張 靜，李岱昕

（中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，北京 100022）

最近20年，可再生能源經(jīng)歷著高速發(fā)展，2013年可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到了15.6億千瓦（含水電），增加了8.3%，含水電可再生能源發(fā)電量已占全球發(fā)電總量的22.1%[1]。太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)容量新增39%，是增長最快的電源。近期，許多國家和地區(qū)已經(jīng)在政府、研究機(jī)構(gòu)等各個層面展望了2020年、2030年和2050年可再生能源的發(fā)展前景；據(jù)預(yù)測，可再生能源將逐步成為主導(dǎo)能源，有些國家的可再生能源利用率甚至有望達(dá)到100%。

隨著可再生能源并網(wǎng)發(fā)電比例的不斷增加，人們對能源存儲技術(shù)的關(guān)注度也在不斷提高。在我國科技部十三五規(guī)劃編制中，已經(jīng)明確要將儲能作為一個支持領(lǐng)域；同時國家能源局也在制定相關(guān)的大規(guī)模儲能應(yīng)用規(guī)劃；國際上針對儲能的政策和支持也比較多，特別是美國加州出臺了1.325 GW的儲能采購計劃，極大地刺激了全球儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。

現(xiàn)階段全球已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用或達(dá)到示范應(yīng)用水平的電力儲能主流技術(shù)包括：抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、鉛蓄電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池、超級電容器和超導(dǎo)儲能等[3]。按照能量轉(zhuǎn)換形式，儲能技術(shù)可以分為物理儲能、化學(xué)儲能和電磁儲能三類，見表1。抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能都屬于物理儲能，本文將主要介紹物理儲能技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

表1 儲能技術(shù)分類[4]Table 1 Classification of energy storage technologies[4]

近年，化學(xué)儲能技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。日本NGK公司的鈉硫電池按容量算占據(jù)化學(xué)電池的半壁江山，鋰離子電池在全球市場的安裝年增長率超過35%，裝機(jī)比例近30%，直逼鈉硫電池。雖然發(fā)展很快，但在相當(dāng)長的時期內(nèi)，物理儲能，特別是抽水蓄能的裝機(jī)容量仍占絕對優(yōu)勢，據(jù)2013年底中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNESA）項(xiàng)目統(tǒng)計數(shù)據(jù)，抽水蓄能在整個儲能市場的份額仍保持99%以上，壓縮空氣儲能為0.4%[5]。

高成本、循環(huán)壽命短和安全性問題是現(xiàn)階段化學(xué)電池的主要發(fā)展瓶頸[6]，與化學(xué)儲能相比，抽水蓄能、傳統(tǒng)壓縮空氣儲能等技術(shù)的發(fā)展歷史長、技術(shù)成熟、成本較低，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。由于具備蓄能容量大、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，二者已經(jīng)作為調(diào)峰調(diào)頻和備用電源廣泛地應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè)[7]。但無論是抽水蓄能，還是傳統(tǒng)壓縮空氣儲能都對環(huán)境、地 理地質(zhì)條件有較高的要求，極大地制約了技術(shù)的普遍推廣和應(yīng)用，這兩種技術(shù)裝機(jī)狀況見表2。而飛輪技術(shù)主要適用于快速、高功率型應(yīng)用，是提供調(diào)頻服務(wù)的最佳電源。

作為發(fā)展較早的儲能技術(shù)，物理儲能正經(jīng)歷著應(yīng)用模式的變革及傳統(tǒng)技術(shù)向新興技術(shù)轉(zhuǎn)化的過程。三種物理儲能技術(shù)雖然在原理、應(yīng)用領(lǐng)域、安裝容量以及未來發(fā)展趨勢上各不相同，但作為戰(zhàn)略新興技術(shù)，都需要技術(shù)的突破、政策和資金的支持以及更多的市場應(yīng)用機(jī)會。

1 抽水蓄能

抽水蓄能電站是以一定的水量為能量載體，通過能量轉(zhuǎn)換，向電力系統(tǒng)提供電能的一種特殊形式的水力發(fā)電系統(tǒng)[8]。

為了配合火電站及其它電站共同維持電力系統(tǒng)的用電平衡，抽水蓄能電站集抽水與發(fā)電兩類設(shè)施于一體，上、下游均設(shè)置水庫以容蓄能量轉(zhuǎn)換所需的水體，在電力負(fù)荷低谷時或豐水時期，利用火電站及其它電站提供剩余的能量，從高程低的下水庫抽水到高程高的上水庫中，通過水體這一能量載體將電能轉(zhuǎn)換為位能；在日間出現(xiàn)高峰負(fù)荷時或枯水季節(jié)，再將上水庫的水放出，驅(qū)動水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，并送往電力系統(tǒng)。此時，用以發(fā)電的水體又回到下水庫。抽水蓄能電站既是一個吸收低谷電能的電力用戶（抽水工況），又是一個提供峰荷電力的水電站（發(fā)電工況）。

