研發(fā)布局儲能技術(shù)，推動我國能源技術(shù)革命

儲能技術(shù)主要分為物理儲能（如抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、電介質(zhì)儲能、超導(dǎo)電磁儲能等）、化學儲能（如鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉硫電池、鈉離子電池、鋰離子電池、固態(tài)鋰離子電池等、電化學超級電容器等）、儲熱儲冷、儲氫四大類。封閉的儲氫和燃料電池聯(lián)用可以看成一個儲電裝置，而連續(xù)供氫和燃料電池聯(lián)用可以看成是發(fā)電裝置。

本文主要討論電能存儲，物理儲能和化學儲能都可以直接用來作為電能存儲， 并能反復(fù)多次使用。按照不同應(yīng)用對儲能時間長短需求的不同，可以分為短時高頻次儲能（≤ 2 分鐘），中等時長儲能（2 分鐘~4 小時）、長時間儲能（ ≥ 4 小時）。應(yīng)對電壓暫降和瞬時停電、提高用戶的用電質(zhì)量、抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、能量回收等屬于短時間高頻次儲能。多數(shù)儲能需求在小時級以上，例如電網(wǎng)調(diào)峰、大型應(yīng)急電源、可再生能源接入、分布式能源、微網(wǎng)離網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等。較長時間的儲能，主要為削峰填谷、可再生能源接入、家庭儲能、通訊基站。

隨著動力電池循環(huán)壽命、安全性和能量密度的提升，電動汽車的續(xù)航里程可以顯著超過日常使用需求，可以發(fā)展電動汽車和電網(wǎng)之間的能量雙向流動（V2G 技術(shù)）， 通過有序充電和智能控制，改革用電結(jié)算方式和提高響應(yīng)速率，電動汽車將有望發(fā)展成為重要的分布式儲能載體。電動汽車上的動力電池能量保持率如果低于初始能量的80%， 一般要求更換，替換下來的動力電池如果健康狀況（SOH） 和安全性符合再利用標準，則可以進一步用于分布式儲能， 稱之為梯次利用。V2G 和梯次利用技術(shù)發(fā)展到一定階段，動力電池與規(guī)模儲能兩大產(chǎn)業(yè)可以協(xié)同發(fā)展，提高綜合運營效益和資源使用效率。

十二五期間，我國開始重視儲能技術(shù)的發(fā)展，科技部通過“863”項目支持了相關(guān)研發(fā)， 先進能源領(lǐng)域儲能子領(lǐng)域部署了物理儲能與化學儲能關(guān)鍵技術(shù)與示范電站研究，總經(jīng)費1.4238 億，其中物理儲能包括壓縮空氣、飛輪、超導(dǎo)儲能、相變儲能，共計經(jīng)費0.1986 億，化學儲能包括鋰電池、液流電池和超級電容器，共計國撥經(jīng)費1.2258 億。

通過十二五項目部署，我國在化學與物理規(guī)模儲能技術(shù)方面取得顯著進展，掌握了多項儲能技術(shù)，部分技術(shù)達到世界先進水平。

中國科學院工程熱物理研究所突破了1.5MW 具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)技術(shù)，完成了示范運行，性能指標優(yōu)于同等規(guī)模的國外壓縮空氣儲能系統(tǒng)。

多家鋰離子電池企業(yè)掌握了規(guī)模儲能鋰離子電池系統(tǒng)技術(shù)， 其中BYD、CATL、中航鋰電、銀隆等企業(yè)參與了40MWh 磷酸鐵鋰體系和鈦酸鋰體系的鋰離子儲能電站示范項目，在張北國家“風光儲輸示范工程一期項目”中獲得了初步應(yīng)用。

863 項目還實施了軟碳負極、層狀錳酸鋰正極的儲能型鋰離子電池的開發(fā)，這是國際上首次采用此材料體系，循環(huán)性達到7000 次，進一步降低了鋰離子電池成本，同時促進了軟碳和層狀錳酸鋰材料的產(chǎn)業(yè)化。還實現(xiàn)了500kW/328kWh 級微晶摻雜尖晶石錳酸鋰鋰離子儲能電池示范、500kWh 級錳酸鋰三元復(fù)合正極儲能電池示范、0.6MWh 風光儲互補微網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用示范、100kW 基于鈦酸鋰系負極材料的移動式儲能示范、以及0.5MWh/1MW 鈦酸鋰電池儲能電站的光儲應(yīng)用示范。

