胡雨龍，馬錦彪

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北 唐山 064300）

0 引言

隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)能源資源和環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題的日益重視，減少煤炭、石油等化石能源燃燒，加快開(kāi)發(fā)和利用新型能源，已成為全球的普遍共識(shí)和戰(zhàn)略行動(dòng)[1]。我國(guó)作為富有責(zé)任心的大國(guó)，在加快新能源的發(fā)展，減少不可再生能源的消耗上做出了巨大貢獻(xiàn)，并堅(jiān)持不懈地向前探索著。

1 新能源快速發(fā)展帶來(lái)的問(wèn)題

近些年來(lái)，風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的分布式能源飛快發(fā)展，大幅提升了非化石能源在我國(guó)電網(wǎng)中的消費(fèi)比重。但此類(lèi)能源大多受環(huán)境因素制約比較大，對(duì)電網(wǎng)的出力難以控制，具有分散性與間歇性。由于電能難以大量?jī)?chǔ)存，電網(wǎng)中同一時(shí)間的發(fā)電功率需要與負(fù)荷保持平衡方能確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而分布式能源的出力與電網(wǎng)用戶的消耗難以同步，很多地方甚至出現(xiàn)了棄風(fēng)、棄光一類(lèi)的現(xiàn)象。因此需要有儲(chǔ)存電能的方式來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng)出力與負(fù)荷的矛盾，保障電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。

2 儲(chǔ)能技術(shù)的分類(lèi)及主要特點(diǎn)

2.1 儲(chǔ)能技術(shù)的分類(lèi)

電能難以直接儲(chǔ)存，目前的儲(chǔ)能技術(shù)多是將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量?jī)?chǔ)存，之后在電網(wǎng)需要時(shí)再將其他形式的能源轉(zhuǎn)化為電能。將電能轉(zhuǎn)化為物理能量的儲(chǔ)能方式可稱(chēng)為物理儲(chǔ)能，物理儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等；將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的儲(chǔ)能方式可稱(chēng)為電化學(xué)儲(chǔ)能，電化學(xué)儲(chǔ)能是通過(guò)有化學(xué)反應(yīng)參與的可充電電池來(lái)儲(chǔ)存電能。此外還有其他儲(chǔ)能方式，包括超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能等，目前因制造成本較高等原因應(yīng)用較少。

2.2 各種儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)

抽水蓄能的基本原理是將電能轉(zhuǎn)化為水的勢(shì)能。在電網(wǎng)出力大于負(fù)荷，即供大于求時(shí)，抽水蓄能機(jī)組作為水泵，消耗電能將下池水抽至上池，增加電網(wǎng)的負(fù)荷；在電網(wǎng)負(fù)荷大于出力，即求大于供時(shí)，抽水蓄能機(jī)組作為常規(guī)水輪機(jī)運(yùn)行，將上池水排入下池并為電網(wǎng)提供電能；進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”的效果。抽水蓄能電站上下水池高度差（即水頭）約40~600 m,并需要具備一定的容量，因此建設(shè)抽水蓄能電站對(duì)地理?xiàng)l件要求高，前期投入高，建設(shè)周期長(zhǎng)，并有可能伴隨生態(tài)和移民問(wèn)題。但是抽水蓄能電站建成后容量大，運(yùn)行壽命長(zhǎng)，運(yùn)行較穩(wěn)定，儲(chǔ)能效率較高，約為70%~80%。

壓縮空氣儲(chǔ)能是在電網(wǎng)出力大于負(fù)荷時(shí)消耗電能將空氣壓縮并儲(chǔ)存于密閉的空間內(nèi)，待到電網(wǎng)負(fù)荷高于出力時(shí)通過(guò)釋放壓縮的空氣推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。壓縮空氣儲(chǔ)能可大量?jī)?chǔ)存，使用壽命長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境影響小，相對(duì)于抽水蓄能對(duì)地理?xiàng)l件要求低，發(fā)展前景較好。但由于壓縮空氣時(shí)會(huì)伴隨熱量的釋放，這部分能量目前還難以利用，能量損失較高，經(jīng)濟(jì)性差，儲(chǔ)能效率約30%~40%。

飛輪儲(chǔ)能即將電能轉(zhuǎn)化為飛輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，儲(chǔ)存電能則飛輪轉(zhuǎn)速加快，釋放電能飛輪轉(zhuǎn)速變慢。此過(guò)程變化快，響應(yīng)速度可達(dá)毫秒級(jí)，儲(chǔ)能效率高，但儲(chǔ)能容量有限，常用于電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻功能。

電化學(xué)儲(chǔ)能是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進(jìn)行儲(chǔ)存，利用化學(xué)元素做儲(chǔ)能介質(zhì)。根據(jù)儲(chǔ)能介質(zhì)不同可分為鉛酸電池、液流電池、鈉基電池、鋰離子電池等，目前能夠規(guī)?；瘍?chǔ)能的是鉛酸電池、鋰離子電池和液流電池。這幾種電池間互有優(yōu)劣，但相比于物理儲(chǔ)能有一些共同的優(yōu)缺點(diǎn)。電化學(xué)儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)在于電池儲(chǔ)能電站建設(shè)周期短，設(shè)計(jì)和配置靈活、有能量密度高、綜合效率高（可達(dá)85%以上）、受地理?xiàng)l件的限制極小，響應(yīng)速度快，可達(dá)毫秒級(jí)并能更精準(zhǔn)的控制；電池的技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)不是很成熟，電池的安全性、使用壽命在逐步提升，但與抽水蓄能技術(shù)相比仍有不小的差距，且電池老化后的回收檢測(cè)再利用會(huì)造成不少的額外成本。

