薛福，馬曉明，游焰軍

（1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司， 武漢 430071； 2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030； 3.湖北華電武穴新能源有限公司，湖北 黃岡 435400）

0 引言

太陽(yáng)能和風(fēng)能等新能源的利用受出力波動(dòng)性與間歇性的限制。為解決日益凸顯的全球能源短缺和環(huán)境劣化問(wèn)題，近年來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)得到大力發(fā)展。儲(chǔ)能，是指通過(guò)特定的介質(zhì)或者設(shè)備將能量進(jìn)行存儲(chǔ)，并在需要時(shí)再釋能做功的技術(shù)。儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)負(fù)載的均衡，并在調(diào)峰、調(diào)頻、振蕩調(diào)節(jié)、改善電能質(zhì)量和提高供能可靠性中發(fā)揮重要作用。隨著新能源的興起，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和形式也日趨多元化，比如超級(jí)電容耦合光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)-氫耦合儲(chǔ)能等多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)。多能互補(bǔ)協(xié)同優(yōu)化可保障供能穩(wěn)定性和節(jié)能效率［1］：將儲(chǔ)熱納入熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的源側(cè)和系統(tǒng)側(cè)，控制電網(wǎng)調(diào)度，可提升我國(guó)“三北”地區(qū)（指東北、華北、西北）風(fēng)電消納能力［2］；開(kāi)發(fā)利用超導(dǎo)磁儲(chǔ)能及其混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制、脈沖負(fù)載、智慧交通運(yùn)輸、電動(dòng)汽車(chē)充電站等領(lǐng)域日益嶄露頭角［3］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)的類型和發(fā)展?fàn)顩r開(kāi)展了一系列相關(guān)研究。Guney 等［4］系統(tǒng)介紹了儲(chǔ)能系統(tǒng)的分類、特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)、環(huán)境影響和應(yīng)用。Akram 等［5］則對(duì)現(xiàn)代電力系統(tǒng)中參與電網(wǎng)調(diào)頻、滿足快速響應(yīng)需求的儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了綜述，包括超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)、飛輪儲(chǔ)能和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能等，并對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)模型、方案和控制等進(jìn)行了闡述。李相俊等［6］對(duì)新能源側(cè)儲(chǔ)能配置進(jìn)行了研究，并歸納了國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能在新能源側(cè)的應(yīng)用、配置方法、預(yù)評(píng)估等方面的研究進(jìn)展。此外，也有大量關(guān)于新型儲(chǔ)能技術(shù)集成示范工程和關(guān)鍵技術(shù)、儲(chǔ)能檢測(cè)評(píng)價(jià)、標(biāo)準(zhǔn)制定等方面的研究［7-8］。

然而，以往的綜述往往受限于儲(chǔ)能技術(shù)的覆蓋范圍，如部分綜述只關(guān)注特定行業(yè)（如電力行業(yè)）的儲(chǔ)能技術(shù)，或在論述儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)時(shí)，缺少對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性分析。對(duì)所有儲(chǔ)能類型進(jìn)行全面審查、融合不同儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析，有助于更好地了解不同技術(shù)的差異及其潛在應(yīng)用前景，有利于實(shí)現(xiàn)多重技術(shù)整合，為后期政策制定提供一定的建議。

本文對(duì)現(xiàn)階段各類儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行全面梳理，重點(diǎn)介紹不同類型儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)和影響因素，并概括其最新發(fā)展?fàn)顩r?；趪?guó)內(nèi)外一些儲(chǔ)能技術(shù)重點(diǎn)應(yīng)用示范工程，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的典型應(yīng)用場(chǎng)景及問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明。最后，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究，并對(duì)相關(guān)預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了初步探索。

1 儲(chǔ)能技術(shù)的類型及發(fā)展現(xiàn)狀

儲(chǔ)能的類型很多，按照能量存儲(chǔ)形式可大致分為電化學(xué)儲(chǔ)能、熱化學(xué)儲(chǔ)能、熱能儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、抽水蓄能、磁儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能。其他類型的儲(chǔ)能，如生物儲(chǔ)能，因現(xiàn)階段尚處于研究階段，大規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)景較少，本文不作重點(diǎn)討論。

1.1 電化學(xué)儲(chǔ)能

電能可以通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)被儲(chǔ)存在電池和電容器中。電池是一種成熟的高能量密度、高電壓的儲(chǔ)能裝置。電容器以電化學(xué)方式存儲(chǔ)和傳遞能量，其中超級(jí)電容器（UC）具有多孔電極結(jié)構(gòu)，單位體積的電容量大。近年來(lái)，關(guān)于電化學(xué)儲(chǔ)能的研究側(cè)重于新型電極材料和電解質(zhì)、電池成本、能量和功率密度、循環(huán)使用壽命和安全性等方面。