液流電池方面，國內(nèi)有中科院大連化學物理研究所、清華大學、中科院沈陽金屬研究所、中南大學、大連融科儲能技術(shù)發(fā)展有限公司、普能公司、德沃普、萬利通、銀峰新能源等多家研究單位和企業(yè)從事液流電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。

在關(guān)鍵材料基礎(chǔ)研究和電池系統(tǒng)集成及應(yīng)用示范工程方面取得了重大突破。大連化物所牽頭國際相關(guān)標準的制定，該團隊實施了包括2012 年全球最大規(guī)模的5MW/10MWh 全釩液流電池儲能系統(tǒng)商業(yè)化應(yīng)用示范項目在內(nèi)的近30 項應(yīng)用示范工程，應(yīng)用領(lǐng)域涉及分布式發(fā)電、智能微網(wǎng)、離網(wǎng)供電及可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域。

近年來，通過電池關(guān)鍵材料和電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新，使電堆的功率密度顯著提高。電堆的額定工作電流密度由60~80mA/cm2 提高到120~150mA/cm2，電堆的功率密度提高了一倍，從而使成本顯著降低。十二五期間， 在固態(tài)鋰離子電池方面進行了初步探索，形成了材料、電芯的制備技術(shù)，突破了幾十公斤級材料的相關(guān)制備工藝，為今后儲能技術(shù)的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

壓縮空氣儲能技術(shù)在國內(nèi)起步較晚，但發(fā)展很快。中國科學院工程熱物理研究所、華北電力大學、西安交通大學、華中科技大學等單位對壓縮空氣儲能電站的熱力性能、經(jīng)濟性能、商業(yè)應(yīng)用前景等進行了研究。2013 年，中科院工程熱物理研究所完成了1.5MW 先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)示范;并于2016 年完成了10MW 先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和示范。在2015 年，由清華大學、中國科學院理化技術(shù)研究所及中國電力科學研究院共同研制的500kW 級非補燃壓縮空氣儲能發(fā)電示范系統(tǒng)在安徽蕪湖實現(xiàn)發(fā)電，實現(xiàn)了發(fā)電出功100kW 的階段目標。

飛輪儲能方面，2016 年12 月15 日， 我國首臺MW 級飛輪儲能電源工程石油鉆井工程飛輪儲能樣機在河南省濮陽市中石化中原油田衛(wèi)453 井現(xiàn)場實現(xiàn)了演示示范。同時具有儲能和限流兩種功能的1MVA/1MJ 超導(dǎo)儲能—限流系統(tǒng)樣機自2017年1月6日在玉門低窩鋪風電場10kV 電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運行，其并網(wǎng)諧波畸變率為2%，功率響應(yīng)時間0.8ms，有效提高了電能質(zhì)量和低電壓穿越能力，綜合技術(shù)性能達到國際先進水平。

總體而言，通過十二五項目部署，我國已經(jīng)形成了鋰離子電池、超級電容器儲能產(chǎn)業(yè)鏈， 研發(fā)實力和產(chǎn)品競爭力明顯提高，儲能產(chǎn)品已開始批量進入國內(nèi)外市場。先進液流、超臨界壓縮空氣等儲能技術(shù)成熟度顯著提高，進入大規(guī)模示范階段，為后續(xù)產(chǎn)業(yè)化奠定了良好的基礎(chǔ)。從示范應(yīng)用效果看，儲能的應(yīng)用能夠給電力系統(tǒng)、分布式能源、可再生能源帶來包括經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益的綜合價值。但由于目前還未形成衡量這種綜合收益的商業(yè)模式，儲能產(chǎn)業(yè)鏈尚未完全形成，與此同時，各類儲能技術(shù)仍然在快速發(fā)展，新的更具競爭力的儲能技術(shù)也在進一步涌現(xiàn)，智能電網(wǎng)整體技術(shù)和路線尚不清晰，儲能國家發(fā)展政策尚未形成，市場驅(qū)動力尚顯不足。

十二五期間通過在儲能方向的探索，科技部、學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的專家學者認識到，通過加大技術(shù)開發(fā)投入力度、提高現(xiàn)有儲能技術(shù)水平、發(fā)展新型儲能技術(shù)、提高儲能的技術(shù)經(jīng)濟性、擴大儲能示范應(yīng)用規(guī)模，從科學和技術(shù)上為我國大規(guī)模儲能技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，廣泛研究適合我國國情的儲能技術(shù)的各種商業(yè)盈利模式，在新一輪能源革命中占據(jù)先機非常必要、迫在眉睫。