超導(dǎo)儲(chǔ)能是利用超導(dǎo)線圈儲(chǔ)存電磁能，由于超導(dǎo)體電阻等于零，因此能量轉(zhuǎn)化效率極高，幾乎沒(méi)有損耗。超級(jí)電容器兼具電容器快速充放電和可充電電池能夠儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)，工作中不需要化學(xué)反應(yīng)的參與。超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能都具有效率高、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但成本高昂、容量小和技術(shù)上的不完善使其難以規(guī)?；鎯?chǔ)能量，目前多用于提高電能質(zhì)量。

表1 各種儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比

3 抽水蓄能行業(yè)現(xiàn)狀

目前中國(guó)儲(chǔ)能仍以抽水蓄能為主，截至2018年9月，全國(guó)儲(chǔ)能規(guī)模達(dá)2 911萬(wàn)kW，其中，抽水蓄能裝機(jī)2 869萬(wàn)kW，占儲(chǔ)能總裝機(jī)比重98.5%；電化學(xué)儲(chǔ)能約40萬(wàn)kW，占比約1.3%。在各類(lèi)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，鋰離子電池占比超過(guò)75%[2]。2020年3月,針對(duì)“碳達(dá)峰”“碳中和”的基本思路和主要舉措,國(guó)家明確提出要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。在系統(tǒng)成本下降的助推下,未來(lái)隨著光伏發(fā)電裝機(jī)和發(fā)電量占比持續(xù)提升,我國(guó)的能源清潔化轉(zhuǎn)型步伐將持續(xù)加快,光伏將逐漸成為主力電源。與此同時(shí),儲(chǔ)能作為高比例可再生能源接入條件下增強(qiáng)電力系統(tǒng)靈活性、穩(wěn)定性的重要手段,與光伏配套發(fā)展將成為必然的發(fā)展趨勢(shì)[3]。相應(yīng)的，儲(chǔ)能價(jià)格機(jī)制也在逐步完善中，這有助于在國(guó)家政策的方面促進(jìn)儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展與儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)。

抽水蓄能電站容量大、度電成本低，是目前我國(guó)電網(wǎng)中主要的儲(chǔ)能技術(shù)。相較于其他儲(chǔ)能技術(shù)，抽水蓄能技術(shù)相對(duì)成熟，容量大，對(duì)于提升電網(wǎng)調(diào)峰能力、增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性、消納新能源對(duì)電網(wǎng)的沖擊有著不可替代的地位。但抽水蓄能技術(shù)的成熟只是相較于其他儲(chǔ)能技術(shù)而言的，現(xiàn)在的抽水蓄能電站運(yùn)行中仍有不足之處，許多規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)不全，實(shí)際運(yùn)行中大量參考了常規(guī)水電廠的相關(guān)規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)，這在一定程度上制約了抽水蓄能行業(yè)的發(fā)展。不過(guò)我國(guó)抽水蓄能行業(yè)已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，專(zhuān)業(yè)的規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn)正在逐步完善中。我國(guó)在浙江仙居抽水蓄能項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，打破了抽水蓄能技術(shù)國(guó)外壟斷多年的局面，標(biāo)志著我國(guó)抽水蓄能機(jī)組在研發(fā)制造技術(shù)上取得突破并實(shí)現(xiàn)了40萬(wàn)kW級(jí)抽水蓄能機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)自主化，也說(shuō)明了我國(guó)抽水蓄能技術(shù)的日益成熟。隨著技術(shù)的發(fā)展，抽水蓄能電站的建設(shè)對(duì)地理?xiàng)l件的要求也在逐步降低，利用海水的抽水蓄能技術(shù)也在研究中。

4 分析展望

隨著我國(guó)新能源的飛速發(fā)展，儲(chǔ)能行業(yè)將在維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、提高電能質(zhì)量、消納新能源等用途上大放異彩。每一種新型電站的建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)都需要經(jīng)驗(yàn)的積累來(lái)完善，抽水蓄能作為目前最可靠的儲(chǔ)能方式有著不可替代的作用及地位。筆者推測(cè)，在未來(lái)十年中國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展中，儲(chǔ)能技術(shù)和新能源將協(xié)同規(guī)劃與建設(shè),抽水蓄能與電化學(xué)儲(chǔ)能將成為儲(chǔ)能行業(yè)的主力迎來(lái)飛速發(fā)展，抽水蓄能仍占據(jù)我國(guó)儲(chǔ)能總裝機(jī)容量的大部分。但抽水蓄能電站建設(shè)周期較長(zhǎng)，未必能適應(yīng)我國(guó)飛速發(fā)展的新能源行業(yè)的需求，而電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展時(shí)間較短，存在運(yùn)行維護(hù)不完善、尚未形成完整可靠的廢舊電池處理流程等問(wèn)題亟需處理，因此其他儲(chǔ)能技術(shù)仍有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>