中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 陳永敢
儲(chǔ)能技術(shù)顧名思義就是利用某種技術(shù)先將能量以某種形式儲(chǔ)存下來,在需要的時(shí)候再將能量釋放,完成能量在時(shí)空上的調(diào)配,儲(chǔ)能一般是指將暫時(shí)不用的電能轉(zhuǎn)化成其他形式的能量,在需要時(shí)再轉(zhuǎn)化為電能。而更廣泛的儲(chǔ)能是將電能、熱能、機(jī)械能等特殊的能量用不同的方式或者技術(shù)儲(chǔ)存在特定的設(shè)備中,在未來需要時(shí),可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的具體情況,釋放出不同種類的能量以供使用[1]。最常規(guī)的儲(chǔ)能方式是抽水蓄能,技術(shù)發(fā)展最為成熟,裝機(jī)容量占比也最大,所謂新型儲(chǔ)能技術(shù)是指除抽水蓄能以外的其他儲(chǔ)能技術(shù)。新型儲(chǔ)能技術(shù)分類如圖1所示。
圖1 新型儲(chǔ)能技術(shù)分類
壓縮空氣儲(chǔ)能是指在用電低谷時(shí)消耗電力驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)形成高壓空氣,在用電高峰時(shí)通過高壓空氣膨脹做功來產(chǎn)生電力。壓縮空氣儲(chǔ)能裝機(jī)容量大,儲(chǔ)能量級(jí)可與抽水蓄能相媲美,特別適用于大規(guī)模儲(chǔ)能,功率達(dá)到百兆瓦級(jí),且建設(shè)周期只需要12~18個(gè)月,具有能量密度高、日常運(yùn)營(yíng)成本低、自放電率低等優(yōu)勢(shì),技術(shù)正越來越受到青睞。壓縮空氣儲(chǔ)能通過三種技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)步:絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能、液態(tài)空氣儲(chǔ)能、超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能。目前非絕熱系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率較低,在40%~55%左右,主要由于能量以熱能形式損失,而絕熱系統(tǒng)的效率在60%~70%左右,故絕熱系統(tǒng)更具有發(fā)展前景。
重力儲(chǔ)能是利用電能將重物提升到高處,增加其重力勢(shì)能,從而完成儲(chǔ)能過程,需要時(shí),通過重物下落過程將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,再轉(zhuǎn)化為電能。重力儲(chǔ)能項(xiàng)目具有安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。重力儲(chǔ)能采用機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)化,不會(huì)發(fā)生爆炸,安全性較強(qiáng);同時(shí)不造成地質(zhì)生態(tài)破壞,環(huán)保效益較好;重力儲(chǔ)能建設(shè)周期通常只需要6個(gè)月左右,壽命可達(dá)30~35年,轉(zhuǎn)化效率約85%,因此從全生命周期角度來看重力儲(chǔ)能度電成本較低,約為0.5元/kWh,具備良好的經(jīng)濟(jì)性。重力儲(chǔ)能也有一定局限性。目前國(guó)內(nèi)在建的首個(gè)重力儲(chǔ)能項(xiàng)目為中國(guó)天楹在江蘇如東建設(shè)的100MWh 項(xiàng)目,相較抽水蓄能規(guī)模較小;同時(shí)重力儲(chǔ)能響應(yīng)速度達(dá)到秒級(jí),也略低于電化學(xué)儲(chǔ)能的響應(yīng)速度。重力儲(chǔ)能具有功率大、效率高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn),選址不受限制,能夠在中、長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存大量的新能源產(chǎn)生的富余能量,同時(shí)可提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,適用于西部可再生能源的大規(guī)模消納利用,重力儲(chǔ)能在西部新能源消納方面大有可為。
