新型储能是助力实现“双碳”目标的重要支撑,是保障能源供给安全的重要手段,是建设新型电力系统的关键要素,是培育战略性新兴产业的重要方向,具有广阔的发展前景。文章旨在分析比较新型储能主要技术路线的技术特点、应用场景,并在此基础上对新型储能未来发展态势进行了展望。
1 新型储能发展概况
储能技术的发展历史可以追溯到19世纪初期,当时人们就开始探索将电能转化为化学能、热能等形式进行储存的方法。
直到20世纪初期,以铅酸蓄电池为代表的电化学储能技术开始普及,为能源的储存和利用提供了可靠的手段。随着科技的进步和新材料的应用,储能技术得以不断创新和完善,出现了以锂离子电池为代表的新型电化学储能技术,其能量密度高、寿命长、环保无污染等优点受到了广泛认可,成为当前主流的储能技术。
尽管新型储能装机规模快速增长,但新型储能发展还面临成本较高、价格机制未建立、标准规范不完善、项目落地难等问题。
2 新型储能主要技术路线
新型储能主要包括储电(电化学储能、机械储能、电磁储能)、储氢、储热三大类技术路径。相较于抽水蓄能，新型储能具有建设周期短、选址简单灵活、调节能力强等优势,与新能源开发消纳的匹配性更好,优势逐渐凸显。
2.1储电
储电可以分为电化学储能、机械储能和电磁储能3类。电化学储能主要包括锂离子电池、液流电池、铅蓄电池和钠离子电池等；机械储能主要包括压缩空气储能、飞轮储能和重力储能等;电磁储能主要包括超级电容器储能和超导储能等。
2.1.1电化学储能
电化学储能是应用最广泛的新型储能技术,具有大规模推广的潜力。电化学储能是通过电化学反应储存电能的技术。与其他储能技术路线相比,电化学储能系统能量密度较高,响应速度适中,适用范围广,且更易于量产、安装和运维,规模推广潜力优良。
2022年全球新型储能累计装机中,97%为电化学储能(其中锂离子电池占94.4%)。随着产业链成熟、技术进步和成本下降,电化学储能前景更为广阔。
(1)锂离子电池储能。
技术特点。锂离子电池具有充放电速度快、综合效率高、技术实用性强、受限因素少等优点,在各类电化学储能技术中,锂电池储能在循环次数、能量密度、响应速度等方面均具有较大优势。但锂离子电池存在安全性、低温性能差等缺点。
应用场景。锂离子电池应用场景广泛,可应用于电力系统电源侧、电网侧、用户侧各环节,包括AGC调频电站、风/光储能电站、调峰/调频电站、应急电源等;应用模式多样,可实现调峰、调频等多种功能。
技术成熟度。目前,锂离子电池技术已实现规模化应用,以磷酸铁锂电池技术路线为主。从目前商业化进程来看,锂离子电池技术已经非常成熟,未来重点研究安全性材料、智能制造以及电池回收再利用等技术。
(2)液流电池储能。
技术特点。液流电池具有安全可靠、生命周期内性价比高、环境友好、循环寿命长等优点。液流电池的水基电解质特性可防止其燃烧和爆炸,安全性高;电池的功率和容量是相互独立的,实现了电堆功率和容量的分离,可通过增加储液罐的容量来扩大容量;同时兼具长循环寿命。但液流电池存在能量密度低、成本较高等缺点。
应用场景。一方面,液流电池的使用寿命与风光电站相契合,因此,适用于建设新能源大型电站配储;另一方面,由于液流电池技术规模大、容量大、寿命较长、残值高、维护成本低,因此,可用于电网侧的大型共享储能电站或者调峰电站。
技术成熟度。我国液流电池储能技术水平已经达到了国际领先水平,大规模全钒液流电池储能技术已经初步实现产业化,但还需要进一步提高大规模储能系统的性能、降低系统成本、开展不同应用场景的运行模式。
(3)铅蓄电池储能。
技术特点。铅蓄电池具有成本低、高倍率放电性能良好、温度性能良好等优点。但铅蓄电池存在能量密度低等缺点。
应用场景。铅蓄电池储能技术具有成本低、安全性高等突出优势,可广泛用于太阳能、风能、风光互补等各种新能源储能系统,智能电网、微电网系统、无市电、恶劣电网地区的供电储能系统,电力调频及负荷跟踪系统、电力削峰填谷系统以及生活小区储能充电系统等。
技术成熟度。铅蓄电池是电化学储能中最为成熟的技术路线,从目前商业化进程来看,当前以铅碳电池技术路线为主,处于商业化中后期。
(4)钠离子电池储能。
技术特点。钠离子电池作为一种新型二次化学电源,不仅原材料不存在资源约束问题,同时具备安全性、高低温性能以及大倍率充放电性能,资源优势和成本优势明显。但钠离子电池存在能量密度低、循环寿命短等缺点。
应用场景。钠离子电池可应用于负荷调频、电网削峰填谷、可再生能源并网、改善电能质量等领域。在发电侧,钠离子电池储能系统可与火电机组配合,发挥其响应速度快、瞬时功率调节能力强等优点,提供调频调压服务。在自动发电控制(AGC)系统调度下,钠离子电池储能系统可与风力、光伏等新能源系统配合,提高电力系统调节能力,降低弃风、弃光率。
技术成熟度。国内在钠离子电池产品研发制造、标准制定以及市场推广应用等方面的工作正在全面展开,钠离子电池即将进入商业化应用阶段。
