科普課堂 | 儲能知識知多少--基礎(chǔ)篇

一、何為儲能？

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）。

二、建立儲能的三個環(huán)節(jié)

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(jìn)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。

三、主要技術(shù)路線

四、儲能類型

1、氫儲能

基本原理：是將水電解得到氫氣并儲存起來，當(dāng)需要電能時將儲存的氫氣通過燃料電池或其他方式轉(zhuǎn)換為電能輸送上網(wǎng)。電解水制氫需要大量電能，成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)制氫方式，但因為可再生能源并網(wǎng)的不穩(wěn)定性，我國具有嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光問題，利用風(fēng)電、光伏產(chǎn)生的富余電能制氫可以有效的解決電解水制氫的成本問題，并解決風(fēng)光電的消納，因此氫儲能正逐漸成為我國能源科技創(chuàng)新的焦點。

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。

2、機械儲能

機械儲能通過物理方法對能量進(jìn)行存儲，需要時再將機械能轉(zhuǎn)化為電能。機械儲能主要包括重力儲能、抽水蓄能、飛輪儲能和壓縮空氣儲能。

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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)一步限制了壓縮空氣儲能的發(fā)展。

3、電化學(xué)儲能

電化學(xué)儲能即通過電化學(xué)反應(yīng)完成電能和化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)電能的存儲和釋放。目前主要應(yīng)用的儲能電池主要包括鉛酸蓄電池、液流電池和鋰離子電池和鈉離子電池，未來鈉離子電池隨產(chǎn)業(yè)鏈成熟也將逐步應(yīng)用于儲能。

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。