(1.上海崇明北沿風力發(fā)電有限公司, 上海 202177;2.上海林洋儲能科技有限公司,上海 201201)

　　摘要：推廣儲能技術對加快我國新能源產業(yè)發(fā)展、推進智能電網建設意義重大，基于國內工業(yè)基礎，分析了不同儲能技術的特點及合適應用領域，針對儲能技術目前的現(xiàn)實需求，簡述了國內發(fā)展流體釩電池的優(yōu)勢，探討了目前儲能技術在應用層面面臨的多重挑戰(zhàn)。

　　關鍵詞：新能源；智能電網；儲能技術；流體釩電池

　　作者簡介：唐征歧（1963－），男，總經理，從事太陽能、風能向電網輸入管理工作

　　The opportunity and challenge of energy storage technology development
TANG Zheng-qi1, ZHOU Han-tao2
（1.Shanghai Chongming Beiyan Wind Power Co., Ltd., Shanghai 200090, China
2. Shanghai Linyang Energy Storage Science & Technology Co., Ltd., Shanghai 201201, China)

　　Abstracts: Energy storage technologies play a very important role on accelerating the spread of new energy and development of intelligence network. Based on the industry foundation of China at the present, deferent energy storage technologies as well as their suitable markets are analyzed. From the side of practical demand, the advantages of developing vanadium flow battery and the obstacles on its application way are introduced.

　　Key words: new energy; intelligence network; energy storage technology; vanadium flow battery

　　前言

　　我國面臨著智能電網建設和大規(guī)模新能源同步發(fā)展的客觀要求，既要重視電網抵御風險的能力及基礎性設施的現(xiàn)代化水平，這關系到電網運行的安全性、可靠性，又要重視可再生能源的利用，保證環(huán)境友好型能源的可持續(xù)發(fā)展。2011年3月，國家 “十二五”規(guī)劃綱要明確指出：加快現(xiàn)代電網體系建設，依托信息、控制和儲能等先進技術，推進智能電網建設。

　　供電設施的穩(wěn)定性與安全性是電網對發(fā)電技術的首要要求，我國風能、太陽能發(fā)電等新能源發(fā)電技術在過去五年內推廣迅速，但最大缺點是受天氣、季節(jié)、時間限制非常大，發(fā)電不穩(wěn)定，大范圍推廣必定增加電網的不穩(wěn)定性因素，現(xiàn)已對電網安全帶來了新的挑戰(zhàn)，對于電網的運行和調度提出了更高要求，智能電網則成為推動新能源發(fā)展的重要載體。大容量儲能技術的應用將促進電網結構的優(yōu)化，可解決新能源發(fā)電的隨機性、波動性問題，實現(xiàn)新能源的友好接入和協(xié)調控制。在新能源和智能電網雙重推動下，大力發(fā)展大容量儲能技術將成為近幾年的緊要任務之一。

　　一、不同電能儲存技術的特點

　　目前，大容量儲能技術主要有物理儲能（抽水儲能、壓縮空氣儲能等）、超導電磁儲能和電化學儲能（鋰電池、鈉硫電池、鉛酸電池、液流釩電池等）等。

　　1．物理儲能

　　物理儲能技術是在不改變物質組分的前提下，將一種能量轉換成另外一種能量儲存起來，在需要的時候再將儲存的能量釋放出來。目前，常用的物理儲能技術有抽水儲能技術和壓縮空氣儲能技術，適合建造百兆瓦以上儲能電站。

　　抽水儲能技術是在電力負荷低谷時段將水從下游水庫抽到上游水庫，將電能轉化成重力勢能儲存起來，在電網負荷高峰時段釋放上游水庫中的水發(fā)電。抽水儲能的釋放時間可以從幾小時到幾天，綜合效率在70%左右，主要作用包括電力系統(tǒng)的削峰填谷、調頻、調相、緊急事故備用容量，還可以提高系統(tǒng)電站和核電站的運行效率。抽水儲能是目前電力系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種儲能技術，一般工業(yè)國家抽水蓄能裝機占比約為5%-10%，在我國近幾年的發(fā)展也非?？?。但抽水蓄能電站的建設受地形限制較大，當電站距離用戶地較遠時輸電損耗較大，在很多缺水或平原地區(qū)并不適用。