相比于其它儲能裝置，抽水蓄能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、最經(jīng)濟(jì)（單位千瓦造價3000～5000元）、使用壽命長（機(jī)組使用壽命25年，水工建筑物使用壽命60年以上）的大規(guī)模電能儲存工具，主要用于電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻及備用。

表2 抽水蓄能與壓縮空氣儲能技術(shù)裝機(jī)狀況Table 2 Installation capacity of pumped hydro storage and CAES

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，抽水蓄能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。截至2011年底，全球抽蓄裝機(jī)規(guī)模達(dá)到127 GW。鑒于抽水蓄能電站的建設(shè)不但投資巨大，還會造成生態(tài)破壞和移民問題，歐美等國家在20世紀(jì)90年代以后就不再發(fā)展這種技術(shù)；而日本和中國則持續(xù)抽水蓄能電站的建設(shè)。截至2013年底，中國已投運(yùn)抽水蓄能裝機(jī)21.5 GW，根據(jù)國家“十二五”規(guī)劃，到2015年，達(dá)到31 GW，2020年70 GW，未來國內(nèi)可開發(fā)規(guī)模潛力為127 GW[9]。

我國的抽水蓄能電站主要由電網(wǎng)企業(yè)擁有，如2009年的總裝機(jī)容量1564.3萬千瓦中，國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)就各自擁有1124.3萬千瓦和360萬千瓦，分別占總裝機(jī)容量的71.87%和23.01%。另外，中電投集團(tuán)公司擁有裝機(jī)容量為60萬千瓦，占 3.84%，華電集團(tuán)公司擁有裝機(jī)容量為11萬千瓦，占0.7%。其中，國網(wǎng)新源控股有限公司負(fù)責(zé)運(yùn)營國家電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的抽水蓄能電站，南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司負(fù)責(zé)運(yùn)營南方電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的抽水蓄能電站。

目前在運(yùn)營的26座抽水蓄能電站的經(jīng)營模式主要分為5種，各自對應(yīng)不同的電價機(jī)制，具體見表3。

表3 抽水蓄能電站經(jīng)營模式及電價Table 3 Business model and electricity pricing of pumped hydro storage

但從上述經(jīng)營模式中可以看出，兩部制電價模式中的為可用容量定的容量電價是最接近輔助服務(wù)價格概念的電價，能一定程度地體現(xiàn)抽水蓄能電站維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的功能。根據(jù)《關(guān)于抽水蓄能電站建設(shè)管理有關(guān)問題的通知》[10]，前4種模式在2004年后審批的抽水蓄能電站中將不再采用，這對于電網(wǎng)企業(yè)以外的電力市場參與人來說，就更難了解抽水蓄能的價值。對于電網(wǎng)企業(yè)來說，抽水蓄能電站如果不能通過提供服務(wù)而盈利，則勢必會影響建設(shè)抽水蓄能電站的積極性。因此，僅僅依靠電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)行并承擔(dān)抽水蓄能電站的成本，肯定不利于抽水蓄能電站的發(fā)展。

2009年開始，各區(qū)域電網(wǎng)開始試運(yùn)行電力輔助服務(wù)，由于制定了一系列的補(bǔ)償機(jī)制，發(fā)電企業(yè)參與輔助服務(wù)的積極性明顯提高，并且部分發(fā)電企業(yè)還從此間獲得了收益，電網(wǎng)的運(yùn)行水平也因此提 高。如果抽水蓄能電站能夠納入輔助服務(wù)實(shí)施細(xì)則的補(bǔ)償范疇，逐步進(jìn)入輔助服務(wù)市場，必將促進(jìn)抽水蓄能的發(fā)展，并能夠充分發(fā)揮抽水蓄能在調(diào)頻、調(diào)峰、系統(tǒng)備用等方面的優(yōu)勢。專家認(rèn)為，合理的儲能電價應(yīng)該包括三個部分：容量電價、電量電價以及輔助服務(wù)電價。這不僅僅適用于抽水蓄能電站，其它儲能技術(shù)要真正取得發(fā)展、實(shí)現(xiàn)盈利，也必須要有類似的電價機(jī)制出臺。

2 壓縮空氣儲能

傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)發(fā)展起來的一種能量存儲系統(tǒng)。但與燃?xì)廨啓C(jī)工作原理不同的是壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓縮機(jī)和透平不同時工作，在儲能時，壓縮空氣儲能系統(tǒng)耗用電能將空氣壓縮并存于儲氣室中；在釋能時，高壓空氣從儲氣室釋放，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室同燃料一起燃燒后，驅(qū)動透平發(fā)電[11]。

