储能技术分类概述

储能技术分类概述（一）储能的定义及分类1.储能的定义储能是通过特定的装臵或物理介质将不同形式的能量通过不同方式储存起来，以便以后在需要时利用的技术。储能主要是指电能的储存。储能又是石油油藏中的一个名词，代表储层储存油气的能力。储能本身不是新兴的技术，但从产业角度来说却是刚刚出现，正处在起步阶段。广义的电力储能技术是指为实现电力与热能、化学能、机械能等能量之间的单向或双向存储设备，所有能量的存储都可以称为储能。传统意义的电力储能可定义为实现电力存储和双向转换的技术，包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导磁储能、电池储能等，利用这些储能技术，电能以机械能、电磁场、化学能等形式存储下来，并适时反馈回电力网络。能源互联网中的电力储能不仅包含实现电能双向转换的设备，还应包含电能与其他能量形式的单向存储与转换设备。在能源互联网背景下，广义的电力储能技术可定义为实现电力与热能、化学能、机械能等能量之间的单向或双向存储设备。如图１所示，电化学储能、储热、氢储能、电动汽车等储能技术围绕电力供应，实现了电网、交通网、天然气管网、供热供冷网的“互联”。其中，电化学储能和电动汽车实现了电力双向转换，用双框线标出，其余用单框线标出，图中箭头的方向表示能量流动的方向，ＦＣＥＶ表示燃料电池电动汽车，ＢＥＶ表示电化学电池电动汽车。图1：能源互联网中的电力储能技术除储能设备外，还包含了热电联供机组、燃料电池、热泵、制氢等能源转换设备。储能和能源转换设备共同建立了多能源网络的耦合关系。在实际应用中，二者常进行一体化设计，难以区分，因此本文将具有储能能力的电力转换设备也纳入广义电力储能的范畴。图中，通过新能源发电实现风、光、潮汐、地热等主要一次能源向电能的转换。在电网传输和消纳能力的限制下，部分新能源发电将通过制氢、制热等方式进行转换，部分新能源发电以电化学储能等双向电力储能设备存储并适时返回电网。在各电力储能技术的支撑下，新能源发电与热电联供机组、燃料电池、热泵等转换设备协调运行，实现了新能源高效利用目标下，以电能为核心的多能源生产和消费的匹配。2.储能按技术原理分类按照技术原理划分，储能技术主要分为物理储能（如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等）、化学储能（如铅蓄电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池）和电磁储能（如超导电磁储能、超级电容器储能等）三大类。其中：最成熟的是抽水蓄能、铅蓄电池；正处于示范推广阶段的是飞轮储能、压缩空气储能、锂电池；发展处于初期的技术有铝空气电池、液流电池、钠硫电池、固态电池、燃料电池、超导磁蓄能、超级电容等。表1：各类储能的特点种类典型额定功率额定功率下的放电时间特点应用场合机械储能抽水蓄能100~3000MW4~10h适用于大规模储能，技术成熟。响应慢，受地理条件限制调峰、日负荷调节、频率控制，系统备用压缩空气储能10~300MW1~20h适用于大规模储能，技术成熟。响应慢，受地理条件限制调峰、调频，系统备用，平滑可再生能源功率波动飞轮储能0.002~3MW1~1800s寿命长，比功率高，无污染调峰、频率控制、不间断电源、电能质量控制电磁储能超导磁储能0.1~100MW1~300s响应快，比功率高，低温条件，成本高输配电稳定、抑制震荡超级电容器储能0.01~5MW1~30s响应快，比功率高，成本高，比能量低电能质量控制电化学储能铅蓄电池几千瓦至几万千瓦几分钟至几小时技术成熟，成本低，寿命短，存在环保问题备用电源、黑启动液流电池0.05~100MW1~20h寿命长，可深度放电，便于组合，环保性能好，储能密度稍低备用电源，能量管理，平滑可再生能源功率波动钠硫电池0.1~100MW数小时比能量与比功率高，高温条件，运行安全问题有待改进电能质量控制，备用电源，平滑可再生能源功率波动锂离子电池几千瓦至几万千瓦几分钟至几小时比能量高，循环特性好，成组寿命有待提高，安全问题有待改进电能质量控制，备用电源，平滑可再生能源功率波动（1）物理储能a.