考慮到儲能技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是智能電網(wǎng)，動力電池在新能源汽車重點專項中獲得支持，十三五期間，國家對儲能方向的支持與智能電網(wǎng)合并，在2016 年啟動了智能電網(wǎng)和裝備重點專項，儲能作為其中的基礎(chǔ)支撐技術(shù)獲得支持，共計安排了2.9433 億國撥經(jīng)費。具體而言，設(shè)立了三個任務(wù)，包括大規(guī)模儲能關(guān)鍵技術(shù)研究任務(wù)，新型儲能器件的基礎(chǔ)科學與前瞻技術(shù)研究，海水抽水蓄能電站前瞻技術(shù)研究。

大規(guī)模儲能關(guān)鍵技術(shù)研究任務(wù)屬于重大共性關(guān)鍵技術(shù)，實施時間為2016-2021 年。重點研究內(nèi)容包括：適合大規(guī)模儲能的鋰離子電池、液流電池、壓縮空氣儲能技術(shù)、梯次利用動力電池規(guī)?；こ虘?yīng)用關(guān)鍵技術(shù)。研究提升儲能單元使用壽命、能量轉(zhuǎn)換效率、能量密度、安全性能的關(guān)鍵材料及創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，研究降低儲能單元、模塊、系統(tǒng)成本的關(guān)鍵技術(shù)，以及動力電池的梯次利用關(guān)鍵技術(shù)。

具體目標為突破100 MWh 級鋰離子電池、10 MW 級/40MWh 液流電池與10 MW 級/100MWh 壓縮空氣儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，掌握大規(guī)模儲能的單元與模塊技術(shù)，提升現(xiàn)有儲能研發(fā)、制造、應(yīng)用水平，滿足智能電網(wǎng)中大規(guī)?？稍偕茉锤弑壤{和分布式儲能對于儲能系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性、能量效率、安全性、可靠性的要求，建立大規(guī)模儲能系統(tǒng)安全及失效分析的方法和標準，顯著提高梯次利用電池的綜合技術(shù)經(jīng)濟性。

新型儲能器件的基礎(chǔ)科學與前瞻技術(shù)研究任務(wù)屬于基礎(chǔ)研究，實施時間為2016-2021 年。重點研究內(nèi)容包括研究開發(fā)能顯著提升和超越現(xiàn)有儲能技術(shù)水平，針對大規(guī)模儲能、分布式儲能等不同的能量級別、功率級別、應(yīng)用場景的多種新型儲能技術(shù)。支持儲能技術(shù)的共性基礎(chǔ)科學問題研究，包括儲能新原理、能量儲存與轉(zhuǎn)換過程中的熱力學、動力學、穩(wěn)定性、失效機制、關(guān)鍵材料匹配等。研究開發(fā)具有更高性能的新材料、新結(jié)構(gòu)、新設(shè)計。探索研究和篩選適合智能電網(wǎng)各類應(yīng)用的新型儲能技術(shù)。在基礎(chǔ)科學方面，掌握新型儲能技術(shù)中關(guān)鍵材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、器件響應(yīng)行為，掌握儲能器件服役過程中性能演化行為及其演化機理。完成對新型儲能器件的綜合技術(shù)指標、技術(shù)經(jīng)濟性評價和在規(guī)模儲能中的應(yīng)用前景分析。

新型儲能技術(shù)的核心材料、器件、應(yīng)用、關(guān)鍵制造技術(shù)形成完整的自主知識產(chǎn)權(quán)體系。預(yù)期成果為研制的新型儲能器件關(guān)鍵性能，如能量密度、功率密度、能量效率、循環(huán)壽命、成本、安全性等顯著超越現(xiàn)有儲能技術(shù)，儲能單元與模塊可靠性高，響應(yīng)速度快， 工作溫度寬，環(huán)境適應(yīng)性強，全壽命周期可以做到免維護、環(huán)境友好，儲能單元的設(shè)計易于模塊化及靈活配組安裝。十三五期間安排了鈉離子電池、鋰離子電容、儲能型固態(tài)鋰電池、液態(tài)金屬電池四個項目，項目結(jié)束后，都要求實現(xiàn)kWh 級以上驗證，并突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