飛輪儲(chǔ)能是利用電能對(duì)放置在真空外殼中的轉(zhuǎn)子進(jìn)行加速,從而將電能以機(jī)械能的形式儲(chǔ)存起來,并利用大轉(zhuǎn)輪儲(chǔ)存的慣性能來儲(chǔ)存電能。飛輪儲(chǔ)能具有響應(yīng)速度快、功率密度高、不受充放電次數(shù)限制等優(yōu)點(diǎn)。飛輪儲(chǔ)能的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到毫秒級(jí),同時(shí)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種純物理儲(chǔ)能裝置,因此不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染,飛輪儲(chǔ)能單機(jī)功率可達(dá)2000~3000kW,可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能0.5~100kWh,且沒有化學(xué)儲(chǔ)能充放電次數(shù)的限制。飛輪儲(chǔ)能也有缺點(diǎn),成本較高,能量密度低,儲(chǔ)能容量少,安全性還有待改進(jìn)。飛輪儲(chǔ)能主要應(yīng)用領(lǐng)域是調(diào)頻,由于飛輪儲(chǔ)能具有短時(shí)高頻的特點(diǎn),適合應(yīng)用在電力系統(tǒng)調(diào)頻方面,同時(shí)在分布式發(fā)電及微網(wǎng)、軌道能量回收、電力輸配、備用電源方面也有應(yīng)用。
鉛蓄電池應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最為成熟,成本低廉,是一種通用的儲(chǔ)能技術(shù),可被用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和電網(wǎng)調(diào)峰等,既可以用于短期平滑也可以應(yīng)用于深度循環(huán)充放電。具有很快的響應(yīng)能力,可以在數(shù)毫秒內(nèi)將輸出功率從0% 提升到 100% 額定功率。但鉛酸蓄電池在充放電次數(shù)上有所限制,循環(huán)使用壽命還有待提高,離大規(guī)模儲(chǔ)電的要求仍有較大差距。此外,由于使用大量的鉛作為電池材料,存在環(huán)境污染的隱患,在鉛蓄電池整個(gè)使用壽命周期內(nèi)都應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的管理。
對(duì)于鋰電池來說,最常用的是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。三元體型鋰電池比能量較其他鋰電池高,但是,非常受循環(huán)技術(shù)和安全技術(shù)的限制。該類電池如果受到較大力的沖擊,集中在一點(diǎn)的沖擊以及遇到過充或者短路問題時(shí),其內(nèi)部溫度能夠快速達(dá)到 200~300℃,極易導(dǎo)致正極部分內(nèi)部反應(yīng)引起電池整體膨脹甚至爆炸[3]。磷酸鐵鋰電池正極材料的分解溫度在700℃左右。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件下,短路的磷酸鐵鋰電池單體很少著火,因此磷酸鐵鋰電池在安全性方面比三元電池具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì);同時(shí),三元鋰電池的理論壽命約為800~1000次循環(huán),而磷酸鐵鋰電池的理論壽命約為2000次或以上。從循環(huán)壽命的角度來看,磷酸鐵鋰電池在應(yīng)用和推廣方面更有優(yōu)勢(shì),同時(shí)也更加安全。
全釩液流電池采用不同價(jià)態(tài)的釩離子溶液分別作為正極和負(fù)極材料,通過氧化還原反應(yīng)進(jìn)行充放電。全釩液流電池具有安全性高、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、長(zhǎng)期儲(chǔ)能的特點(diǎn)。全釩液流電池的介質(zhì)為含釩離子的稀硫酸水溶液,工作環(huán)境為常溫常壓,不易發(fā)生爆炸和燃燒。在100%充放電循環(huán)下,充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)20000次以上,整個(gè)生命周期的保能率可達(dá)100%。是大容量高效儲(chǔ)能技術(shù)解決方案的首選之一。同時(shí),釩電池適用于中長(zhǎng)期儲(chǔ)能,儲(chǔ)能時(shí)間可達(dá)4~12h。全釩液流電池成本較高,技術(shù)還有待改進(jìn)。目前全釩液流電池電堆的額定工作電流密度較低,造成其功率密度較低、材料用量大,成本高[4]。