抽水储能抽水蓄能电站配备上、下游两个水库，负荷低谷电能富余时，将下游水库的水抽到上游水库保存；负荷高峰电能缺口时，利用储存在上游水库中的水发电。抽水蓄能是目前存储大规模电力技术最成熟、成本效益最好的储能技术，也是当前惟一广泛采用的大规模能量存储技术，世界总装机容量已超过150,000MW。图2：抽水蓄能工作原理抽水蓄能电站将电网负荷低时的多余电能转变为电网高峰时期的高价值电能，适用于调频、调相，稳定电力系统的周波和电压，并且宜为备用电源，效率较高，储能容量大。缺点是其受地理条件、转化效率等方面的制约较大，响应时间是分钟级，应对电网负荷波动能力较差，同时投资周期较大，抽蓄损耗和线路损耗均较大。抽水蓄能电站能够用于黑启动、控制电网频率、提供备用容量和提高火电站和核电站的运行效率等方面。b.压缩空气储能压缩空气储能是一种基于燃气轮机的储能技术，利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，将空气高压密封在密封空间中，在需要电能时，释放高压空气推动汽轮机发电。压缩空气储能燃料消耗比调峰用燃气轮机组可以减少1/3，所消耗的燃气要比常规燃气轮机少40%，安全系数高，使用寿命长。压缩空气储能规模大，仅次于抽水蓄能，场地限制较小，适用于大型电站，，同时建造受地穴、矿井等特殊地形条件的限制；建造成本和运行成本比较低，低于钠硫电池或液流电池，也低于抽水蓄能电站，具有很好的经济性；通过维护使用寿命可达40-50年，压缩空气储能使用的原料是空气，不会燃烧，没有爆炸的危险，不会产生任何有毒有害气体，因此安全性和可靠性高。由于其储能规模大、成本低，在全球范围内有很大的发展空间。压缩空气储能由于能够弥补抽水蓄能的先天不足，因此将是有效解决我国大规模储能问题的重要技术选择。压缩空气储能的缺点主要为两方面：一是效率较低，由于空气受到压缩时温度会升高，空气释放膨胀的过程中温度会降低，因此在压缩空气的过程中，一部分能量以热能的形式散失，在膨胀前需要重新进行加热，且通常以天然气作为加热空气的热源，由此导致储能效率降低；二是依赖大型储气装臵，且依赖燃烧化石燃料，造成污染。图3：压缩空气储能工作原理目前美国正计划在俄亥俄州建造世界上最大容量的压缩空气储能电站，总装机容量达到2700MW。我国于2003年开始压缩空气储能的研究，哈尔滨电力部门正在利用现有的地道作为贮气室进行研究。华北电力大学等国内高校正在进行压缩空气系统热力性能计算及其经济分析的研究。随着分布式能量系统的发展以及减少储气库容积和提高储气压力的需要，8~12MW微型压缩空气储能系统已经成为当前研究的热点。c.飞轮储能飞轮储能的原理是将电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，供电时，将飞轮的动能通过发电机转化为电能输出到外部负载。飞轮转子是飞轮储能系统中的核心部件之一。飞轮转子材料一般选用强度很高的玻璃纤维或碳纤维等复合材料，在低速时也可选用高强度钢和铝合金。飞轮转子的设计力求提高转子的极限角速度，减轻转子质量，最大限度地增大储能量。轴承系统用于支撑飞轮转子，是制约飞轮转速的关键因素之一。轴承系统的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。目前，轴承系统一般主要采用永磁轴承、电磁轴承、超导悬浮轴承等非接触式磁轴承或其它低摩擦功耗轴承支承飞轮，并对轴承进行机械保护。图4：飞轮储能工作原理飞轮储能的主要优点是高充放电率，高循环次数，响应速度快，无污染，维护简单，寿命一般为20年，使用寿命不受充放电深度的影响；相较于其它储能技术飞轮储能几乎无摩擦损耗、风阻小，比功率可达8kW/kg以上，远远高于传统电化学储能技术；工况环境适应性好，在-20～50℃温度下都能正常工作。缺点是成本高、能量密度较低，保证系统安全性方面的费用很高，储能损耗较高，不适合用于能量的长期存储。空载下的相对能量损失大，每小时超过2.5%；飞轮储能理论能量密度高达200～400Wh/kg，但是在实际应用过程中，受限于材料因素，安全稳定运行的飞轮储能密度通常不高于100Wh/kg；价格昂贵也是影响飞轮储能大规模推广的重要因素之一。受益于电力电子技术、磁悬浮技术和高强度碳素纤维技术的进步，飞轮储能技术近年来发展迅速。