能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電力儲能技術(shù)發(fā)展問題研究

柴 雯，吳明鋒，楊 姝

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原 030001）

0 引言

信息技術(shù)和新能源相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展引導(dǎo)出了一種全新的能源利用體系，即基于可再生的、分布式的、開放共享網(wǎng)絡(luò)的能源互聯(lián)網(wǎng)[1]。能源互聯(lián)網(wǎng)也是一種“網(wǎng)絡(luò)”，其“主干網(wǎng)”是具有高效傳輸效率的大電網(wǎng)，“局域網(wǎng)”則由微網(wǎng)構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)能源“雙向”“按需”傳輸，以及動(dòng)態(tài)平衡使用。

在這一新型的能源利用體系中，儲能技術(shù)起著十分重要的作用。在全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織發(fā)布的《全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略白皮書》《跨國跨洲電網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)與展望》《全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與展望》等相關(guān)文件中，不僅指明了未來幾十年中全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展路徑，還十分明確地提出了一份關(guān)鍵技術(shù)清單，涵蓋特高壓、智能電網(wǎng)、清潔能源、儲能和電網(wǎng)運(yùn)行控制五大領(lǐng)域[2]。在這樣的技術(shù)需求和發(fā)展背景下，探討全球能源互聯(lián)網(wǎng)背景下儲能關(guān)鍵技術(shù)問題具有重要意義。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電力儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

儲能技術(shù)多種多樣，一般根據(jù)儲能過程和涉及的能的形式，將儲能技術(shù)劃分為物理儲能和化學(xué)儲能，也有將超導(dǎo)儲能、超級電容器等從物理儲能中劃分出來，單獨(dú)列為電磁儲能。根據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟多年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知[3]：在眾多儲能技術(shù)中，抽水蓄能是目前最為成熟的技術(shù)，多年來在儲能應(yīng)用中保持最高占比，累計(jì)裝機(jī)量高達(dá)90%；在過去的10 a 里，鋰電池的成本下降了90%，電池性能卻提高了3 倍，因此以鋰電池為代表的化學(xué)儲能技術(shù)在市場應(yīng)用、商業(yè)化發(fā)展上具有巨大的發(fā)展前景，持續(xù)多年保持高速發(fā)展，是目前最具發(fā)展前途的儲能技術(shù)；氫儲能作為具備零污染、低成本、長壽命、高效率等特點(diǎn)的儲能技術(shù)[4]，十分具有發(fā)展?jié)摿Γ谇鍧嵞茉聪{、電網(wǎng)調(diào)峰、分布式能源系統(tǒng)等多種場景可以提供應(yīng)用。

儲能技術(shù)種類眾多，適用于不同的場景，但是在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，已有的電力儲能技術(shù)面臨著多方面的挑戰(zhàn)。一方面，現(xiàn)有的儲能技術(shù)本身就具有多種局限性，受場景、應(yīng)用方式、現(xiàn)有技術(shù)水平等因素影響[5]，不同的儲能技術(shù)往往憑借其突出的優(yōu)點(diǎn)和暫時(shí)可以在某些場景規(guī)避其缺點(diǎn)在不同的領(lǐng)域得到應(yīng)用；另一方面，可再生能源將逐漸成為市場主流，保障可再生能源安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行是當(dāng)前能源行業(yè)面臨的新挑戰(zhàn)，這一挑戰(zhàn)對儲能技術(shù)突破提出了新需求[6]。

2 電力儲能技術(shù)發(fā)展問題與難題

目前，電力儲能技術(shù)發(fā)展的問題按照層次可以分為技術(shù)性問題和戰(zhàn)略性問題。技術(shù)性問題是指目前各類儲能技術(shù)在性能指標(biāo)上的缺陷，戰(zhàn)略性問題是指儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的國家層面的問題[7]。