海水抽水蓄能電站前瞻技術(shù)研究任務(wù)屬于共性關(guān)鍵技術(shù)， 實施時間為2017-2020 年，研究內(nèi)容包括對沿海地區(qū)海水抽水蓄能資源、開發(fā)潛力和生態(tài)環(huán)境影響進行評估，電站建設(shè)規(guī)劃和選址的要求，水輪機設(shè)計與制造技術(shù)，水輪發(fā)電機組變速技術(shù)的應(yīng)用，海水抽水蓄能電站與可再生能源聯(lián)合運行技術(shù)，海水抽水蓄能管道防腐蝕與生物附著問題，電站壩體防浸襲技術(shù)，進行海島小容量海水抽水蓄能電站試驗。

具體目標為掌握海水抽水蓄能與可再生能源的優(yōu)化運行技術(shù)，研制適用于海水抽水蓄能水輪變速機組樣機，初步提出發(fā)電設(shè)備、水路裝置防腐蝕、防止以及清除海生生物的附著、防止海水滲透、防止漂砂流入等措施，建設(shè)200kW~1MW 海水抽水蓄能試驗電站，建立我國小型海水抽水蓄能電站試驗研究平臺。預(yù)期成果為完成我國海水抽水蓄能資源評估報告，提出海水抽水蓄能電站建設(shè)環(huán)境和經(jīng)濟效益評估方法和海水抽水蓄能與可再生能源優(yōu)化運行方案，提出海水抽水蓄能建設(shè)防腐蝕、滲透、海生生物附著等問題的解決方案以及防海生生物附著的技術(shù)措施，完成適用于海水抽水蓄能的1MW 水輪變速機組樣機研制，建成200kW~1MW 海水抽水蓄能試驗電站。

目前各類規(guī)模技術(shù)仍然在發(fā)展階段，總體而言，不斷提升儲能技術(shù)的安全性、循環(huán)壽命與服役壽命、能量效率、響應(yīng)速率、可靠性與智能化水平、降低初次采購成本和度電使用成本、減少儲能裝備的制造和使用對環(huán)境和資源的壓力是總體發(fā)展目標。通過市場和各類商業(yè)應(yīng)用檢驗，在不同應(yīng)用中具有技術(shù)經(jīng)濟性，并能形成完整產(chǎn)業(yè)鏈的儲能技術(shù)將逐漸明確。

2017 年，國家發(fā)改委、財政部、科技部、工信部、能源局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于促進儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，進一步確定了未來10 年的發(fā)展目標，共分兩個階段，第一階段實現(xiàn)儲能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過渡;第二階段實現(xiàn)商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變。

十三五期間，建成一批不同技術(shù)類型、不同應(yīng)用場景的試點示范項目;研發(fā)一批重大關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備，主要儲能技術(shù)達到國際先進水平;初步建立儲能技術(shù)標準體系，形成一批重點技術(shù)規(guī)范和標準;探索一批可推廣的商業(yè)模式;培育一批有競爭力的市場主體。儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進入商業(yè)化初期，儲能對于能源體系轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵作用初步顯現(xiàn)。

十四五期間，儲能項目廣泛應(yīng)用，形成較為完整的產(chǎn)業(yè)體系，成為能源領(lǐng)域經(jīng)濟新增長點;全面掌握具有國際領(lǐng)先水平的儲能關(guān)鍵技術(shù)和核心裝備，部分儲能技術(shù)裝備引領(lǐng)國際發(fā)展;形成較為完善的技術(shù)和標準體系并擁有國際話語權(quán);基于電力與能源市場的多種儲能商業(yè)模式蓬勃發(fā)展; 形成一批有國際競爭力的市場主體。儲能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展，儲能在推動能源變革和能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的作用全面展現(xiàn)。

規(guī)模儲能產(chǎn)業(yè)正在興起，規(guī)模儲能是智能電網(wǎng)、可再生能源、分布式能源、工業(yè)節(jié)能、數(shù)據(jù)中心、智能建筑、國家安全應(yīng)用等重大應(yīng)用的重要支撐技術(shù)。

今后需要針對不同的應(yīng)用，進一步加快發(fā)展先進的化學、物理儲能技術(shù)，建立國家級大型儲能系統(tǒng)公共測試分析平臺，完善與規(guī)范相關(guān)標準、檢測與認證體系;通過進一步示范，盡快全面掌握適合我國國情、針對多種應(yīng)用場景、不同規(guī)模的儲能本體和系統(tǒng)集成技術(shù)，提高各類儲能技術(shù)經(jīng)濟性。通過十三五和十四五期間各級政府、科研機構(gòu)、高等院校、國有與民營企業(yè)、投融資機構(gòu)的協(xié)同努力，形成在世界范圍內(nèi)具有核心競爭力的儲能產(chǎn)業(yè)鏈，推動我國能源技術(shù)的革命。