基于储能发展现状的新能源配储发展策略研究

基于储能发展现状的新能源配储发展策略研究

王博

中国大唐集团新能源股份有限公司

摘要：本文详细介绍了储能行业的发展历史以及各类储能技术的分类和发展情况，介绍了各类储能技术的特点，有针对性地提出了新能源发电企业与储能行业耦合高质量发展的路径，在新能源产业规模不断扩大的现实条件下，有助于赋能储能行业快速健康发展。

关键词：储能 电池 飞轮 压缩空气

我国储能产业战略随着2005年《可再生能源产业发展指导目录》的出台而开始布局，在发展初期，储能发展首次被写入法案，规定“电网企业应发展和应用智能电网、储能技术”；到十四五，储能产业战略已经到发展的黄金时期，配套政策将更加完善。储能在未来我国能源体系建设中的关键地位越发突显。随着风光、新能源汽车行业全面市场化，储能作为配套产业，有望得到更好的实质性支持。

1 储能技术的分类及应用领域

储能设备的功率从几kW至几MW不等，储能容量一般小于10MWh，多接入中低压配电网或用户侧。根据能量类型的不同，储能技术大致上可分四类：1）基础燃料的存储（如煤、石油、天然气等）；2）中级燃料的存储（如煤气、氢气等）；3）电能的存储；4）后消费能量的存储（如相变储能等）。从电能存储形式的角度，储能可分为物理储能和化学储能，其中物理储能分为机械储能和电磁储能，化学储能分为电池储能和氢储能等。

若按照能量存储和释放的外部特征划分，分布式储能又分为功率型和能量型两种。前者使用于短时间内对功率需求较高的场合，例如改善电能质量、提供快速功率支撑等；后者适用于对能量需求较高的场合，需要储能设备提供较长时间的电能支撑。功率型储能响应迅速、功率密度较大，包括超级电容储能、飞轮储能、超导储能等。能量型储能具有较高的能量存储密度，充放电时间较长，包括压缩空气储能、钠硫电池、液流电池、铅酸电池、锂离子电池等。

2 各类储能技术原理

2.1电池储能

电池储能是利用电池正负极的氧化还原反应进行充放电的电化学储能装置。根据内部材料以及电化学反应机理的不同，电池储能可分为多种类型，如铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池、镍镉电池、镍氢电池等。各种不同类型的电池储能内部的核心结构基本相同，均由正极、负极、隔膜和电解质组成。在充电过程中，在正极的活性材料上发生氧化反应，失去电子。与此同时，阳离子通过电解质在电场的作用下向负极移动。失去的电子沿着外电路流向负极，并在负极上与负极活性材料结合，发生还原反应。

2.1.1铅炭电池

铅炭电池是一种电容型铅酸电池，是从传统的铅酸电池演进出来的技术，它是在铅酸电池的负极中加入了活性碳，能够显著提高铅酸电池的寿命。铅酸电池中正极板为二氧化铅板，负极板为铅板，电解液为稀硫酸溶液， 因制造成本在电池储能中最低，因此成为在电力系统中应用最广泛的储能电池。但其缺点同样明显，如循环寿命较短、不能深度充放电、存在环境污染隐患等。。

2.1.2锂离子电池

根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池两大类。目前锂离子电池已经发展出了多种体系，包括磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钛酸铁锂电池、锂空气电池等。

锂离子电池主要优点有能量密度高、使用寿命长、安全环保、无记忆效应、自放电小等。目前针对磷酸铁锂电池的研究较多，在电动汽车、可再生能源并网、智能电网以及移动电站等领域应用成效较好。目前先进的锂电池主要有磷酸铁锂电池和三元锂电池两种。

2.1.3液流电池

液流电池不同于固体材料电极或气体电极的电池，其活性物质是流动的电解质溶液，液流电池是利用正负极电解液分开、各自循环的电化学储能装置。按化学反应物不同可分为全钒液流电池、多硫化钠液流电池、锌溴液流电池等。全钒液流电池技术目前相对较为成熟，其将具有不同价态的钒离子溶液作为正极和负极的活性物质分别装在两个储罐中，电池内正、负极电解液用离子交换膜分隔开。电池进行充放电时，电解液通过泵的作用，由外部贮液罐分别循环流经电池的正极室和负极室，并在电极表面发生氧化和还原反应，实现对电池的充放电。