由于壓縮空氣儲能系統(tǒng)中的主要部件都是成熟產(chǎn)品，包括壓縮機(jī)、燃?xì)鈾C(jī)、發(fā)電機(jī)等，因此系統(tǒng)設(shè)計和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)尤其重要。美國和德國有豐富的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，且擁有壓縮機(jī)、膨脹劑和燃?xì)廨啓C(jī)等成熟產(chǎn)品與完整的產(chǎn)業(yè)鏈，日本擁有世界領(lǐng)先的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計與制造技術(shù)且具備一定的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。中國的相關(guān)研發(fā)工作起步較晚，目前主要停留在理論和小型試驗(yàn)層面。

傳統(tǒng)大型壓縮空氣系統(tǒng)，由于其對儲氣巖洞的要求較高且依賴石化能源，目前項(xiàng)目較少，全球只有德國Hundtorf電站和美國的Mclntosh電站實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行，總規(guī)模超過400 MW。為了擺脫常規(guī)壓縮空氣儲能系統(tǒng)對大型儲氣裝置以及化石燃料的依賴，帶儲熱的壓縮空氣儲能技術(shù)、液態(tài)空氣儲能技術(shù)、超臨界空氣儲能技術(shù)、與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的壓縮空氣儲能技術(shù)和與可再生能源耦合的壓縮空氣儲能技術(shù)都是目前國內(nèi)外研發(fā)的重點(diǎn)方向。中國科學(xué)院工程熱物理研究所和SustainX公司在新型壓縮空氣領(lǐng)域分別實(shí)現(xiàn)了一些突破。

中國科學(xué)院工程熱物理研究所提出并擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)，具有效率高、儲能密度大等優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)受地理?xiàng)l件限制和需要消耗化石燃料等問題。不同于傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)，超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)關(guān)鍵特征之一在于，系統(tǒng)采用高壓蓄冷蓄熱裝置實(shí)現(xiàn)壓縮熱和低溫冷能的回收與再利用，從而明顯提高了系統(tǒng)效率。儲能時，超臨界態(tài)空氣吸收蓄冷介質(zhì)的低溫冷能后轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏阂簯B(tài)空氣，隨后降至常壓進(jìn)行存儲；釋能時，高壓液態(tài)空氣經(jīng)過蓄冷介質(zhì)氣化后轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界態(tài)空氣，驅(qū)動膨脹機(jī)做功發(fā)電。因此，在填充床蓄冷蓄熱裝置中的顆粒堆積狹小孔隙內(nèi)部存在大量超臨界壓力下的流動傳熱以及“擬沸騰”、“擬冷凝”等復(fù)雜過程與現(xiàn)象。作為儲熱過程與儲熱性能的關(guān)鍵參數(shù)，傳熱流體與儲熱介質(zhì)之間的相間傳熱系數(shù)無疑成為整個蓄冷蓄熱裝置設(shè)計研發(fā)過程的重點(diǎn)。國際首套1.5 MW級超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)的集成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成了600 h的試驗(yàn)運(yùn)行和性能測試；已申請國內(nèi)外專利76項(xiàng)（包括國際專利6項(xiàng)），已獲授權(quán)38項(xiàng)（其中日本專利1項(xiàng)），建立了集基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、部件研制、系統(tǒng)集成及優(yōu)化為一體的先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)與設(shè)計體系。

2011年美國公司SustainX完成了世界上第一個兆瓦級等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)（ICAES）單元，該項(xiàng)技術(shù)開始從實(shí)驗(yàn)室研究走向開發(fā)階段。該技術(shù)采用噴水霧的辦法吸收壓縮過程中產(chǎn)生的熱量，以熱水的形式被儲存，在膨脹過程中回噴進(jìn)入氣缸。該專利技術(shù)通過改變氣缸內(nèi)的溫度、壓力等條件，使得空氣在整個過程中幾乎保持恒溫。據(jù)公司聯(lián)合創(chuàng)始人Ben Bollinger介紹，該系統(tǒng)使能效從54%提高到95%，最重要的是不需要額外添加燃料。除了能大大降低運(yùn)行成本外，該方法使得很多油氣資源不豐富的國家也能使用該技術(shù)。

雖然投運(yùn)的壓縮空氣儲能電站只有兩座，但全球處于規(guī)劃、建設(shè)階段的壓縮空氣儲能項(xiàng)目的累計裝機(jī)量約為3.6 GW，投運(yùn)后，壓縮空氣儲能的裝機(jī)量將大幅增加；另外新型壓縮空氣儲能技術(shù)的日臻完善（容量增大、成本降低）和產(chǎn)業(yè)化也將逐步突破地質(zhì)條件對壓縮空氣技術(shù)發(fā)展的限制，推動壓縮空氣儲能的應(yīng)用；風(fēng)電等可再生能源的快速增長也將給適合應(yīng)用于大規(guī)模風(fēng)場的壓縮空氣儲能技術(shù)帶來更多的機(jī)會。未來，壓縮空氣儲能技術(shù)可能成為最具成長空間的儲能技術(shù)之一。

