儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用狀況

近年來風(fēng)電、太陽能等可再生能源發(fā)展迅速，因其清潔性、無排放、可再生等優(yōu)點(diǎn)受到推崇;但另一方面由于風(fēng)、陽光受氣候條件左右，不可控，波動(dòng)、間歇，甚至被有的觀點(diǎn)稱為垃圾電而被排斥，棄風(fēng)現(xiàn)象大受垢病。因此在風(fēng)電、太陽能發(fā)電場(chǎng)中引入儲(chǔ)能裝置，以改善電網(wǎng)穩(wěn)定狀況、減少棄風(fēng)現(xiàn)象，越來越受到重視。既使是在常規(guī)燃煤發(fā)電廠，為保證礦山、數(shù)據(jù)庫等特殊要求的穩(wěn)定供電，提高電廠運(yùn)營(yíng)效率，也有引入儲(chǔ)能裝置的情況。

隨著智能電網(wǎng)、分布式供電等新技術(shù)的推廣應(yīng)用，儲(chǔ)能的作用進(jìn)一步突現(xiàn)出來。我國(guó)也在張家口搞了風(fēng)光儲(chǔ)示范，遼寧法庫風(fēng)電場(chǎng)也建設(shè)了5MW全礬液流電池儲(chǔ)能裝置。在電網(wǎng)中建設(shè)儲(chǔ)能裝置可簡(jiǎn)單比喻為電路中如只有電源、電阻(用戶)，電路不夠穩(wěn)定，加上電容后電路穩(wěn)定性大大提高。為深入了解國(guó)際儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)的快速發(fā)展參考，現(xiàn)整理匯總儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用、定位和價(jià)值分析、國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能應(yīng)用現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)政策等相關(guān)情況。

關(guān)于各種儲(chǔ)能技術(shù)

按照電力系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域劃分，儲(chǔ)能可分為功率型儲(chǔ)能和能量型儲(chǔ)能兩種，能量型儲(chǔ)能主要用于高能量(電能)的調(diào)配和管理，典型應(yīng)用如調(diào)峰電站;功率型儲(chǔ)能主要用于瞬間高功率輸入和輸出場(chǎng)合，典型應(yīng)用如用于電網(wǎng)調(diào)頻。

按照技術(shù)類型劃分，儲(chǔ)能技術(shù)主要包括物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能。物理儲(chǔ)能主要包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能。前兩種儲(chǔ)能系統(tǒng)具有規(guī)模大、壽命長(zhǎng)、安全可靠、運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，建設(shè)規(guī)模一般在百兆瓦級(jí)以上，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)從幾小時(shí)到幾天，適用于電力系統(tǒng)的削峰填谷、緊急事故備用容量等應(yīng)用。其中抽水儲(chǔ)能是目前在電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ)能方式，全球總裝機(jī)容量達(dá)127GW，占儲(chǔ)能總裝機(jī)容量的99%。但兩種儲(chǔ)能技術(shù)也都有建設(shè)的局限性。飛輪儲(chǔ)能具有響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、比功率大等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)高功率補(bǔ)償，特別適合電力系統(tǒng)用功率型儲(chǔ)能技術(shù)，但目前技術(shù)未達(dá)到實(shí)用化要求，尚需要技術(shù)積累和產(chǎn)業(yè)配套發(fā)展。

化學(xué)儲(chǔ)能包括鉛酸電池、鉛炭電池、液流電池、鈉硫電池、鋰電池和金屬空氣電池等，相比于物理儲(chǔ)能技術(shù)具備系統(tǒng)簡(jiǎn)單、安裝便捷以及運(yùn)行方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，建設(shè)規(guī)模一般在千瓦至百兆瓦級(jí)別，適用于電力系統(tǒng)分散式的儲(chǔ)能設(shè)備，是目前電力儲(chǔ)能在風(fēng)電、太陽能等領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展的重點(diǎn)。(見表1)

