科普課堂 | 儲能知識知多少--基礎(chǔ)篇

儲能技術(shù)是指利用化學(xué)或者物理的方法將一次能源產(chǎn)生的電能存儲起來。并在需要時釋放。包括能量和物質(zhì)的輸入和輸出、能量的轉(zhuǎn)換和儲存設(shè)備。

簡單講就是把發(fā)的電存起來，等到要用的時候再用。而電從生產(chǎn)出來到，到最后使用，大概經(jīng)過的流程是：生產(chǎn)電（發(fā)電廠，電站）---傳輸電（電網(wǎng)公司）----使用電（用戶）。

1、發(fā)電側(cè)儲能

發(fā)電側(cè)儲能對應(yīng)“源網(wǎng)荷儲”的“源”。發(fā)電側(cè)儲能商業(yè)運營模式為：生物發(fā)電、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電等搭配儲能系統(tǒng)使用。

風(fēng)能、光伏、水力等發(fā)電具有間歇性、波動性的特點，輸出電能原始功率也一樣，無法直接并入電網(wǎng)使用，只有用儲能系統(tǒng)進行平抑后，才可輸入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，獲得盈利。

2、電網(wǎng)側(cè)儲能

電網(wǎng)側(cè)儲能對應(yīng)“源網(wǎng)荷儲”的“網(wǎng)”。電網(wǎng)側(cè)儲能可直接用于電腦、手機、冰箱等用電設(shè)備。

電網(wǎng)側(cè)儲能代表是抽水蓄能，截止至2021年，全球電力儲能市場累計裝機規(guī)模的86.2%是抽水蓄能。其商業(yè)運營模式為：抽水蓄能電站部分容量由新能源業(yè)主支付租金換取，剩下部分參與市場交易。

3、用戶側(cè)儲能

用戶側(cè)儲能對應(yīng)“源網(wǎng)荷儲”的“荷（儲）”。用戶側(cè)儲能包括家庭儲能、工商業(yè)儲能、儲能充電樁等，針對的客戶是用電方。

用戶側(cè)儲能主要在歐洲、美國、澳大利亞等人口稀少、地幅廣大、國家電網(wǎng)難以覆蓋的地方需求巨大。在我國，近兩年受政策激勵，增長速度較快。

問題：但目前我國缺少方便有效的儲氫材料和技術(shù)，且氫儲能能量轉(zhuǎn)換效率較低，因此目前應(yīng)用較少，能否解決這兩方面的問題將成為氫儲能未來能否獲得更多份額的關(guān)鍵。

1、重力儲能

重力儲能介質(zhì)主要分為水和固體物質(zhì)，基于高度落差對儲能介質(zhì)進行升降來實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的充放電過程。

除較成熟的抽水蓄能外，主流重力儲能方式為 Energy Vault（EV）提出的儲能塔，其利用起重機將混凝土塊堆疊成塔，通過混凝土塊的吊起和吊落進行儲能和釋能。根據(jù) EV 官網(wǎng)信息，其儲能塔能源效率可達(dá) 90%，可以在 8-16 小時內(nèi)以 4-8MW 連續(xù)功率放電，實現(xiàn)對電網(wǎng)需求的高速響應(yīng)。

2、抽水蓄能

抽水蓄能電站包含上下兩個水庫，在電力負(fù)荷低谷時利用過剩的電力抽水至上水庫，高峰時將水放出，利用水從上水庫流向下水庫時產(chǎn)生的機械能發(fā)電，從而達(dá)到調(diào)峰的作用。

抽水蓄能可以實現(xiàn)能量的大規(guī)模存儲，因此廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)峰。但由于其響應(yīng)速度較慢，初始投資高，且受地理選址限制，因此未來發(fā)展空間有限。

3、飛輪儲能

飛輪儲能在儲能時，電能驅(qū)動電機運行，電機帶動飛輪加速轉(zhuǎn)動，飛輪以動能的形式將能量存儲起來；釋能時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪拖動電機發(fā)電，完成機械能到電能的轉(zhuǎn)換。

飛輪儲能比功率大，使用壽命長達(dá)15-30 年，且響應(yīng)速度可以達(dá)到毫秒級。因此飛輪儲能主要用于調(diào)頻和 UPS。但因為其能量密度低且備電時長無法超過 30 分鐘，因此無法應(yīng)用于大規(guī)模儲能電站。

4、壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能技術(shù)源于燃?xì)廨啓C技術(shù)。用電低谷通過電動機帶動壓縮機將空氣壓縮并儲存于儲氣室中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能以存儲；用電高峰時，高壓空氣從儲氣室釋放，進入燃料室同燃料一起燃燒，驅(qū)動透平做工，帶動發(fā)電機發(fā)電。