1.1.1 常規(guī)電池

在各類電池中，鋰離子電池具有高比能量和高能量密度。鋰電池的性能主要受固體電解質(zhì)界面的影響，傳統(tǒng)鋰電池的能量密度往往很快達(dá)到物理化學(xué)極限。李泓等［9］以鋰離子電池為例，利用熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、尺寸效應(yīng)、非對(duì)稱體系等簡(jiǎn)述了電化學(xué)儲(chǔ)能器件中的非傳統(tǒng)電化學(xué)問(wèn)題。Nitta 等［10］對(duì)各種鋰電池正負(fù)極材料進(jìn)行了優(yōu)劣勢(shì)分析，并對(duì)改善鋰離子電池性能提出了相關(guān)策略。

在可用能量密度方面，鋰-空氣電池較常規(guī)鋰離子電池更為突出。但高性能鋰-空氣電池的商業(yè)化尚存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)：比如陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電解液成分優(yōu)化、充放電過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)等［11-12］。

由于鈉的資源豐富性、低溫特性以及與鋰離子相似的化學(xué)特點(diǎn)，鈉離子電池可能成為未來(lái)集成可再生能源的智能低成本電池，但其結(jié)構(gòu)特征和摻雜鈉離子的陰極材料制備方面有待進(jìn)一步研究。韓誠(chéng)等［13］歸納了鈉離子電池負(fù)極材料的儲(chǔ)存機(jī)理和改性方法，并重點(diǎn)介紹了幾種鈉離子電池負(fù)極關(guān)鍵材料的研究進(jìn)展，包括碳基材料、鈦基材料、有機(jī)材料等。Ru等［14］則提出，鋁離子電池是最合適替代鋰離子電池的候選者，但在商業(yè)化應(yīng)用之前，其能量密度、電池容量和循環(huán)穩(wěn)定性方面仍需改進(jìn)。

1.1.2 電容器

電容器具有較高的存儲(chǔ)效率（＞95%），使用壽命長(zhǎng)，但壽命難以監(jiān)測(cè)，在使用過(guò)程中易自放電，工作電壓受限于電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的電位。前沿研究主要側(cè)重于納米結(jié)構(gòu)材料的選擇、研發(fā)等，以提高電容器的能量和功率密度。Lu 等［15］詳細(xì)闡述了納米級(jí)材料對(duì)電化學(xué)電容器的影響，包括改善電極材料、設(shè)備耦合度等。朱元元［16］著重進(jìn)行了電化學(xué)電容器負(fù)極材料的設(shè)計(jì)和儲(chǔ)能機(jī)理研究，通過(guò)構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)和引入表面含氧官能團(tuán)，以α-Fe2O3/rGO 為負(fù)極復(fù)合材料，MnO2為正極組裝成非對(duì)稱電化學(xué)電容器，有效改善了電化學(xué)電容器的性能。

1.1.3 液流電池

相比能量密度較低、能量輸出時(shí)間短的固體電池，液流電池獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，但其使用受限于外部存儲(chǔ)容量，且電池的造價(jià)和使用成本比較高。如何開(kāi)發(fā)具有更大比表面積和比體積的單片電極、增加電解液對(duì)電極的潤(rùn)濕性、研制新型隔膜材料以及創(chuàng)建開(kāi)放的孔隙結(jié)構(gòu)以增加傳質(zhì)將會(huì)是今后液流電池設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。謝聰鑫等［17］重點(diǎn)介紹了已產(chǎn)業(yè)化的全釩液流電池及其關(guān)鍵技術(shù)，并分析了新型液流電池（包括水系和非水系電池）的技術(shù)特點(diǎn)及挑戰(zhàn)。

2022 年3 月，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李先鋒課題組在堿性液流電池的離子傳導(dǎo)膜研制上取得重要進(jìn)展，研制出磺化聚醚醚酮（SPEEK）陽(yáng)離子交換膜，材料成本不到國(guó)外同類產(chǎn)品的1/10［18］。該項(xiàng)研究有望大幅提高新一代液流電池性能，加速推進(jìn)液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用。

1.2 熱化學(xué)儲(chǔ)能

熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)可根據(jù)需要利用可逆的化學(xué)反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存或釋放熱能。由于其儲(chǔ)能過(guò)程的能量損失小，因此熱化學(xué)儲(chǔ)能具有良好的長(zhǎng)期儲(chǔ)能應(yīng)用潛力。