在化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，鉛酸電池是比較成熟的技術(shù)，具有價(jià)格低廉、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，但其循環(huán)壽命短、不可深度放電、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用高等問題，使鉛酸電池只能運(yùn)行在淺充淺放或備用的工況，主要作為電力系統(tǒng)備用電源使用。鉛炭電池是對(duì)傳統(tǒng)鉛酸的電極進(jìn)行改良，一定程度提高了電池充放電壽命，用于電力系統(tǒng)備用和短時(shí)功率型工況。鈉硫電池是以金屬鈉和液態(tài)硫?yàn)榛钚晕镔|(zhì)，工作在300℃的高溫型蓄電池，具有儲(chǔ)能密度高、轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于電力系統(tǒng)調(diào)峰和調(diào)頻應(yīng)用。目前鈉硫電池累計(jì)裝機(jī)約304MW，但2011年兩起著火爆炸事件使用戶關(guān)注其安全性的隱患。鋰電池具有高比功率和高轉(zhuǎn)化效率的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于電動(dòng)汽車等移動(dòng)式儲(chǔ)能方式，近年來在電力系統(tǒng)備用電源及電網(wǎng)調(diào)頻等方面的應(yīng)用也備受關(guān)注。液流電池近些年發(fā)展迅速，其安全性好、壽命長(zhǎng)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)使其作為 電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、可再生能源并網(wǎng)、分布式供能等儲(chǔ)能裝置有廣闊的空間。

化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)適合于電力系統(tǒng)分散、靈活的儲(chǔ)能布局，目前技術(shù)的發(fā)展呈百花齊放局面，液流電池、鋰電池、鈉硫電池、鉛炭電池是目前電力系統(tǒng)用儲(chǔ)能的主流技術(shù)。高安全性、高可靠性、高性價(jià)比、高能量效率、長(zhǎng)壽命是儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)于儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和價(jià)值分析

近幾年太陽能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電在電力系統(tǒng)中比例逐漸增加，給現(xiàn)有電網(wǎng)的安全運(yùn)行和高效調(diào)度帶來了新的挑戰(zhàn)，智能電網(wǎng)則成為推動(dòng)新能源發(fā)展及保障電網(wǎng)安全的重要載體。儲(chǔ)能技術(shù)尤其大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是智能電網(wǎng)在發(fā)電、輸電、配電、用電四大環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)電能質(zhì)量、優(yōu)化能源效率等主要目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)手段，逐漸成為構(gòu)建智能電網(wǎng)不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。(見表2)

可以看出，儲(chǔ)能在整個(gè)電力系統(tǒng)中的作用體現(xiàn)在“調(diào)劑、優(yōu)化、提高、保障”，即調(diào)劑全系統(tǒng)內(nèi)電能的高效和靈活分配，優(yōu)化全系統(tǒng)設(shè)備的資源配置和利用、提高全系統(tǒng)的運(yùn)行效率和電能質(zhì)量、保障全系統(tǒng)穩(wěn)定和安全運(yùn)行。其中儲(chǔ)能的必要性體現(xiàn)在保障電網(wǎng)安全，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的能量管理，接納可再生能源;經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在優(yōu)化設(shè)備的配置、提高全網(wǎng)的效率;技術(shù)先進(jìn)性體現(xiàn)在相比于傳統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、旋轉(zhuǎn)備用設(shè)備來說其快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)性和高效率等方面的突出優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)前，儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)的細(xì)分領(lǐng)域應(yīng)用主要包括可再生能源接入儲(chǔ)能、電網(wǎng)調(diào)峰/調(diào)頻儲(chǔ)能、配電側(cè)分布式儲(chǔ)能和用戶側(cè)分布式微網(wǎng)儲(chǔ)能幾種，儲(chǔ)能在這些應(yīng)用中具有直接和間接經(jīng)濟(jì)價(jià)值。(見表3)

綜上，投資者(發(fā)電公司、電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商、用戶側(cè))衡量?jī)?chǔ)能的價(jià)值除考慮各個(gè)應(yīng)用模式下的直接收益外，更多的要衡量?jī)?chǔ)能對(duì)全系統(tǒng)內(nèi)的綜合性價(jià)值，包括設(shè)備投資減少、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用降低、發(fā)電/用電效率的提高等，另外開放的電力交易也會(huì)增大儲(chǔ)能的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。通過已運(yùn)行的儲(chǔ)能示范項(xiàng)目積累，建立不同模式下系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)模型，通過產(chǎn)業(yè)政策全局把握，推動(dòng)儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展。