壓縮空氣儲能是抽水蓄能之后另外一項適合 GW 級大規(guī)模電力儲能的技術(shù)，除存儲能量高之外，還具有能量密度和功率密度高、運營成本低、使用壽命長等優(yōu)點，但與抽水蓄能類似，壓縮空氣儲能也受地理條件限制，需要高氣密性的洞穴作為儲氣室，這也進一步限制了壓縮空氣儲能的發(fā)展。

一、鉛酸電池

鉛酸電池是以二氧化鉛為正極、金屬鉛為負(fù)極、硫酸溶液為電解液的一種二次電池，發(fā)展至今已有 150 多年歷史，是最早規(guī)?；褂玫亩坞姵亍?/p>

鉛酸電池的儲能成本低，可靠性好，效率較高，廣泛應(yīng)用于UPS，也是我國早期大規(guī)模電化學(xué)儲能的主導(dǎo)技術(shù)路線。但因為鉛酸電池循環(huán)壽命短、能量密度低、使用溫度范圍窄、充電速度慢，且鉛金屬對環(huán)境影響較大，鉛酸電池未來應(yīng)用將會受極大程度限制。

二、液流電池

液流電池技術(shù)路徑包括全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池等，其中，全釩液流電池綜合性能最佳、商業(yè)化程度最高。

液流電池正、負(fù)極電解液儲罐獨立分離，放置在堆棧外部，通過兩個循環(huán)動力泵將正、負(fù)極電解液通過管道泵入液流電池堆棧中并持續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過將化學(xué)能與電能進行相互轉(zhuǎn)換作用來完成電能的儲存和釋放。液流電池功率取決于電極反應(yīng)面積大小，存儲容量則取決于電解液體積與濃度，故液流電池規(guī)模大小設(shè)計更為靈活多變。

我們認(rèn)為，在長時儲能方面，全釩液流電池將具備成本優(yōu)勢，較鋰電池等其他技術(shù)路徑具差異化競爭優(yōu)勢。

三、鋰離子電池

鋰離子電池通過鋰離子在正負(fù)極電極材料中的嵌入和脫嵌實現(xiàn)能量存儲。鋰離子電池能量密度較高，壽命長，因此正逐漸成為電化學(xué)儲能的主流路線。根據(jù)正極材料的不同，鋰離子電池又分為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元電池等。

磷酸鐵鋰電池在儲能領(lǐng)域綜合優(yōu)勢顯著，其能量密度適中，安全性、使用壽命均優(yōu)于其他電池類型，且成本較低；鈷酸鋰電池因金屬鈷的稀缺性價格遠(yuǎn)高于其他電池，且循環(huán)壽命、安全性差，因此在儲能領(lǐng)域幾無應(yīng)用；錳酸鋰電池能量密度與磷酸鐵鋰電池相近，價格雖低于磷酸鐵鋰，但使用壽命低導(dǎo)致其全生命周期度電成本高于磷酸鐵鋰電池，故應(yīng)用較少；三元電池能量密度遠(yuǎn)高于其他電池類型，使用壽命也可以達(dá)到 8-10 年，但安全性相對較差，成本遠(yuǎn)高于磷酸鐵鋰電池，因此在不需要極高能量密度的儲能領(lǐng)域，應(yīng)用前景弱于磷酸鐵鋰電池。

四、鈉離子電池

鈉離子電池工作原理與鋰離子電池類似，利用鈉離子在正負(fù)極之間嵌脫過程實現(xiàn)充放電。鈉離子電池相對磷酸鐵鋰電池安全性能、低溫性能、快充性能更高，成本更低，且鈉資源遠(yuǎn)比鋰資源豐富且遍布全球各地，若鈉離子能夠廣泛應(yīng)用，我國將很大程度上擺脫目前鋰資源受限的情況。

鈉離子電池劣勢主要體現(xiàn)在循環(huán)次數(shù)較低和產(chǎn)業(yè)鏈不成熟。目前鈉電池循環(huán)壽命普遍在 2000-3000 次，產(chǎn)業(yè)鏈不成熟則導(dǎo)致上游價格較高，鈉電池成本優(yōu)勢無法顯現(xiàn)。

綜合而言，抽水蓄能、鋰電池、鈉電池與全釩液流電池，四者的發(fā)展空間較大。

具體來看，在大規(guī)模調(diào)峰方面，抽水蓄能具有全生命周期成本優(yōu)勢，將繼續(xù)成為主流選擇；后三者則將廣泛與風(fēng)電、光伏配合使用，全釩液流電池主要用于 4 小時以上長時儲能，鈉電池將在大型儲能電站中對鋰電池形成一定替代，對能量密度敏感性較高的工商業(yè)與家用儲能中，鋰電池仍將占主導(dǎo)地位。