汪德良等［19］綜述了熱化學(xué)儲(chǔ)能的基本原理和特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了幾種有前景的熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀，指出未來(lái)熱化學(xué)儲(chǔ)能的重點(diǎn)研究方向包括合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)、添加劑、儲(chǔ)能和釋能過(guò)程優(yōu)化等。Bermúdez 等［20］提出了一種基于碳材料微波誘導(dǎo)CO2氣化的儲(chǔ)能新技術(shù)，利用微波加熱機(jī)制對(duì)各種碳材料進(jìn)行能量消耗和回收方面的測(cè)試和評(píng)估，該項(xiàng)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的能效達(dá)到了45%。楊天鋒等［21］對(duì)基于金屬氧化物的高溫?zé)峄瘜W(xué)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了綜述，構(gòu)建了100 MW 太陽(yáng)能超臨界CO2布雷頓循環(huán)與金屬氧化物儲(chǔ)能耦合系統(tǒng)，并建立了穩(wěn)態(tài)模型。模擬結(jié)果表明，在典型晴朗春分日，該系統(tǒng)循環(huán)熱效率可達(dá)51.2%，并可實(shí)現(xiàn)24 h 不間斷運(yùn)行。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的大規(guī)模商業(yè)化仍面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，未來(lái)研究重點(diǎn)主要集中在以下幾點(diǎn)：選擇最優(yōu)材料或材料組合以降低儲(chǔ)存能量的熱量損失；提高儲(chǔ)能體系循環(huán)壽命和綜合性能；研究循環(huán)動(dòng)態(tài)特性及建模；控制造價(jià)成本等。

1.3 熱能存儲(chǔ)（TES）

TES 是指在存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)熱能或冷能。TES系統(tǒng)通常由一種存儲(chǔ)介質(zhì)和設(shè)備組成，用設(shè)備向介質(zhì)中注入和提取熱量。TES 有3 種儲(chǔ)能模式：顯熱、潛熱和熱化學(xué)。

地面蓄熱是最普遍的顯熱儲(chǔ)能方式，它通常涉及在夏季使用循環(huán)介質(zhì)（水或空氣）從建筑物中提取熱量，地面換熱器將循環(huán)介質(zhì)輸送到更深的地下進(jìn)行儲(chǔ)存供冬季使用。受介質(zhì)單位體積蓄熱能力較低的影響，顯熱儲(chǔ)能的效率偏低。該技術(shù)的發(fā)展主要受投資成本、政策、儲(chǔ)熱材料、地下空間以及規(guī)?；潭鹊纫蛩氐挠绊?。Vijjapu 等［22］重點(diǎn)介紹了顯熱存儲(chǔ)技術(shù)和不同顯熱存儲(chǔ)材料的特性，并指出隨著材料科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，顯熱儲(chǔ)能的能力和效率將得到顯著提高。

潛熱儲(chǔ)能主要涉及相變材料。由于其相變過(guò)程的等溫性質(zhì)以及單位儲(chǔ)能容量質(zhì)量低、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，潛熱儲(chǔ)能廣受關(guān)注。目前，潛熱儲(chǔ)能的研究主要集中于開(kāi)發(fā)和引進(jìn)新的儲(chǔ)存介質(zhì)，并采取一定策略來(lái)提高現(xiàn)有儲(chǔ)存介質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)［23］，比如，為提高相變材料的導(dǎo)熱性，可以結(jié)合不同形式的高導(dǎo)電性嵌件。同時(shí)，高溫蓄熱也正處于穩(wěn)步研究階段，包括在相變材料中嵌入金屬泡沫、利用數(shù)學(xué)建模來(lái)預(yù)測(cè)高溫下復(fù)合材料的特性等。

1.4 壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）

CAES 系統(tǒng)可將多余的能量用于壓縮空氣，并將其儲(chǔ)存在地下洞穴或廢棄礦井中。根據(jù)能源需求，這些壓縮空氣可以被釋放到渦輪機(jī)中做功發(fā)電；另一種選擇是利用可用能源將液化空氣儲(chǔ)存在低溫、低壓的絕熱儲(chǔ)氣罐中。后者過(guò)程能量損失相比于前者更低，更適合長(zhǎng)期存儲(chǔ)，效率更高。CAES系統(tǒng)雖具有技術(shù)成熟、易操作、安全環(huán)保、儲(chǔ)能容量較高等優(yōu)點(diǎn)，但大規(guī)模開(kāi)發(fā)較依賴特殊的地理環(huán)境。

CAES 系統(tǒng)當(dāng)前效率為42%～55%，解決效率波動(dòng)和提高系統(tǒng)效率將是今后研究的重點(diǎn)。為提高系統(tǒng)效率、減少液化廢棄物和液化過(guò)程外部能源的需求量，可以聯(lián)合其他熱循環(huán)（比如布雷頓循環(huán)、低溫有機(jī)朗肯循環(huán)）將液化空氣蒸發(fā)階段的廢冷、液化前壓縮空氣產(chǎn)生的廢熱存儲(chǔ)利用起來(lái)。She 等［24］提出了一種布雷頓循環(huán)裝置，循環(huán)利用空氣液化產(chǎn)生的熱量，并將熱量釋放到液化天然氣儲(chǔ)存系統(tǒng)的蒸發(fā)器中，將2 個(gè)系統(tǒng)耦合起來(lái)后裝置整體效率提高至70%左右。絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系技術(shù)與蓄熱裝置的綜合利用也備受矚目。在我國(guó)已建成并投產(chǎn)了首座絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能電站——常州金壇鹽穴項(xiàng)目，其采用了非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，系統(tǒng)儲(chǔ)能效率約為60%。