　壓縮空氣技術是利用電網負荷低谷時段的剩余電力壓縮空氣，將空氣高壓密封在報廢礦井、沉降的海底儲氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲氣井中，在電網負荷高峰時段釋放壓縮的空氣推動汽輪機發(fā)電。壓縮空氣儲能電站安全系數(shù)高、響應速度快，主要用于峰谷調節(jié)、平衡負荷、頻率調制和發(fā)電系統(tǒng)備用等。但壓縮空氣儲能電站的建設也受地形制約，對地質結構有特殊要求，還要與天然氣發(fā)電配套，在發(fā)達國家尚處于產業(yè)化初期，國內基本上要全套進口技術，風險較大，所以抽水儲能目前是國內百兆瓦以上儲能技術的首選。

　　2. 電磁儲能

　　電磁儲能即超導磁儲能，利用超導體制成線圈儲存磁場能量，功率輸送時無需能量形式的轉換，具有響應速度快、轉換效率高、比容量比功率大等優(yōu)點，可以實現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實時大容量能量交換和功率補償。和其他儲能技術相比，超導電磁儲能仍非常昂貴，除了超導本身的費用外，維持系統(tǒng)低溫以及維修頻率過高產生的費用也相當可觀。由于超導磁儲能是與空間技術同步發(fā)展的，因此我國與美國等國家的差距非常大，特別是民用產品，我國現(xiàn)有的材料基礎及加工業(yè)基礎離其產業(yè)化還有相當大的距離，目前超導磁儲能技術仍處于實驗室階段，需要長時間的技術積累和產業(yè)配套發(fā)展。

　　3．電化學儲能

　　4.1鈉硫電池

　　鈉硫電池在300℃的高溫環(huán)境下工作，其正極活性物質是液態(tài)硫；負極活性物質是液態(tài)金屬鈉，中間是多孔性陶瓷隔板。鈉硫電池的主要特點是能量密度大（是鉛酸電池的三倍）、效率高（可達到80%）、循環(huán)壽命比鉛酸電池長等。鈉硫電池適合10MW～100MW儲能，系統(tǒng)過小則危險分散，不利于監(jiān)控。

　　鈉硫電池由于運行溫度較高，危險性高于鋰電池，其隔膜技術、封裝技術、材料匹配技術、電池管理系統(tǒng)難度都非常大，其需要的國內工業(yè)化基礎特別是產業(yè)化需要的相關設備欠缺，目前只有日本NGK成功商業(yè)化。NGK的鈉硫電池不只是日本一個國家在支持，而是集成了日本、歐洲、北美近半個世紀在鈉硫電池上的技術積累，而且過去20年日本政府一直補貼其產業(yè)化。工業(yè)基礎及科研基礎決定材料、設計、封裝設備的水平，而后者又決定整個工業(yè)基礎的水平，所以國內在這個技術上還有很長的路要走。鈉硫電池的商業(yè)化不僅取決于對本身的技術理解，還取決于整個國內工業(yè)基礎以及眾多專業(yè)領域的高素質技術團隊合作是否能成功地將我們的理解轉變?yōu)楝F(xiàn)實，上海硅酸鹽研究所作為目前國內唯一真正在做鈉硫電池產業(yè)化的單位任重而道遠。

　　4.2鋰離子電池

　　鋰離子電池的陰極材料為鋰金屬氧化物，具有高效率、高能量密度的特點，并具有放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應及無公害等優(yōu)點。鋰離子電池在小型動力上的優(yōu)勢非常明顯，但在大規(guī)模儲能上還屬于非常前衛(wèi)的技術，大規(guī)模鋰離子電池組合對單電池的控制要求非常高，過充控制有特殊封裝要求，價格昂貴。其電池管理系統(tǒng)的成本要高于鋰離子電池本身，而且規(guī)模越大，難度越高，成本也相對越高。所以對于國內來講，鋰電池目前是先做好動力電池，然后才能上升至更大規(guī)模應用，雖然目前國內已經有很多MW級鋰電池示范項目，但只是示范應用，還不能保證大型鋰電池組合的長壽命要求。目前世界上的能夠利用鋰離子電池建造MW級商業(yè)儲能電站只有美國的A123，其儲能電站用鋰電池生產工藝與普通動力電池是完全不一樣的。國內鋰離子電池廠家需要從原材料生產工藝、電池封裝工藝、管理系統(tǒng)、相關PCS等各環(huán)節(jié)有革命性突破，特別是基礎材料和后續(xù)的應用集成上要下大功夫。

