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学术交流

细说:电网储能的五种技术路线

因为可再生能源发电的间隙性和易变性,及其渗透率的不断提高,对电网的正常运行 和调度有一定程度的冲击,为了尽可能利用更多的可再生能源和提高电网运行的可靠性和 效率,各种储能技术得到快速发展。

 

电能储存技术分为五大类:机械储能、电气类储能技术、电化学类储能技术、热储能 技术以及化学类储能技术。目前世界电网中电能储存容量占比最高的是抽水蓄能,其总装机容量规模达到了127GW,占总储能容量的99%,其次是压缩空气储能,总装机容量为440MW,排名第三的是钠硫电池,总容量规模为316MW

 

1、机械储能

 

机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等,其中抽水蓄能需要将电网 低谷时利用过剩电力作为液态能量媒体的水从地势低的水库抽到地势高的水库,电网峰荷时高地势水库中的水回流到下水库推动水轮机发电机发电,所以,抽水蓄能对地势环境有 一定的依赖,效率一般在 65%-75%,最高可达到 80%-85%,但它具有日调节能力,适合配合核电站、大规模风力发电、超大规模太阳能光伏发电等。

 

2、电气储能

 

电气类储能技术主要包括了超级电容器储能和超导储能,其中超级电容器储能因为其能量密度低等特点,一般适合和其他储能手段联合使用,可以在微电网中和储能蓄电池结合使用,也可用于电动汽车的启动加速等;超导储能目前大多是试验性的,技术还需要进 一步突破。

 

3、电化学储能

 

电化学储能主要包括铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池等等。

 

(1)铅酸电池目前在世界上应用最广泛,循环寿命可达 1000 次左右,效率能达到 80%-90%,性价比高,常用于电力系统的事故电源或备用电源,但如果深度、快速大功率 放电时,可用容量会下降。其特点是能量密度低,寿命短。铅酸电池今年通过将具有超级活性的炭材料添加到铅酸电池的负极板上,能将其循环寿命提高很多。

 

(2)锂电池主要应用于便携式的移动设备中,其效率可达 95%以上,放电时间可达 数小时,循环次数可达 5000 次或更多,响应快速,他是电池中能量最高的实用性电池, 近年来技术也在不断进行升级,正负极材料也有多种应用,但存在价格高(4 /wh)、过充会导致发热、燃烧等安全性问题,需要进行充电保护。随着国内外对于锂电的研发,其性能不断提升,成本也在较大幅度下降,未来有望更广泛应用。

 

(3)钠硫电池,阳极由液体硫组成,阴极由液态钠组成,中间有陶瓷材料的贝塔铝管隔离,电池运营温度需要保持在 300 摄氏度以上,以保障电极处于熔融状态,循环周期 可达到 4500 次,放电时间 6-7 小时,周期往返效率 75%,能量密度高,响应时间快。目 前在日本、德国、法国、美国等地已建有 200 多处此类储能电站,主要用于负荷调平,移 峰和改善电能质量。但因为使用液态钠,运行于高温下,容易燃烧。

 

(4)液流电池的能连储存在溶解于液态电解质的电活性物种中,而液态电解质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,将电能转化为电化学能,或将电化学能转化为电能。电池的功率和能量是不相关的,储存的能量取决于储存罐的大小,因而可以储存长达数小时至数天的能量,容量可达 MW 级。这个电池有多个体系,如铁铬体系,锌溴体系、多硫化钠溴体系以及全钒体系,其中全钒氧 化还原液流电池最受关注,是主要的技术发展方向,其特点是技术成熟,寿命长,循环次 数可超过10000 次以上,但能量密度和功率密度比锂电池要低,响应时间也不快。

 

4、热储能

 

热储能系统中,热能被储存在隔热容器的媒介中,需要的时候转化回电能,也可直接 利用而不再转化回电能。热储能又分为显热储能和潜热储能。热储能储存的热量可以很大, 所以可利用在可再生能源发电上。

 

5、化学类储能

 

化学类储能是利用氢或合成天然气作为二次能源的载体,利用多余的电制氢,可以直 接用氢作为能量的载体,也可以将其与二氧化碳反应成为合成天然气(甲烷),因为氢或 者甲烷作为能量载体可储存的能量很大,可达 TWh 级,而且储存的时间也很长,氢或者 合成天然气除了可用于发电外,还有其他利用方式如交通等。德国热衷于推动此项技术, 并有示范项目投入运行。化学类储能的缺点是它的全周期效率较低,制氢效率仅 40%,合 成天然气的效率不到 35%

 

五类电能储存技术中,一般会根据各种储能技术的特点,进行综合比较来选择适当的 技术,可供选择的指标主要包括:能量密度、功率密度、响应时间、储能效率、设备寿命 ()或充放电次数、技术成熟度、经济因素(投资成本、运行和维护费用)以及安全和 环境方面的考虑,再根据应用的目的和需求,选择储能种类、安装地点、容量以及各种技 术的配合。在这五类储能方式中,其中电化学储能的电池发展非常迅速。