1.5 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能也稱為動(dòng)能儲(chǔ)存，是一種機(jī)械儲(chǔ)能形式，能提供較高的功率和能量密度，其儲(chǔ)能形式環(huán)保性好、空間占比小、技術(shù)成熟。動(dòng)能通過(guò)電機(jī)/發(fā)電機(jī)傳入/傳出飛輪，具體過(guò)程取決于充電/放電模式，儲(chǔ)存的機(jī)械能按需釋放為電能。飛輪儲(chǔ)能主要適用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器的平穩(wěn)運(yùn)行，在電力調(diào)峰、不間斷電源、近地球軌道監(jiān)測(cè)、脈沖功率傳輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

與常規(guī)儲(chǔ)能電池和超級(jí)電容器相比，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的缺點(diǎn)主要圍繞著放電時(shí)間、成本、噪音、機(jī)械應(yīng)力和疲勞應(yīng)力、使用安全等方面。由于飛輪儲(chǔ)能的存儲(chǔ)量與飛輪質(zhì)量成正比，與速度的平方成正比，因此需要在飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用中最大限度地提升轉(zhuǎn)速和功率密度。為提高飛輪儲(chǔ)能功率密度，Toodeji［25］提出了一種新的組合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將超級(jí)電容器置于飛輪旋轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)，通過(guò)交換脈沖功率存儲(chǔ)大量能量。

飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵支持技術(shù)是轉(zhuǎn)子材料的選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。使用復(fù)合材料可以實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速和功率密度。比如使用T700/AG80的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合轉(zhuǎn)子材料，可優(yōu)化飛輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，飛輪的儲(chǔ)能密度提升了約22.8%［26］。李萬(wàn)杰等［27］則提出，在高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中采用超導(dǎo)磁懸浮軸承可以更好發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。

從表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,除環(huán)境/生態(tài)科學(xué)和地球科學(xué)這個(gè)研究領(lǐng)域外,在其他領(lǐng)域,高被引論文作者認(rèn)為存在5個(gè)以上競(jìng)爭(zhēng)者的比例均高于普通論文作者,這說(shuō)明整體而言,高被引論文作者所面臨的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境比普通論文作者更加嚴(yán)峻。但是,學(xué)者們進(jìn)行科學(xué)研究所面臨競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境的激烈程度是有上限的。調(diào)查結(jié)果顯示,僅有3%的高被引論文作者認(rèn)為存在超過(guò)10個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者,僅有5%的普通論文作者認(rèn)為存在超過(guò)10個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者。除計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)、環(huán)境/生態(tài)科學(xué)和地球科學(xué)以外,在其他學(xué)科中,非常關(guān)心優(yōu)先發(fā)表權(quán)的高被引論文作者比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通論文作者。

1.6 抽水蓄能（PHES）

PHES 是一種以水力勢(shì)能形式儲(chǔ)存電能資源的驅(qū)動(dòng)設(shè)施，利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的電能抽水至上水庫(kù)，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫(kù)，帶動(dòng)渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，完成儲(chǔ)能與釋能轉(zhuǎn)換的過(guò)程。PHES系統(tǒng)的能源效率在70%～80%，容量大小通常為1 000～1 500 MW。PHES 系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是資產(chǎn)壽命長(zhǎng)，達(dá)50～100 年，運(yùn)行和維護(hù)成本低。抽水蓄能的缺點(diǎn)是由于機(jī)組規(guī)模大，前期開(kāi)發(fā)建設(shè)投入成本高；選址受地形限制，同時(shí)伴隨著環(huán)境和生態(tài)影響等。地下PHES 系統(tǒng)被認(rèn)為是一種技術(shù)上可行的選擇，可以通過(guò)地下水庫(kù)（例如廢棄礦井）來(lái)解決常規(guī)抽水蓄能電站建設(shè)成本高、地形受限等缺點(diǎn)。但目前，地下抽水蓄能仍面臨著前期地質(zhì)勘測(cè)和施工難度大等問(wèn)題，尚未正式規(guī)?；瘧?yīng)用。

為提高傳統(tǒng)PHES 的運(yùn)行靈活性和效率、增加機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)，Deane 等［28］開(kāi)發(fā)變速PHES 技術(shù)，采用旁通泵/渦輪機(jī)布置。在小容量情況下，設(shè)計(jì)泵送系統(tǒng)容量調(diào)控范圍為60%～100%，發(fā)電容量調(diào)控范圍為20%～100%。PHES 變速運(yùn)行可提升區(qū)域電網(wǎng)新能源消納水平，減少火電調(diào)峰［29］。為了提高多能聯(lián)合系統(tǒng)接入電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，促進(jìn)間歇式能源有效消納，劉芳等［30］采用置信區(qū)間建立了考慮風(fēng)電不確定性及抽水蓄能電站水頭變化影響的聯(lián)合優(yōu)化機(jī)組模型。為了緩解PHES 系統(tǒng)對(duì)環(huán)境影響，新的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)路線也正在研究中，包括在PHES中使用廢水，耦合更多的風(fēng)電、光伏等間歇性可再生新能源［31］。