3 飛輪儲能技術(shù)

飛輪儲能是利用互逆式雙向電機(jī)（電動/發(fā)電機(jī)）實(shí)現(xiàn)電能與高速旋轉(zhuǎn)飛輪的機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的一種儲能技術(shù)。飛輪儲能和傳統(tǒng)的化學(xué)儲能不同，是一種純物理的儲能技術(shù)。在電力富裕條件下，由電能驅(qū)動飛輪到高速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能儲存；當(dāng)系統(tǒng)需要時，飛輪減速，電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將飛輪動能轉(zhuǎn)換成電能，供用戶使用。飛輪儲能通過轉(zhuǎn)子的加速和減速，實(shí)現(xiàn)電能的存儲和釋放[12]。

20世紀(jì)90年代以后，飛輪儲能技術(shù)得到快速發(fā)展，出現(xiàn)許多高性能產(chǎn)品，根據(jù)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度、轉(zhuǎn)子材料選擇、軸承類型的不同，可以分為低速飛輪和高速飛輪，高速飛輪在電力系統(tǒng)中主要用于調(diào)頻。產(chǎn)業(yè)與技術(shù)多集中于美國，在調(diào)頻市場有商業(yè)應(yīng)用；英、法、德、美等國在列車制動能量回收領(lǐng)域有研發(fā)與推廣。國內(nèi)在軸承和轉(zhuǎn)子等關(guān)鍵技術(shù)的研究中取得了一些成果[13]；一些公司已經(jīng)開展了飛輪儲能系統(tǒng)關(guān)鍵部件中的殼體、轉(zhuǎn)子、軸承以及機(jī)組集成系統(tǒng)的自主研發(fā)或引進(jìn)吸收。但大部分停留在小容量的原理驗(yàn)證階段，還沒有成熟的裝置和產(chǎn)品。

全球范圍內(nèi)最具有代表性且已具備商業(yè)化產(chǎn)品研發(fā)和制造能力的公司大部分都在美國，包括專注于大功率應(yīng)用的AFS Trinity Power公司，開發(fā)高速飛輪的Beacon Power公司等。其中，Beacon Power公司的高速飛輪技術(shù)已經(jīng)用于美國和加拿大的調(diào)頻市場，截止到2014年7月，應(yīng)用規(guī)模達(dá)到42 MW。受益于2011年通過的美國755法案，儲能調(diào)頻在美國輔助服務(wù)市場將有一定盈利空間。我國飛輪的理論及應(yīng)用研究與國際先進(jìn)水平差距較大，尤其是電力儲能用飛輪，大部分停留在小容量的原理驗(yàn)證階段。

4 結(jié) 語

雖然較化學(xué)及電磁儲能技術(shù)，物理儲能技術(shù)具備一定的技術(shù)和成本優(yōu)勢，但具備大規(guī)模應(yīng)用優(yōu)勢的抽水蓄能和傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)受地理?xiàng)l件和地質(zhì)要求的限制，發(fā)展規(guī)模有限。因此對傳統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)新、管理方式的優(yōu)化和提高、應(yīng)用模式的革新就成為下一階段的努力目標(biāo)。

我國發(fā)展抽蓄技術(shù)的方向主要體現(xiàn)在高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量化抽水蓄能機(jī)組以及分檔或連續(xù)變速抽水蓄能機(jī)組上；同時還發(fā)展了抽水蓄能電站無人化管理以及集中式管理控制技術(shù)；此外我國還試圖通過對電價機(jī)制的改革，提高現(xiàn)有抽蓄電站的工作狀況。技術(shù)革新是壓縮空氣儲能領(lǐng)域近年的發(fā)展熱點(diǎn)，以國內(nèi)的超臨界壓縮空氣儲能和國外的等溫壓縮空氣儲能技術(shù)為代表的地上儲氣類型技術(shù)研發(fā)正在蓬勃發(fā)展，并逐步走向推廣應(yīng)用。低速飛輪儲能系統(tǒng)已經(jīng)逐步應(yīng)用于通訊、數(shù)據(jù)中心和軌道交通行業(yè)。美國高速飛輪儲能電站已經(jīng)為電力市場提供調(diào)頻服務(wù)，目前我國飛輪儲能技術(shù)還沒有得到量產(chǎn)，清華大學(xué)等院校正在進(jìn)行前期的研發(fā)工作。

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