据文献国际先进的飞轮储能系统储能效率已经达到了99.4%，可储能100kWh。2004年，巴西实现了利用超导与永磁悬浮轴承的飞轮储能，用于电压补偿。2011年，世界最大的飞轮储能系统完成安装，容量20MW，采用了当前世界最先进的碳纤维复合飞轮转子技术，吸收并释放1MW的电能仅需15分钟。我国飞轮储能研究起步较晚，目前还只是从事系统基础研究及小容量试点。飞轮储能技术的发展正朝着大功率、高效率、低损耗和安全可靠的方向发展。（2）化学储能a.铅蓄电池储能铅蓄电池是世界上最广泛应用的电池之一。铅蓄电池储能具有成本较低，储能综合效率较高，占地面积较小，循环次数较好，整体应用成本较为低廉；技术成熟，安全性较高；循环次数可达1000次左右；效率可达80%～90%，性价比高等优点；同时具有能量密度较低；寿命较短；深度、快速、大功率放电时可用容量大幅下降等不足之处。目前，铅蓄电池一般主要用于电力系统的事故电源或备用电源，以及汽车起动电源和低速车动力电源领域。图5：铅蓄电池工作原理b.液流电池在液流电池中，能量储存在溶解于液态电解质的电活性物中，而液态电解质则储存在电池外部的罐中。用泵将储存在罐中的电解质打入电池堆栈，并通过电极和薄膜，将电能转换为化学能，或将化学能转换为电能。液流电池的核心优点是寿命长，循环次数可超过10000次。液流电池的充放电原理是基于化合价的变化，而非普通电池的物理变化，因此其使用寿命极长。但是另一方面，液流电池的能量密度和功率密度相对较低，而且响应速度较慢。液流电池有较多体系，其中全钒液流电池目前最受关注。这种电池技术最早由澳大利亚新南威尔士大学发明，当前在国内外的一些试点工程项目中获得了应用。图6：液流电池工作原理液流电池储存的能量多少取决于储存罐的大小，容量可达兆瓦级，可以储存长达数小时至数天的能量，适合用于电力系统中。目前液流电池的典型功率在10MW以上，只适用于大容量、高功率的储能系统。液流电池目前未能实现大规模商用，主要原因在于自身仍有较多的局限性：一是高温会产生剧毒物质，如在全钒液流电池中，正极液中五价钒离子在温度高于45℃的情况下，会析出一种名为五氧化二钒的剧毒物质，该物质沉淀会堵塞流道，包覆碳毡纤维，恶化电池堆栈性能，最终致使电池报废；二是投入成本高，能量密度低；三是电池呈液态，占地面积较大，应用场地较为有限，主要为电网自建。c.钠硫电池钠硫电池的正极由液态硫组成，负极由液态钠组成，中间隔有陶瓷材料的贝塔氧化铝管。钠硫电池的运行温度需保持在300℃以上，以使电极处于熔融状态。钠硫电池目前发展的重点是作为固定场合（如电站储能）应用，用于调频、移峰、改善电能质量和可再生能源发电等领域。图7：钠硫电池工作原理钠硫电池的主要优点是能量密度高，响应时间短，可以达到毫秒级别；循环周期可达4500次；一次放电时间可达6~7h；周期往返效率可达约75%。钠硫电池主要缺点为由于使用了金属钠，作为在高温条件下运行的易燃金属物，存在一定的安全风险，同时电池的价格相对较高；钠硫电池在移动场合（如电动汽车）使用条件比较苛刻，无论是在可提供的空间方面，还是在电池自身的安全方面，均有一定的局限性。d.锂离子电池锂电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构成。充电时，锂离子从正极脱嵌，经过电解液进入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态。放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，经过电解液嵌入正极，此时正极处于富锂态，负极处于贫锂态。锂电池是目前相对成熟技术路线中能量密度最高的实用型电池；转换效率可达到95%及以上；一次放电时间可达数小时；循环次数可达5000次及以上，响应快速。图8：锂电池工作原理锂电池根据不同的正极材料，主要可以细分为四类：钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池和多元金属复合氧化物电池，多元金属复合氧化物包括三元材料镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等。钴酸锂电池自从锂离子电池商业