隨著國(guó)家政策、規(guī)劃等的大力引導(dǎo)和支持，抽水蓄能迎來(lái)發(fā)展契機(jī)。如何解決地下抽水蓄能電站的前期工程建設(shè)、優(yōu)化電站電氣系統(tǒng)配置、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)超高水頭超大容量電站及其裝配技術(shù)、實(shí)現(xiàn)與可再生新能源耦合調(diào)度等將是今后PHES研究的重點(diǎn)。

1.7 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能（SMES）

SMES 是采用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來(lái)，需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其他負(fù)載的一種電力設(shè)施。SMES 目前主要應(yīng)用于均衡電網(wǎng)負(fù)載、調(diào)相、調(diào)頻、改善電網(wǎng)電能質(zhì)量、自動(dòng)發(fā)電控制和不間斷電源、保障電力系統(tǒng)安全等方面。

由于超導(dǎo)線圈在超導(dǎo)狀態(tài)下電阻幾乎為零，SMES 在能量存儲(chǔ)和利用過(guò)程中熱損耗極低，電流和功率密度高，具有儲(chǔ)能容量高、響應(yīng)速度快（1～100 ms）、無(wú)噪聲污染等優(yōu)點(diǎn)。目前仍存在超導(dǎo)材料費(fèi)用較高、低溫制冷系統(tǒng)配置不足、退化和失效機(jī)制不夠透徹、絕緣設(shè)計(jì)缺乏可靠性、缺少失超保護(hù)等問(wèn)題，相關(guān)技術(shù)正在研究中：夏亞君等［32］介紹了超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀，從裝置及系統(tǒng)2 個(gè)層面分析了SMES 應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，包括動(dòng)態(tài)特性、絕緣特性、控制特性，安全可靠性等方面，并針對(duì)不同層面的問(wèn)題提出了具體的研究思路；郭文勇等［33］重點(diǎn)探討了SMES 中的2 個(gè)基本核心部件——超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研發(fā)現(xiàn)狀，并指出未來(lái)應(yīng)聚焦高溫超導(dǎo)材料的研發(fā)將極大降低SMES成本，提高其性能和壽命。

1.8 氫儲(chǔ)能

氫儲(chǔ)能具有能量密度高、容量增減適應(yīng)性強(qiáng)、放電時(shí)間長(zhǎng)、與環(huán)境兼容性較好等突出優(yōu)點(diǎn)，氫能顯示出與電能互補(bǔ)的特性，在新型電力系統(tǒng)中應(yīng)用價(jià)值明顯。隨著“氫經(jīng)濟(jì)”的興起，許傳博等［34］描述了氫儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)，探討了氫儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)“源網(wǎng)荷”中的應(yīng)用價(jià)值及規(guī)模分析。氫儲(chǔ)能的劣勢(shì)在于能源轉(zhuǎn)化效率整體偏低、投資成本高，存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的技術(shù)尚未成熟。

不少學(xué)者開(kāi)展了大量相關(guān)研究。在制氫技術(shù)方面，謝欣爍等［35］將傳統(tǒng)制氫技術(shù)同新型制氫技術(shù)的生命周期評(píng)價(jià)進(jìn)行了比較，闡述了各類制氫技術(shù)的基本原理和應(yīng)用現(xiàn)狀，并歸納了其制氫成本。文獻(xiàn)指出風(fēng)電制氫技術(shù)的環(huán)保性最佳，而核能熱化學(xué)制氫在未來(lái)具有大規(guī)模應(yīng)用的潛力。在氫能存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，Lamb 等［36］探索了從氨氣流中提純氫氣的技術(shù)，并提出氨氣的節(jié)能分解、氫氣的分離和提純是將氨氣制氫儲(chǔ)氫技術(shù)的2個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。霍現(xiàn)旭等［37］則分析了現(xiàn)有成熟氫能儲(chǔ)能系統(tǒng)的不足與限制，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外氫儲(chǔ)能示范工程，指出今后氫儲(chǔ)能的研究重點(diǎn)應(yīng)集中在電解槽技術(shù)、儲(chǔ)氫材料研發(fā)和燃料電池技術(shù)及性能綜合評(píng)估等方面。Preuster 等［38］指出氫的成本是阻礙其在電力市場(chǎng)中使用的主要障礙，建議在高壓和高質(zhì)量條件下小規(guī)模使用氫能，如移動(dòng)加氫站或小型工業(yè)用氫，可能是氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突破口。該文獻(xiàn)同時(shí)指出，第三世界國(guó)家可通過(guò)氫與有機(jī)液體結(jié)合運(yùn)輸?shù)姆椒òl(fā)展氫經(jīng)濟(jì)。

2 儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用

儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，如電力調(diào)峰、可再生能源利用、凈零能耗建筑能源系統(tǒng)、智慧交通等。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用形式也日趨多元化，比如多種儲(chǔ)能技術(shù)耦合互補(bǔ)、與傳統(tǒng)石化能源的多源耦合、便攜移動(dòng)式儲(chǔ)能充電站等。選取儲(chǔ)能技術(shù)幾個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景，并簡(jiǎn)要闡述了部分儲(chǔ)能技術(shù)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題。