關(guān)于化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，全球在電力系統(tǒng)中運(yùn)行的儲(chǔ)能設(shè)備總裝機(jī)容量達(dá)到127GW，其中99%的儲(chǔ)能設(shè)備為抽水蓄能技術(shù)，化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)總裝機(jī)容量約520MW，其中鈉硫電池304MW、鋰電池116MW、液流電池20MW、鉛酸電池(包括鉛炭電池)80MW。

鈉硫電池是目前裝機(jī)規(guī)模最大的化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，主要應(yīng)用于配電網(wǎng)的分布式儲(chǔ)能，延緩負(fù)荷增長(zhǎng)時(shí)對(duì)配網(wǎng)設(shè)備和線路擴(kuò)容升級(jí)的投資。鋰電池和液流電池近些年技術(shù)發(fā)展很快，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用逐漸增多。鋰電池的主流技術(shù)包括碳酸鋰、磷酸鋰鐵、聚合物鋰電池和錳酸鋰電池等，偏重于電力系統(tǒng)的功率型應(yīng)用，包括調(diào)頻、調(diào)壓及波動(dòng)控制等。液流電池中技術(shù)最成熟的是全釩液流儲(chǔ)能電池，也有研究機(jī)構(gòu)在研究鐵鉻液流電池。主要是電力系統(tǒng)的能量型應(yīng)用，包括提高可再生能源發(fā)電效率、電網(wǎng)調(diào)峰和分布式儲(chǔ)能等。鉛炭電池目前主要用于提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。(見表4)

美國(guó)、日本、歐洲和中國(guó)的電力系統(tǒng)中化學(xué)儲(chǔ)能的應(yīng)用處于領(lǐng)先水平。日本是高度城市化的國(guó)家，用電峰谷負(fù)荷差異大，電網(wǎng)用于擴(kuò)容的投資巨大，儲(chǔ)能的作用是提高電網(wǎng)的利用效率、延緩擴(kuò)容升級(jí)投資以及家用備用電源等;美國(guó)的電力交易商業(yè)化市場(chǎng)程度較高，儲(chǔ)能的應(yīng)用主要是針對(duì)分布式微網(wǎng)及電力調(diào)頻應(yīng)用。中國(guó)和歐洲的可再生能源發(fā)展迅速，儲(chǔ)能主要作用是加強(qiáng)現(xiàn)有電網(wǎng)接納可再生能源的能力。

液流電池、鋰電池和鈉硫電池等化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都有所應(yīng)用，并逐漸體現(xiàn)其綜合價(jià)值，項(xiàng)目的數(shù)量和規(guī)模逐年增加。美國(guó)、中國(guó)、日本、歐洲由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不同，對(duì)儲(chǔ)能應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)有所差異。更多應(yīng)用項(xiàng)目的實(shí)施會(huì)引導(dǎo)和推進(jìn)技術(shù)的完善以及市場(chǎng)的商業(yè)化。

儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)政策

可再生能源的發(fā)展規(guī)劃和完善優(yōu)化現(xiàn)有電力系統(tǒng)，提高整體能源利用效率，世界主要國(guó)家都有支持儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的政策措施。

美國(guó)能源部2011年2月發(fā)布了 《2011-2015儲(chǔ)能計(jì)劃》，關(guān)注如何安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)其最大效用;儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本、安全性及使用周期的研發(fā)和應(yīng)用事宜;促進(jìn)技術(shù)研發(fā)并建設(shè)示范項(xiàng)目展示儲(chǔ)能的價(jià)值鏈條，通過示范項(xiàng)目的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)反饋指導(dǎo)科研方向;儲(chǔ)能設(shè)備的工業(yè)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。美國(guó)加州政府2010年頒布儲(chǔ)能 《AB2514》號(hào)法案，評(píng)估各種儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)及在電力系統(tǒng)應(yīng)用模式，制定出切實(shí)可行、具有成本效益的儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)行儲(chǔ)能配額制，2020年儲(chǔ)能裝機(jī)容量達(dá)到最大負(fù)荷的5%。

