

飛輪儲能的比能量較大、比功率很高、爆發(fā)力強，且壽命、效率、成本以及響應時間等方面無明顯不足，但持續(xù)放電時間較短，限制了其應用領域。飛輪儲能屬于可移動式的機械儲能，在交通（車輛和航空）和不間斷電源（UPS）等領域具有獨特優(yōu)勢，應用前景良好。

電磁儲能類別中，超導儲能（SMES）優(yōu)勢是比功率極高（可以達到1012W/kg），響應時間極短（可以低于5 ms），電流衰減很小，且儲能效率很高。在需要瞬時大功率釋放能量的應用領域，如大功率激光器和大規(guī)模電網(wǎng)調(diào)節(jié)等方面應用前景良好。超導儲能的主要缺點是必須在70 K以下的溫度中運行，因此儲能成本較高，應用領域限制明顯。

超級電容優(yōu)點是比功率很高、壽命很長以及效率高，可在常見溫度范圍運行，相比超導儲能更適合于規(guī)?；蜕虡I(yè)化應用。因此，超級電容和鋰離子電池成為目前儲能領域的兩大前沿技術熱點。

電化學儲能類別中代表性的4類電池，各項指標范圍的數(shù)量級較為接近，共同特點是比能量、壽命、容量以及效率均較為適中，共同優(yōu)勢是連續(xù)放電時間長、成本較低、響應較快以及大部分在室溫運行等，因此在中小規(guī)模儲能領域應用廣泛。其中，鋰離子電池比能量高，成本較高，多用于交通和電子設備等領域。鈉硫電池比能量高，但工作溫度為300 ℃左右，需要加熱保溫。真空絕熱保溫技術的進步，有助于擴展鈉硫電池的應用領域。鉛酸電池比能量低、效率低，但成本低，因此目前各個領域均有廣泛應用。液流電池各方面相對均衡，由于壽命較長和成本較低的優(yōu)勢，近年來受到了關注。

3 儲能前景預測與發(fā)展路線

3.1 儲能前景預測

儲能的產(chǎn)業(yè)用途方面，傳統(tǒng)的調(diào)頻、輸配電以及備用電源等用途保持穩(wěn)步增長，而用于可再生能源平滑和儲能盈利的儲能項目，將伴隨可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)增長實現(xiàn)穩(wěn)定增長。由于可再生能源發(fā)電和分布式發(fā)電的雙重推動作用，用戶側(cè)儲能將成為增長較為迅速的應用形式，未來會成為重要的儲能用途。

表1 儲能技術的指標對比

新能源汽車方面，動力電池的技術水平和產(chǎn)業(yè)應用將進一步發(fā)展。由于動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動作用，世界新能源汽車銷量在2025年有望達到300萬～500萬輛，為2015年的6～10倍。我國2015年新能源汽車銷量約為33萬輛，占據(jù)世界新能源汽車市場的主要份額。受到購置補貼、免購置稅、不限行不限號以及充換電設施建設等一系列政策的大力支持，新能源汽車產(chǎn)業(yè)將持續(xù)高速發(fā)展，相關的動力電池和儲能技術的研發(fā)應用也將進一步加速。

3.2 儲能發(fā)展路線

目前，我國在鋰離子電池和新能源汽車等技術和應用方面取得了一定突破，但儲能領域的基礎科學、關鍵技術以及應用水平與國外先進國家仍然存在差距。明確我國儲能的技術研究和產(chǎn)業(yè)應用的發(fā)展路線，有助于更好地引導儲能的發(fā)展方向。儲能領域重點工作應當包括以下4個方面。第一，掌握鋰離子電池正極材料的核心技術，研發(fā)高能量密度的三元聚合物鋰電池，并開發(fā)過充保護（OVP）、過放保護（UVP）、過溫保護（OTP）以及過流保護（OCP）等前沿安全技術。第二，促進鋰硫電池相關的技術研究，掌握先進的電解質(zhì)和復合正極材料的核心技術，探索鋰硫電池的應用和產(chǎn)品。第三，研發(fā)超級電容的電極材料，掌握活性炭電極材料的自主知識產(chǎn)權(quán)并加速產(chǎn)業(yè)應用。開展過渡金屬氧化物和導電聚合物等電極材料的基礎研究，探索改善有機電解液性能的途徑。第四，促進儲能產(chǎn)業(yè)與可再生能源發(fā)電和分布式發(fā)電的結(jié)合發(fā)展，加強儲能在抑制可再生能源發(fā)電間歇波動方面的作用，減少我國在用戶側(cè)儲能應用領域與國外的差距，從而提升可再生能源發(fā)電與分布式發(fā)電的綜合效率和經(jīng)濟性。

4 結(jié) 論

通過歸納儲能的技術分類、產(chǎn)業(yè)概況以及前沿技術，研究并對比分析了各類儲能方式的技術特點和應用方向，展望了儲能的產(chǎn)業(yè)應用前景，提出了儲能領域的技術研究和產(chǎn)業(yè)應用的路線，以期促進我國儲能技術不斷發(fā)展。