表1列舉了國(guó)內(nèi)外一些已投產(chǎn)運(yùn)行或在建的儲(chǔ)能系統(tǒng)典型示范工程。可以看出，當(dāng)前儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展規(guī)模程度不盡相同。預(yù)計(jì)隨著全球儲(chǔ)能技術(shù)和市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)將逐步由產(chǎn)業(yè)化初期向商業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展，同時(shí)在新型電力系統(tǒng)中也將主動(dòng)承擔(dān)更多的功能。

表1 國(guó)內(nèi)外目前在運(yùn)或在建的儲(chǔ)能系統(tǒng)示例Table 1 Examples of current energy storage systems in operation or under construction in the world

2.1 能源公用事業(yè)應(yīng)用

隨著儲(chǔ)能形式的多樣化，儲(chǔ)能系統(tǒng)在公用事業(yè)中的使用頗受關(guān)注。通過(guò)將可再生能源系統(tǒng)與儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，可提高可再生能源的推廣率，使得電網(wǎng)控制和維護(hù)更加靈活。

傳統(tǒng)形式的抽水蓄能技術(shù)已發(fā)展成熟，成為大規(guī)模儲(chǔ)能的主要技術(shù)；電化學(xué)儲(chǔ)能是在電能需求量較低時(shí)的方法，電池儲(chǔ)能主要集中在運(yùn)輸系統(tǒng)、小型便攜式電源或間歇性備用電源系統(tǒng)上，未來(lái)可集中應(yīng)用于公用事業(yè)領(lǐng)域，如提供變電站峰值配電容量延遲、調(diào)峰以及增強(qiáng)其可靠性。He等［39］介紹了在公用事業(yè)中規(guī)?；銛y式儲(chǔ)能系統(tǒng)的潛力，并使用時(shí)空決策模型研究了其應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。該文獻(xiàn)表明，在一些地區(qū)應(yīng)用移動(dòng)儲(chǔ)能的方式可以將儲(chǔ)能設(shè)備生命周期內(nèi)的收入提高70%，并能有效促進(jìn)當(dāng)?shù)乜稍偕茉慈诤稀?/p>

2.2 可再生能源應(yīng)用

可再生能源的使用正在迅速增長(zhǎng)，但這些資源的多樣性為其大規(guī)模集成時(shí)的運(yùn)營(yíng)和使用帶來(lái)了部分技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)。如何將可再生能源同儲(chǔ)能系統(tǒng)/分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合，解決其間歇性波動(dòng)問(wèn)題，很多學(xué)者對(duì)其做了大量研究工作。

Beaudin等［40］認(rèn)為，可擴(kuò)展、模塊化、耐用和低維護(hù)的儲(chǔ)能技術(shù)可能是分布式可再生能源獲取的理想選擇，單一形式的儲(chǔ)能方式未必能滿足全部應(yīng)用特性，可以聯(lián)合其他儲(chǔ)能形式。Koohi-Kamali 等［41］回顧了電能存儲(chǔ)技術(shù)在包含可再生能源的電力系統(tǒng)中的各種應(yīng)用，包括提高可再生能源滲透率、負(fù)載均衡、頻率調(diào)節(jié)、提供運(yùn)營(yíng)儲(chǔ)備和改善微智能電網(wǎng)。

在壓縮空氣儲(chǔ)能應(yīng)用方面，將風(fēng)能、太陽(yáng)能和潮汐能等可再生能源與電網(wǎng)進(jìn)行整合，可增加CAES 的靈活性。韓越等［42］則從多能源耦合的角度分析了壓縮空氣儲(chǔ)能與其他火力發(fā)電機(jī)組及可再生能源的耦合形式和技術(shù)特點(diǎn)，為壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用形式提供了綜合全面的參考與指導(dǎo)。田崇翼［43］重點(diǎn)開(kāi)展了壓縮空氣儲(chǔ)能與風(fēng)電系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化與控制策略研究，建立了相關(guān)熱力學(xué)模型，并搭建了基于渦旋機(jī)的壓縮空氣儲(chǔ)能試驗(yàn)平臺(tái)。