　4.3鉛酸電池

　　鉛酸蓄電池的主要特點是采用硫酸做電解液，是用二氧化鉛和絨狀鉛分別作為電池的正極和負極的一種酸性蓄電池，具有成本低、技術成熟、儲能容量大等優(yōu)點，主要應用于電力系統(tǒng)的備載容量、頻率控制，不斷電系統(tǒng)；缺點是儲存能量密度低、可充電次數(shù)少、制造過程中存在一定污染等。現(xiàn)已有很多國內國際的公司在研發(fā)新一代鉛酸電池，但是遇到和鋰電池一樣的問題，如何保證在生產、使用整個過程單電池的一致性，如何制造先進的電池管理系統(tǒng)是一個非常復雜的系統(tǒng)工程，技術難度非常大，目前尚沒有太大突破。

　　4.4液流釩電池

　　目前能夠選擇的儲能技術都有局限性。全球100kW～10MW的儲能市場目前基本上是空白區(qū)，流體釩電池正好能適應這樣一個規(guī)模的儲能技術。

　　釩電池擁有三個很明顯的技術優(yōu)勢，儲能介質是常溫水性的，沒有起火爆炸危險，其流動性利于熱管理；電池充放電狀態(tài)易于監(jiān)控；由于儲能介質在電池之外的儲罐中，單電池一致性高很高，系統(tǒng)越大電池管理系統(tǒng)相對成本越低。釩電池雖然商業(yè)化進程很短，但關鍵材料目前除了隔膜以外，其它的關鍵材料可全部國產化，其加工技術包括關鍵材料加工技術并沒有與眾不同的特殊性，國內釩資源優(yōu)勢又很明顯，加上終端應用場合對安全性和可控性的要求非常高，雖然能量密度較低上是其明顯的缺點，但在大規(guī)模儲能場合一定有它的市場，就目前情況來說做為首選的大規(guī)模儲能技術之一是非?，F(xiàn)實的。

　　自 1974 年Lawrence H. Thaller 提出液流儲能電池的概念以來，經過二十多年的研究和發(fā)展，流體釩電池儲能技術取得了突破性進展。澳大利亞、日本、英國、加拿大、美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家于20 世紀80 年代開始流體釩電池系統(tǒng)的研究。在這個領域非常著名的國際學術專家有澳大利亞的Maria Skyllas- Kazacos教授，英國的Derek Pletcher教授和Frank Walsh教授，他們對液流電池的基礎研究很到位，但由于受所處工作環(huán)境、人力成本和所在國家的工業(yè)格局的制約，對于釩電池的工業(yè)化推進是很有限的。日本、加拿大、美國等國家在10 年前已經建造了兆瓦級示范演示工程。過去日本由于受制于釩資源的制約，不得不暫停流體釩電池商業(yè)化，不過近兩年日本再次起動流體釩電池的商業(yè)化，但始終會受制于釩資源的制約。中國釩資源豐富，目前國內90%釩是出口的，而且是以低端產品形式流向國外，因此釩電池的商業(yè)化對國內釩資源的充分利用非常有利，流體釩電池的釩資源回收非常方便，亦是開發(fā)釩電池另一個獨特優(yōu)勢。

　　二、儲能技術的現(xiàn)實需求

　　1．風力發(fā)電

　　風力發(fā)電自身所固有的隨機性、間歇性特征，決定了其規(guī)?；l(fā)展必然會對電網安全運行帶來顯著影響，另外風力發(fā)電往往在后半夜進入發(fā)電高峰，而此時正是用電低谷，所以棄風現(xiàn)象嚴重。因此必須要有先進的大容量儲能技術做支撐，以穩(wěn)定風機輸出，且能錯時發(fā)電，提高風力發(fā)電機組的利用率，降低損耗。

　　研究表明，如果風電裝機占裝機總量的比例在10%以內，依靠傳統(tǒng)電網技術以及增加水電、燃氣機組等手段基本可以保證電網安全；但如果所占比例達到20%甚至更高，電網的調峰能力和安全運行將面臨巨大挑戰(zhàn)。目前為了減少對電網的沖擊，每一臺風機需要配備其功率4%的后備蓄電池。另外還需要大約相當于其功率1%的蓄電池用于緊急情況時收風葉以保護風機。電網對風電輸出平穩(wěn)性的要求已成為風電發(fā)展的瓶頸。隨著風電的快速發(fā)展，風電與電網的矛盾越來越突出。如果需要平滑風電90%以上的電力輸出，需要為風電場配置20%左右額定功率的儲能電池；如果希望風電場還能具有削峰填谷的功能，將需要配備相當于40-50%功率的動態(tài)儲能電池；如果風機離網發(fā)電，則需要更大比例的動態(tài)儲能電池。