氫儲(chǔ)能技術(shù)利用電—?dú)洹姷幕プ冃??;驹硎请娊馑螳@得氫和氧,利用多余電力大規(guī)模生產(chǎn)氫。首先,將電能轉(zhuǎn)化為氫能并儲(chǔ)存起來,當(dāng)電力輸出不足時(shí),使用氫燃料電池或其他方法再將其轉(zhuǎn)換回電能。氫能清潔、高效,是化學(xué)儲(chǔ)能的延伸,氫能是最理想的能量載體,具有能量密度高、運(yùn)行成本低、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、無污染等諸多優(yōu)點(diǎn)。氫儲(chǔ)能缺點(diǎn)主要是效率較低、儲(chǔ)氫技術(shù)難、安全性較低。氫儲(chǔ)能技術(shù)目前還不成熟,高工產(chǎn)研氫電研究所曾作出分析,氫儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)效率僅35%左右,相較于其他儲(chǔ)能較低,同時(shí)儲(chǔ)氫技術(shù)仍需突破,氫氣是一種無色無味且易燃易爆氣體,安全性需要進(jìn)一步提高。氫儲(chǔ)能是一種很有前景的儲(chǔ)能技術(shù),可應(yīng)用于新能源消納、電網(wǎng)調(diào)峰填谷、用戶冷熱電氣聯(lián)供、微電網(wǎng)等多種場(chǎng)景。氫儲(chǔ)能技術(shù)若要進(jìn)行大規(guī)模地應(yīng)用,必須先解決儲(chǔ)氫、運(yùn)氫的安全和成本問題,氫能儲(chǔ)運(yùn)在產(chǎn)業(yè)鏈中成本較高,高效率和低成本是氫能儲(chǔ)運(yùn)的發(fā)展趨勢(shì)。
熔鹽儲(chǔ)能采用智能互補(bǔ)系統(tǒng),使用風(fēng)電、光伏、夜間低谷電源為熔鹽電加熱器供電。熔鹽通過熔鹽電加熱器加熱,儲(chǔ)存熱量;高溫熔鹽在放熱過程中,與換熱系統(tǒng)中的水交換熱量,釋放熱量。熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)具有規(guī)模大、時(shí)間長(zhǎng)、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。熔鹽儲(chǔ)熱具備單日10h 儲(chǔ)熱能力,且儲(chǔ)能規(guī)??蛇_(dá)幾百兆瓦。
熔鹽儲(chǔ)能工作原理是加熱熔鹽儲(chǔ)能,并通過蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電,整個(gè)過程不產(chǎn)生污染排放。根據(jù)CNESA 全球儲(chǔ)能項(xiàng)目庫,截至2021年底,熔鹽儲(chǔ)熱占我國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)1.2%,熔鹽儲(chǔ)熱規(guī)模達(dá)到0.5GW,主要應(yīng)用在光電發(fā)熱方面,特點(diǎn)是將儲(chǔ)熱和傳熱介質(zhì)合為一體。未來熔鹽儲(chǔ)熱在清潔供熱、火電靈活性改造方面有廣闊的發(fā)展空間。熔鹽儲(chǔ)熱可以將棄風(fēng)、棄光電、低谷電等電能儲(chǔ)存起來,在需要的時(shí)候釋放,減少用戶用能成本;同時(shí)可以為火電電廠減小供熱機(jī)組熱負(fù)荷,或增大供熱機(jī)組發(fā)電出力調(diào)節(jié)范圍,提高電廠的運(yùn)行靈活性。
不同的儲(chǔ)能技術(shù)類型各有其優(yōu)缺點(diǎn),適用不同的應(yīng)用場(chǎng)景,不同儲(chǔ)能類型技術(shù)參數(shù)對(duì)比見表1,各自處在不同的發(fā)展階段。常規(guī)抽水蓄能技術(shù)成熟,容量規(guī)模大,運(yùn)行成本低,負(fù)荷響應(yīng)速度快,但受制于地理?xiàng)l件限制,鋰離子電池和鉛酸電池商業(yè)化成熟,占據(jù)目前電化學(xué)儲(chǔ)能的主要份額,全釩液流電池異軍突起,安全性高,使用壽命長(zhǎng),原材料不受限制,適用于大規(guī)模儲(chǔ)能,具有很大的發(fā)展?jié)摿?。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)逐漸成熟,我國(guó)的壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目正式進(jìn)入百兆瓦級(jí)時(shí)代,其中人工硐室儲(chǔ)氣技術(shù)可擺脫天然洞穴依賴,有利于百兆瓦級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站靈活選址,為大規(guī)模推廣奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。重力儲(chǔ)能安全性和經(jīng)濟(jì)性兼具,具有不錯(cuò)的發(fā)展前景,目前還處在試驗(yàn)探索階段,技術(shù)有待驗(yàn)證。飛輪儲(chǔ)能調(diào)頻性能優(yōu)越,但價(jià)格較高,存在一定的安全隱患。氫儲(chǔ)能極具發(fā)展?jié)摿?,但氫氣的燃點(diǎn)較低,易爆炸,對(duì)儲(chǔ)運(yùn)過程中的安全性也有極高的要求,儲(chǔ)氫技術(shù)還有待突破。熔鹽儲(chǔ)熱受益于西北風(fēng)光大基地配儲(chǔ)需求,大型化特征明顯,有望實(shí)現(xiàn)跨越式增長(zhǎng)。
表1 不同儲(chǔ)能類型技術(shù)參數(shù)對(duì)比