2.3 物流運(yùn)輸應(yīng)用

隨著現(xiàn)代物流運(yùn)輸技術(shù)快速發(fā)展，面向先進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)也逐步顯現(xiàn)。車(chē)載儲(chǔ)能系統(tǒng)混動(dòng)汽車(chē)需追求高功率密度，以滿足快速充放電、加速、高循環(huán)效率、易于控制和系統(tǒng)再生制動(dòng)能力強(qiáng)等需求。地面電動(dòng)車(chē)輛中使用的主要儲(chǔ)能裝置是電池，電化學(xué)電容器具有比電池更高的功率密度，可用于電動(dòng)和燃料電池汽車(chē)。Cao等［44］提出了一種新的電池/超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于電動(dòng)汽車(chē)，該設(shè)計(jì)充分利用了超級(jí)電容器的功率能力，而不需要匹配功率轉(zhuǎn)換器來(lái)滿足實(shí)時(shí)峰值功率需求，能明顯改善蓄電池負(fù)載狀況和車(chē)輛駕駛性能。為了提高儲(chǔ)能能量密度，使用飛輪和電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)很具吸引力，其中飛輪具有高功率密度，可以很好地應(yīng)對(duì)波動(dòng)的功耗，而電池則具有高能量密度，可以作為推進(jìn)的主要?jiǎng)恿υ?。此外，?duì)于大型車(chē)輛，比如火車(chē)，則可以通過(guò)在供電變電站、鐵路軌道沿線或列車(chē)上安裝儲(chǔ)能裝置，以獲取車(chē)輛制動(dòng)能量。有學(xué)者研究指出，鐵路運(yùn)輸中關(guān)于再生制動(dòng)，應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)主要面臨2 方面的挑戰(zhàn)：一是針對(duì)特定的應(yīng)用選擇正確的儲(chǔ)能系統(tǒng)；二是如何優(yōu)化使用問(wèn)題，這其中包括安裝位置、系統(tǒng)尺寸、最優(yōu)的充電放電控制等，以獲取最多的能量［45］。

關(guān)于使用氫氣作為車(chē)輛燃料，前沿是開(kāi)發(fā)以液相儲(chǔ)存氫氣的物理和化學(xué)方法。采用合成或加工現(xiàn)有材料的新方法制備有改進(jìn)性能的新材料是非?？扇〉?。高佳佳等［46］重探究了4類新型儲(chǔ)氫材料特性和應(yīng)用場(chǎng)景，并對(duì)其研究進(jìn)展、存在的問(wèn)題以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行介紹。

3 儲(chǔ)能技術(shù)性能比較

不同儲(chǔ)能的技術(shù)特征差異較大，單一的儲(chǔ)能技術(shù)難以具備快速充放、大容量存儲(chǔ)、持續(xù)一致性好、可靠性高、成本低等全部條件。表2 和表3［47-48］分別列出了不同儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和技術(shù)特征?？梢钥闯?，在電化學(xué)儲(chǔ)能中，鋰離子電池相比其他形式電池功率和能量密度高，但循環(huán)使用壽命缺不及超級(jí)電容；抽水蓄能具有高儲(chǔ)能容量特性，持續(xù)使用周期長(zhǎng)，適合大規(guī)模耗能場(chǎng)景應(yīng)用，但存在環(huán)境和投入成本問(wèn)題；超導(dǎo)磁儲(chǔ)能因超導(dǎo)效應(yīng)其循環(huán)效率比較突出，但能量密度相比卻不占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；氫儲(chǔ)能則呈現(xiàn)能量密度最高特點(diǎn)，但其循環(huán)效率偏低。針對(duì)特定的儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，應(yīng)綜合權(quán)衡選擇合適的開(kāi)發(fā)路徑和類型，同時(shí)可以采取多種儲(chǔ)能技術(shù)并行開(kāi)發(fā)利用。

表2 不同儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)Table 2 Advantages and disadvantages of various energy storage technologies

表3 不同儲(chǔ)能技術(shù)特征［47-48］Table 3 Technical characteristics of various energy storage technologies［47-48］

4 儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本通常取決于應(yīng)用場(chǎng)景。不同技術(shù)的發(fā)展水平和規(guī)模不同，比較各種儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性往往具有一定的不確定性。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從不同出發(fā)點(diǎn)闡述儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的研究方法。劉暢等［49］綜述了國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性的研究進(jìn)展和方法，初步建立了儲(chǔ)能在不同應(yīng)用模式（包括傳統(tǒng)發(fā)電領(lǐng)域、可再生新能源領(lǐng)域、輔助服務(wù)領(lǐng)域等）下的收益模型。該文獻(xiàn)以區(qū)域電力系統(tǒng)為研究對(duì)象，比較了有無(wú)儲(chǔ)能系統(tǒng)下系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行成本和社會(huì)效益的不同，這種計(jì)算方式可分析儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性的趨勢(shì)。Carnegie 等［50］確定了儲(chǔ)能設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景，并比較了這些應(yīng)用中存儲(chǔ)設(shè)備的成本。此外，特定使用場(chǎng)景下儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本因位置、施工方法和規(guī)模而顯著不同，成本效益取決于能源（如天然氣）價(jià)格。Marean［51］研究了基于各種地質(zhì)構(gòu)造CAES 系統(tǒng)的投資成本：鹽穴（溶浸開(kāi)采）投資成本為1 美元/（kW·h），硬質(zhì)巖石礦山（使用現(xiàn)有礦山）的投資成本為30 美元/（kW·h）。