中國風電資源經初步探明10米高空約1000GW，其中陸上風電資源235GW，沿海風電資源750GW；擴展到50米高空，是2000～2500GW。根據(jù)國家中長期能源規(guī)劃，風電裝機目標為2010年4GW，2020年20GW。風電實際裝機容量比預計的要大得多，2010年中國風機累積裝機容量已超過40GW，中國風能協(xié)會預計2020年中國風電裝機會突破150GW，將占到全國發(fā)電量的10%左右。

　　風電產業(yè)的快速發(fā)展，特別是我國的多數(shù)風電場屬于“大規(guī)模集中開發(fā)、遠距離輸送”，對電網的運行和控制提出了嚴峻挑戰(zhàn)。大容量儲能產品成為解決電網與風電之間矛盾的關鍵因素。即使按照風電調控最低要求計算，5%的風電儲能比例，2009年儲能電池的需求就將達到1GW，2020年儲能電池的需求將達到5GW；如果需要平滑90％以上的風電輸出，儲能電池的需求還要增加3倍以上。

　　2.光伏發(fā)電

　　光伏發(fā)電是顯著受天氣影響的，對于目前大型光伏發(fā)電場主要是并網發(fā)電，但總的說來裝機容量在電網中所占比例非常小，其波動可以忽略不計。但隨著時間推移，其所占比例越來越大之后，不得不考慮儲能技術以平滑其輸出，減小對電網的影響。

　　2009年全球光伏發(fā)電裝機新增容量為7.2GW，2010年全球新增太陽能光伏裝機容量為16GW，是上年新增容量的兩倍。2010年全球太陽能光伏累計裝機容量接近40GW，比2009年的23GW增加70%。太陽能發(fā)電市場的命運和風電形成了鮮明的對比，2010年該市場出現(xiàn)20年來第一次受挫，但是隨著技術提升，生產成本下降，太陽能光伏發(fā)電的裝機容量總體逐年上升是勿庸置疑的。

　　目前來說，光伏發(fā)電對儲能電池的需求更多體現(xiàn)在離網型光儲或風光儲項目上。

　　3.電網調峰調頻

　　由于我國電力系統(tǒng)煤電比例較高，核電不參與調峰，水電、燃氣發(fā)電等調峰較好的電源所占比例較低，造成電力系統(tǒng)安全運行和調控管理困難。系統(tǒng)的調峰調頻也成為限制電網接受清潔能源的一個主要因素。

　　為應對城市尖峰負荷，電力系統(tǒng)每年都要新增大量投資用于電網和電源后備容量建設，但利用率卻非常低。以上海為例，2004-2006年間，為解決全市每年只有183.25小時的尖峰負荷，僅對電網側的投資每年就超過200億元，而為此形成的輸配電能力的年平均利用率不到2%。東北風電在發(fā)展中首先面臨的也是調峰和調頻的問題，需要儲能技術企業(yè)、發(fā)電企業(yè)和電網公司共同承擔責任并解決調峰問題。

　　電網調峰的主要手段一直是抽水蓄能電站。由于抽水蓄能電站需建上、下兩個水庫，受地理條件限制較大，在平原地區(qū)不合適。采用大容量儲能電池的小型調峰系統(tǒng)從微觀角度多點調峰，不受地理條件限制，可大可小設計靈活，是抽水蓄能電站的有益補充。

　　4.通訊基站

　　通信基站和通信機房需要蓄電池作為后備電源，且時間通常不能少于10小時。對通訊運營商來講，安全穩(wěn)定可靠和使用壽命是最重要的，在這一領域，流體釩電池有著鉛酸電池無法比擬的先天優(yōu)勢：壽命長，維護簡單，能量存儲穩(wěn)定、控制精確、自放電少，可便捷調整能量的存儲量，總體使用成本低。

通信網絡中的基站動力系統(tǒng)中通常使用柴油發(fā)電機，在停電時提供長時間動力。柴油機在備用動力系統(tǒng)投資中占了很大一部分，而且需要持續(xù)不斷的機械維護以保證其可靠性；在實際應用中，柴油機的利用率很低，因此其單位時間的使用成本比較高；系統(tǒng)中經常使用的鉛酸電池由于自放電的原因，也需要經常維護。流體釩電池完全可以替代動力系統(tǒng)中的鉛酸電池和柴油機的動力組合，提供高可靠性的直流電源的能量存儲解決方案。流體釩電池還可以很好地與網絡通信領域使用的地理分布很廣、數(shù)量眾多的太陽能電池進行很好的匹配，替代目前太陽能供電系統(tǒng)中通常使用的鉛酸電池，降低維護量，減少成本，提高生產率。