日本產(chǎn)業(yè)省于2011年11月發(fā)布《節(jié)能法修正案》，鼓勵(lì)使用自主發(fā)電設(shè)備和蓄電池等作為用電高峰對(duì)策;要求在工廠和大廈中使用自助發(fā)電設(shè)備，對(duì)建筑物進(jìn)行節(jié)電改造，建設(shè)大廈能源管理系統(tǒng);在居民住宅中定置鋰電池、光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)并安裝房屋能源管理系統(tǒng)。

給電力系統(tǒng)帶來的是系統(tǒng)級(jí)的綜合價(jià)值，其商業(yè)化市場(chǎng)的發(fā)展更需要產(chǎn)業(yè)政策的支持。如何制定有效、具體的產(chǎn)業(yè)政策，已經(jīng)成為世界各國(guó)能源部門開始思考的問題。儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)政策大致包括減稅補(bǔ)貼、一次性投資補(bǔ)貼、參與商業(yè)化電價(jià)競(jìng)爭(zhēng)、電價(jià)補(bǔ)貼等幾方面補(bǔ)貼形式。(見表5)

儲(chǔ)能是電力系統(tǒng)不可或缺的一部分，為更好地引導(dǎo)和推進(jìn)儲(chǔ)能的商業(yè)化市場(chǎng)，制定適合本國(guó)國(guó)情的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)政策至關(guān)重要。這些政策應(yīng)包括但不限于稅收減免、電價(jià)補(bǔ)貼、一次性投資補(bǔ)貼和參與商業(yè)化電力交易等形式。

關(guān)于液流儲(chǔ)能電池技術(shù)現(xiàn)狀

相比于其它化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，全釩液流儲(chǔ)能電池在安全性、壽命和環(huán)保方面有很多優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是電力系統(tǒng)用能量型儲(chǔ)能有前途的技術(shù)之一。目前，世界范圍內(nèi)全釩液流儲(chǔ)能電池累計(jì)裝機(jī)容量約20MW。

2002 年奧地利Cellstrom公司開始研發(fā)釩電池，主要有10kW/100kWh系統(tǒng)和200kW/400kWh系統(tǒng)兩種定型產(chǎn)品，產(chǎn)品主要用于與太陽能光伏電池配套，用于偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、通訊以及備用電源領(lǐng)域。2005年日本住友電工公司(SEI)在北海道苫前町建造了當(dāng)時(shí)國(guó)際最大規(guī)模4 MW釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用于與30.6MW風(fēng)力發(fā)電匹配，該系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行3年，積累了大量寶貴數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。2011年，SEI應(yīng)用其新一代釩電池技術(shù)，以城市智能微電網(wǎng)為目標(biāo)市場(chǎng)，在橫濱和大阪建造了示范項(xiàng)目，應(yīng)用效果良好。

2010年以來，隨著技術(shù)的不斷成熟和市場(chǎng)的拉動(dòng)，全釩液流儲(chǔ)能電池逐步由研發(fā)階段進(jìn)入示范應(yīng)用階段。2012年開始在幾家主要釩電池生產(chǎn)企業(yè)的努力下逐步開始產(chǎn)業(yè)化。中國(guó)大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司(簡(jiǎn)稱融科儲(chǔ)能)立足自主研發(fā)，掌握了電池材料、電堆和電池系統(tǒng)、管理控制等自主核心技術(shù)，開展了千瓦-兆瓦級(jí)釩電池設(shè)計(jì)和應(yīng)用。2012年，融科儲(chǔ)能建設(shè)的國(guó)內(nèi)首套、世界最大的5MW/10MWh電池系統(tǒng)在國(guó)電龍?jiān)瓷蜿柗◣祜L(fēng)電場(chǎng)成功并網(wǎng)運(yùn)行。

全釩液流儲(chǔ)能電池技術(shù)被認(rèn)為是電力系統(tǒng)用能量型儲(chǔ)能有應(yīng)用前景的技術(shù)之一。技術(shù)經(jīng)過應(yīng)用項(xiàng)目的積累日趨成熟，逐漸被市場(chǎng)所接納，行業(yè)處于產(chǎn)業(yè)化前期，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)配套正逐漸形成。