修曉青等［52］構(gòu)建了基于等效能折算的儲(chǔ)能全壽命周期成本模型與平準(zhǔn)化電力成本模型，指出受投資成本影響，現(xiàn)階段抽水蓄能具備成本競(jìng)爭(zhēng)力；若離子電池儲(chǔ)能的投資成本降低30%，它將具備顯著競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

Elshurafa［53］則回顧了儲(chǔ)能技術(shù)在發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值，從定性和定量方面審查了平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本模型、生產(chǎn)成本模型和基于市場(chǎng)的模型在評(píng)估儲(chǔ)能價(jià)值方面的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)指出在儲(chǔ)能電力價(jià)值鏈中需要監(jiān)管和市場(chǎng)改革更多的創(chuàng)新，以此真正發(fā)揮儲(chǔ)能潛力。

表4 列出了不同儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估數(shù)據(jù)。預(yù)計(jì)隨著技術(shù)革新和應(yīng)用規(guī)模化水平提高，未來(lái)部分儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)成本會(huì)有所降低，如應(yīng)用于公用事業(yè)的鋰離子電池、氫儲(chǔ)能（氫燃料電池）等［54］。

表4 不同儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估［48，54-55］Table 4 Estimated costs of various energy storage technologies［48，54-55］

盡管許多文章通過(guò)探討儲(chǔ)能技術(shù)成本確定特定技術(shù)在未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)力［55-56］，然而，由于缺乏相關(guān)技術(shù)革新、知識(shí)溢出以及預(yù)測(cè)商品價(jià)格變動(dòng)趨勢(shì)的能力，此類分析往往具有一定程度的不確定性。Schmidt 等［57］根據(jù)各種儲(chǔ)能技術(shù)的歷史價(jià)格和累計(jì)裝機(jī)容量得出經(jīng)驗(yàn)曲線，對(duì)各種技術(shù)未來(lái)的價(jià)格做了預(yù)測(cè)和探討。

關(guān)于儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析需要權(quán)衡各種要素，不同的評(píng)價(jià)體系和模型分析各有側(cè)重點(diǎn)，結(jié)果也有一定差別。在今后決策制定中，預(yù)測(cè)各種儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用潛力和發(fā)展規(guī)模方面，需要結(jié)合不同模型或開(kāi)發(fā)優(yōu)化更具代表性的模型來(lái)進(jìn)行更深入分析。同時(shí)，儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)價(jià)值也需要更多的考慮市場(chǎng)監(jiān)管和市場(chǎng)改革等大環(huán)境影響，以獲得更大競(jìng)爭(zhēng)力。

5 結(jié)論

儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于新型電力系統(tǒng)調(diào)頻、提升電能質(zhì)量、促進(jìn)可再生新能源消納、備用電源等發(fā)揮著重要作用。不同的儲(chǔ)能技術(shù)特征差別較大，單一的儲(chǔ)能技術(shù)或系統(tǒng)難以全部滿足實(shí)際儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景需求。隨著技術(shù)革新和市場(chǎng)機(jī)制的穩(wěn)步創(chuàng)新，儲(chǔ)能技術(shù)將會(huì)在未來(lái)參與構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、推進(jìn)能源革命、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)等方面發(fā)揮更大作用。

本文通過(guò)梳理總結(jié)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外一系列關(guān)于儲(chǔ)能技術(shù)的研究成果，對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)的類型和發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了綜述，著重分析了不同儲(chǔ)能技術(shù)的差異及應(yīng)用領(lǐng)域，并對(duì)其研究重點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了闡述。

（1）電化學(xué)和電池儲(chǔ)能技術(shù)重點(diǎn)是引入新的儲(chǔ)能材料。本文深入剖析其儲(chǔ)能機(jī)理，并分析了其對(duì)儲(chǔ)能需求的適用性。

（2）熱化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行需掌握循環(huán)動(dòng)態(tài)特性及建模，以提升使用壽命、降低成本。

（3）抽水蓄能和壓縮空氣蓄能技術(shù)是成熟、可靠的技術(shù)，常用于具有大規(guī)模電力存儲(chǔ)，然而仍需研究如何提高其循環(huán)效率，解決開(kāi)發(fā)前期的基建相關(guān)問(wèn)題。

（4）飛輪儲(chǔ)能則適用于頻繁啟停、放電時(shí)間短的場(chǎng)合，采用新型材料并對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化將是其未來(lái)研究方向。

（5）超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)具有響應(yīng)速度快、能量功率密度高等特點(diǎn)，目前需要突破超導(dǎo)材料研發(fā)、退化和失效機(jī)制等技術(shù)瓶頸。

（6）氫儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值和潛力明顯，但技術(shù)在大規(guī)模實(shí)施應(yīng)用之前仍需克服儲(chǔ)運(yùn)、跨領(lǐng)域協(xié)同、經(jīng)濟(jì)成本、市場(chǎng)認(rèn)知度等方面的障礙。隨著更多可再生能源系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合，新型混合儲(chǔ)能技術(shù)并行發(fā)展，預(yù)計(jì)未來(lái)氫和電作為能源載體的使用將得到大力改善。