　　5.分布式電站

　　大型電網自身的缺陷，難以保障電力供應的質量、效率、安全可靠性要求，對于重要單位和企業(yè)，往往需要雙電源甚至多電源作為備份和保障。分布式電站可以減少或避免由于電網故障或各種意外事件造成的斷電。醫(yī)院、指揮控制中心、數(shù)據(jù)處理和通訊中心、商業(yè)大樓、娛樂中心、政府要害部門、制藥和化學材料工業(yè)、精密制造工業(yè)等領域是分布式電站發(fā)展的重點領域，流體釩電池可以在分布式電站的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

　　對于目前很多遠離主電網的場合，如海島、哨所、采礦采油井、移動牧場、野外施工地等，對風光儲一體化電站解決方案也提出了真實的需求。

　　三、國內發(fā)展流體釩電池優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

　　與國外相比，我國對流體釩電池儲能系統(tǒng)的基礎研究起步時間基本相同，但由于一段時間內研究經費短缺以及應用前景不明朗等原因，研究一度中斷。但近年來，由于國家政策支持，投入加大，流體釩電池技術在我國得到蓬勃發(fā)展。中國在流體釩儲能電池的研發(fā)與產業(yè)化方面，已經走在世界前列，上海林洋儲能與大連融科、北京普能三個公司在流體釩電池產業(yè)化上最具代表性，其技術處于世界領先水平。其原因是：流體釩電池的關鍵材料目前除了隔膜以外，其它的關鍵材料可全部國產化，但目前國內在流體釩電池隔膜材料上已取得突破性進展，中科院大連化物所開發(fā)的陰離子膜效率高、成本低，與進口隔膜不相上下，假以時日在連續(xù)化成型上取得突破，屆時流體釩電池的所有關鍵材料可全部國產化；流體釩電池的商業(yè)化進程雖然很短，但中國近三十年的改革開放正好跟這一時期一致，所以在中國的流體釩電池技術水平非常高。從安全、資源、技術復雜度、工業(yè)基礎、商業(yè)化成本、回收再利用等幾個角度考慮，在國內發(fā)展流體釩電池很現(xiàn)實。

　　隨著光伏、風電等新能源行業(yè)的興起，智能電網概念的提出，以及社會發(fā)展越來越多地對大型備用直流電源提出需求，儲能行業(yè)進入非常好的發(fā)展時期，各種儲能技術在各自適合的領域都大有可為，但儲能技術的商業(yè)化推廣前期陷入不確定由誰買單的窘境。目前來講不光是儲能產品本身，還有其推廣過程涉及的雙向逆變器（PCS），終端接入軟件（與新能源、電網調度協(xié)調配合），以及如何評價儲能技術的經濟性都是全新的問題。作者認為在目前情況下，儲能產品本身及PCS技術已基本完善，但是儲能產品及PCS只有按照規(guī)模化生產方式生產才具有實用性，而目前市場尚未敞開，規(guī)?；h未形成，所以造成在規(guī)?；a線上生產的實用型儲能產品成本過高。儲能技術已進入示范推廣階段，急需解決終端接入軟件開發(fā)和經濟性評價的兩個后續(xù)關鍵問題，而相關人才又非常短缺，這需要政府大力支持，電網公司、電力公司、儲能科技公司的實質性大力協(xié)調配合，加大相關關鍵技術的前期投入，通過實踐解決相關人才短缺現(xiàn)狀及技術瓶頸，最終將儲能產業(yè)鏈打通。

　　四、小結

　　儲能技術的種類很多，但沒有一種是萬能的，在具體應用場合選擇時需全方位考慮技術特征、工業(yè)基礎、自然環(huán)境、投資規(guī)模、經濟性、使用場合特殊要求、環(huán)保要求、政策導向等多方面因素。儲能技術的發(fā)展也是一項復雜的系統(tǒng)工程，不可能一蹴而就，需要全社會各個利益相關方的參與和推動，達成共識大力合作，發(fā)揮各自優(yōu)勢，和諧共贏。

　　感謝上海市經信委對上海崇明北沿風力發(fā)電項目釩液流儲能工程的大力支持，感謝上海綠能環(huán)保能源科技有限公司在儲能應用項目上的全力支持。

來源：中國新能源網 | 作者：唐征歧 周漢濤