液流电池最显著的优点为能够100%深度放电，循环寿命长，额定功率和容量相互独立，可以通过增加电解液的量或提高电解质的浓度达到增加电池容量的目的。其主要缺点在于能量密度低，所需空间较大。

2.1.4钠硫电池

与铅酸电池、镉镍电池等由固体电极和液体电解质所构成不同，钠硫电池是由熔融液态电极和固体电解质组成的，正极活性物质为液态的硫和多硫化钠熔盐，负极活性物质为熔融金属钠，中间是多孔性陶瓷隔板。

钠硫电池的主要特点是能量密度高、充放电功率大、使用寿命长，而且由于其通常采用固体电解质，没有采用液体电解质电池的自放电及副反应，充放电电流效率接近100%。钠硫电池工作温度较高，一般为300到350摄氏度，电池正常工作需要加热和保温，因此钠硫电池除了电池本身的关键技术外，还涉及电池堆的温度控制技术、电池循环的电控技术、安全保护技术等多项保证电池正常运行的技术。

2.2飞轮储能

飞轮储能系统是一种基于机电能量转换的储能系统，它将能量以动能的形式储存在高速旋转的飞轮中，利用物理方法实现储能，具有储能功率密度高、应用范围广、适应性强、效率高、寿命长、无污染等优点，缺点主要是储能能量密度低、自放电率较高。飞轮储能通常要运行于真空度较高的环境中，以减少风阻带来的损耗。飞轮储能几乎不需要运行维护，而且设备寿命长、对环境没有不良的影响。

2.3压缩空气储能

压缩空气储能的基本原理为：充电时，利用电能驱动空气压缩机把能量以高压空气的形式存储起来；放电时，将高压空气释放出来驱动发电机发电。随着压缩空气储能系统的研究和开发的深入，先后出现了多种形式的压缩空气储能系统。大型压缩空气储能系统。功率在100MW以上，多利用矿洞或岩洞作为储气室，具有储能容量大、储能时间长和效率高等优点。小型压缩空气储能系统，功率在10MW级，一般利用地上高压容器储存压缩空气，适用于配电网，或配合风电场接入等。微型压缩空气储能系统。功率一般为几kW到几百kW，一般用于微电网、备用电源、以及压缩空气汽车等。

2.4超级电容储能

超级电容作为一种新型储能设备，近年来受到国内外研究人员广泛关注。超级电容之所以称之为“超级”，是因为与常规电容器不同，其容量可达到上百法拉甚至更高。超级电容器的结构、工作原理与普通电容器差别很大。从结构上看，超级电容主要由极化电极、集电极、电解质、隔膜、端板、引线和封装材料等几部分组成，各部分的组成、结构均对其性能产生重要的影响。超级电容优势主要表现为：功率密度高、循环寿命长、可靠性高、工作温度范围宽、无环境污染等。但目前其能量密度低，且价格偏高，在实际工程中主要用于短时、大功率波动的平抑，以及提高电能质量等。

3 新能源场站与储能技术耦合发展建议

根据各类储能技术的优势和不足，若要推动新能源场站与储能技术有机融合，需要综合考虑能量转换效率和成本，优选电化学储能技术形式，在耦合配置前要认真研究配储规模、如何配储，确保风光场站与储能装置高效融合，不发生资源浪费和闲置。

3.1着眼风光储一体化发展战略

要实现风光储系统全生命周期建模仿真与经济性测算技术研究，建立数学模型并提出优化求解方法，提出储能电站选址、规划配置技术及方案研究，并提出面向不同场景的多目标风光储联合运行调度控制方法，实现最优控制策略，全面掌握风光储电站关键技术支撑能力，服务风光储电站示范工程建设。

3.2深耕电化学储能技术领域

实现储能电池建模仿真、容量优化配置、系统集成、运行调控技术、系统能效评估等理论方法和核心技术的突破，搭建储能规划方案设计、风储电站系统集成仿真研究平台，布局风储关键设备和系统试验检测平台，研制风储电站规划软件和经济运行控制软件，达到国内领先水平，全面掌握储能电站选址定容、系统集成优化、试验调试等技术支撑能力，服务集团风储电站示范工程建设，为集团储能业务拓展提供技术保障。