2.1 電力儲能技術(shù)性問題

儲能技術(shù)所面臨的技術(shù)性問題雖然可以從不同角度來考察，但是歸根結(jié)底都要回歸到提高性能和降低成本這兩個(gè)要點(diǎn)上。性能涉及多個(gè)指標(biāo)，包括壽命、功率密度、能量密度等，另外還有按照需求平穩(wěn)、可控地釋放，平滑波動(dòng)，跟蹤調(diào)度輸出，調(diào)峰調(diào)頻，大規(guī)模化可行性等[8]。可以說，在上述指標(biāo)上高質(zhì)量地表現(xiàn)的儲能技術(shù)都可以視為未來儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。不同類型儲能技術(shù)比較如表1所示。

表1 不同類型儲能技術(shù)比較

在電化學(xué)儲能領(lǐng)域，鋰離子電池具有絕對的優(yōu)勢。鋰離子電池是一類以鋰金屬或者鋰合金為正負(fù)極材料，使用非水電解質(zhì)溶液的電池，由正負(fù)極、隔膜和電解液構(gòu)成。鋰電池材料廣泛，目前適合用于電力儲能的主要有磷酸鐵鋰、鈦酸鋰、鎳鈷錳酸鋰以及一些新型的高能量密度的鋰電池[9]。目前，安全性、壽命、充放電速率和存儲能量密度等問題，是困擾鋰電池規(guī)模化、市場化的難題。尤其是用于電動(dòng)汽車的鋰電池，其安全性問題是最為重要，也是最受關(guān)注的議題。除鋰電池外，還有多種電池也具備較好的應(yīng)用前景：鈉硫電池在歐洲和日本的儲能應(yīng)用中占比較高，能量密度高，原材料成本低，但是整體運(yùn)行系統(tǒng)的造價(jià)高，運(yùn)行條件苛刻，有待在經(jīng)濟(jì)性和安全性上得到改善；鉛碳電池也是在國外較早開始新能源場景應(yīng)用的技術(shù)，在各項(xiàng)指標(biāo)上都優(yōu)于傳統(tǒng)的鉛酸電池，但是關(guān)鍵材料并沒有國產(chǎn)化，且電池壽命偏短；全釩液流電池目前在國內(nèi)外也具備多個(gè)新能源儲能示范項(xiàng)目，這種液流電池安全性好，電池壽命長，但是效率低、成本高，同樣面臨關(guān)鍵材料非國產(chǎn)的問題；氫儲能可以視為化學(xué)儲能技術(shù)的延伸，目前在國外已進(jìn)入推廣階段，在國內(nèi)尚處于示范項(xiàng)目建設(shè)階段。

在物理儲能領(lǐng)域，先進(jìn)的儲能技術(shù)包括壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能和超級電容器儲能。壓縮空氣儲能中的空氣是能源多媒體的最優(yōu)選擇，比不均衡、不同步的太陽能、風(fēng)能、波浪能等更穩(wěn)定、便捷，對環(huán)境友好，安全系數(shù)也高。但是目前的壓縮空氣儲能技術(shù)對地理?xiàng)l件要求較高，系統(tǒng)建設(shè)成本高。飛輪儲能在提升電網(wǎng)安全性、穩(wěn)定性、靈活性，提高可再生能源消納水平方面有優(yōu)勢，但是目前國內(nèi)成熟運(yùn)行的產(chǎn)品較少，整體技術(shù)性能還需要進(jìn)一步完善。超導(dǎo)儲能和超級電容器都是基于電磁原理的儲能技術(shù)，理論上具備效率高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是受限于材料和技術(shù)水平，目前我國正處于開發(fā)探索階段。

2.2 電力儲能戰(zhàn)略性問題

儲能技術(shù)戰(zhàn)略性問題是指國家層面儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展在核心技術(shù)體系研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)計(jì)、市場機(jī)制及商業(yè)化運(yùn)行等方面還有待突破。一是現(xiàn)在我國的儲能核心技術(shù)體系理論研究不足，缺乏完善的頂層設(shè)計(jì)和底層環(huán)節(jié)支撐，目前核心技術(shù)體系難以支撐目標(biāo)需求的實(shí)現(xiàn)，形成了規(guī)劃走前端，技術(shù)難跟上的困局；二是相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系還有待完善，儲能產(chǎn)業(yè)的實(shí)施涉及工程、環(huán)境、消防、交通等多行業(yè)與領(lǐng)域，儲能項(xiàng)目的完整運(yùn)行，不僅需要技術(shù)支持，還需要涉及多領(lǐng)域的運(yùn)行制度支撐，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、制度和規(guī)范急需出臺；三是市場化機(jī)制和商業(yè)化運(yùn)行，這一點(diǎn)著眼于目前儲能產(chǎn)業(yè)的高投資、低回報(bào)現(xiàn)象，儲能技術(shù)成本高，資本引進(jìn)困難，且儲能的經(jīng)濟(jì)回報(bào)計(jì)算方式復(fù)雜，目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這影響了儲能產(chǎn)業(yè)的市場化和商業(yè)化。解決技術(shù)成本問題可以一定程度上緩解高投資現(xiàn)象，但是儲能多樣化收益問題需要技術(shù)和市場同時(shí)關(guān)注[10]。

3 能源互聯(lián)網(wǎng)對電力儲能技術(shù)的新需求

3.1 儲能系統(tǒng)能量合理調(diào)度

在能源互聯(lián)網(wǎng)中，多種能源耦合使得網(wǎng)絡(luò)變得十分復(fù)雜。新能源+儲能模式就是為了能夠減少電源側(cè)的不確定性，增加可調(diào)性和電網(wǎng)適應(yīng)性。除此之外，分布式電源的接入、遠(yuǎn)距離輸入輸出、靈活響應(yīng)需求等因素，更加重了儲能系統(tǒng)合理調(diào)度的意義[11]。儲能的監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)作為儲能體系的大腦，在系統(tǒng)中擔(dān)任著收集數(shù)據(jù)、控制運(yùn)行、發(fā)出指令、合理安排工作的角色。因此，優(yōu)化儲能系統(tǒng)的能量監(jiān)控與調(diào)度功能，可以明顯提升能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行效率。

3.2 大容量儲能規(guī)劃

能源互聯(lián)網(wǎng)的主要目的之一是對清潔能源的大規(guī)模高效利用，這一目的需對應(yīng)解決大容量儲能的技術(shù)問題與合理規(guī)劃。一方面是大容量儲能的技術(shù)問題，需對現(xiàn)有儲能技術(shù)提升優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高效率、低成本；另一方面是合理規(guī)劃儲能布局與容量配置，需綜合考慮用戶側(cè)、發(fā)電側(cè)與配網(wǎng)側(cè)多種約束條件。

3.3 集成化與模塊化儲能

在網(wǎng)絡(luò)化背景下，智能系統(tǒng)都在趨向集成化與模塊化，儲能系統(tǒng)也不例外，為了高效利用智能技術(shù)，保障能源互聯(lián)網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定地運(yùn)行，提高控制工作效率，集成化與模塊化勢在必行。這是因?yàn)榧苫c模塊化是解決問題、滿足需求、合理控制流程的優(yōu)化方案，這意味著一體的集成化和模塊化配置，將有更優(yōu)的服務(wù)質(zhì)量。

4 結(jié)束語

電力儲能技術(shù)包含儲熱技術(shù)、電化學(xué)儲能等內(nèi)容，對我國社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)的增長意義重大[12]。全球能源互聯(lián)網(wǎng)是智能的、前瞻性的、復(fù)雜的、物聯(lián)的、更具經(jīng)濟(jì)效益的，隨著電力儲能技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，很大程度上完善了我國傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)體系，挖掘出了更多的新能源和可再生能源，為我國國民的生活提供了便利。在我國，能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有著很大的空間，儲能技術(shù)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，一定要在技術(shù)上持續(xù)地突破，并在戰(zhàn)略上全局引導(dǎo)，加快市場化推廣應(yīng)用，探索多種經(jīng)濟(jì)效益。