(5)其他前沿电化学储能技术。
电化学储能技术路线众多,目前国内外正在开展各类前沿新型储能技术的研发工作,重点从低成本、高安全、大规模方向克服现有电化学储能技术的短板。基于电化学储能技术体系,在众多前沿电池机制和技术方案中,较有代表性的包括固态电池、水系电池、多电子二次电池(镁离子电池、铝离子电池等)、金属空气电池和液态金属电池,目前均处于探索和研发阶段。
2.1.2机械储能
(1)压缩空气储能。
技术特点。压缩空气储能具有装机容量大、储能时间长、建设周期短、使用寿命长、清洁环保等优点。作为一种大容量、长寿命和高安全性的物理储能技术,压缩空气储能对于促进大规模可再生能源并网、满足电力调峰需求的优势较为明显。但压缩空气储能存在效率较低等缺点。
应用场景。电源侧:可以与风电、光伏等新能源发电系统集成,构建风储或光储一体化系统,提高新能源发电的电能质量和可控性。电网侧:可以直接接入输电网或者配电网并接受电力调度机构的统一调度,服务于电网的安全稳定运行,能够提供调峰、调频、调相、备用、黑启动等技术服务,可以缓解输配电阻塞,提高供电可靠性。负荷侧:系统可以与光热、地热、工业余热相耦合,应用于具有多种能源需求的工业园区、大都市公共建筑等应用场景,显著提高系统布置的灵活性和利用效率。
技术成熟度。我国压缩空气储能正处于由示范项目向商业化应用发展的关键阶段。在发展趋势上,压缩空气储能将朝着大规模、高效率、低成本、多元化的方向发展。
(2)飞轮储能。
技术特点。飞轮储能具有瞬时响应、精确跟踪、双向出力等优点,在参与电网调频方面具有显著的技术优势,并且具备经济可行性。但飞轮储能存在能量密度不够高、自放电率高等缺点。
应用场景。飞轮储能技术最早应用于航天领域,目前逐渐转化应用到电力系统领域,适用于大功率、响应快、高频次的场景,如电网调频、UPS不间断电源等。
技术成熟度。当前,飞轮储能在系统容量、转换率、使用寿命、安全性等方面亟须创新和突破,正处于广泛的实验阶段,小型样机已经研制成功并应用于示范工程项目,但由于目前存在一定的安全隐患,成本较高。因此,从目前商业化进程来看,飞轮储能尚处于工程示范阶段。
(3)重力储能。
技术特点。重力储能具备环境友好、布置灵活、安全度高、寿命长、无自放电等显著优势[。重力储能作为一种能量型储能方式,启动时间较慢,难以提供电网惯性,但其储能容量大、出力时间长、单位能量成本低,可以精确跟踪电网调度指令,提升电网二次调频容量。
应用场景。在实际应用中,重力势能储能联合其他功率型储能形式(如飞轮储能、超级电容器储能),可以有效解决新能源并网带来的频率、电压不稳定问题,也可以削峰填谷,解决新能源发电出力和需求不匹配的问题。
技术成熟度。重力储能是一种新兴的储能技术,当前以储能塔技术路线为主。从目前商业化进程来看,重力储能处于工程示范初期阶段。
2.1.3电磁储能
电磁储能是将能量直接以电能的形式储存在电场或磁场中,没有能量形式的转化,具有效率高、持续放电时间短且难以提高的特点,是典型的功率型储能技术。电磁储能主要应用方式包括超级电容器、超导储能等。
(1)超级电容器储能。
技术特点。超级电容器具有高功率密度、快速充电和长循环寿命等特点。根据电荷存储机理,超级电容器可分为双电层电容器(Electric Double Layer Capacitor,EDLC)和赝电容器。但是超级电容器存在能量密度低等缺点。
应用场景。超级电容器储能技术在短时间内释放大量电能,在电力系统中可单独应用于短时间、大功率的负载平滑和电能质量高峰值功率场景,如大功率直流电机的启动支撑、动态电压恢复器等,在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平;也可与锂离子电池等能量型储能系统组成混合能源系统,可对新能源发电的输出功率进行快速调节,同时对输出电压进行支撑,提高新能源场低电压穿越能力。
技术成熟度。超级电容器储能技术尚处于发展的初级阶段,正逐渐从实验室走向工业化应用。未来的发展方向是提高能量密度、优化电化学性能和降低成本,实现超级电容器在能源储存和储能系统中的大规模应用。
(2)超导储能。
技术特点。超导储能具有效率高、功率密度高、响应速度快、循环次数无限等优点。超导储能利用超导线圈直接储存电磁能,储能装束结构简单,没有旋转机械部件和动密封问题,因此设备寿命较长;储能密度高,适合做成较大功率的系统;响应速度快,调节电压和频率快速且方便,在平抑新能源短时出力波动、补偿暂态功率失衡、提高系统电能质量、增强暂态稳定性等方面具有显著优势。但是超导储能存在成本高等缺点。
应用场景。超导储能适合用于提高电能质量,增加系统阻尼,改善系统稳定性能,特别是用于抑制低频功率振荡。超导储能应用在电力系统中,可以与电网之间实时进行大容量能量交换,能够交换有功功率与无功功率,具有功率补偿、频率调节、电压支撑等作用。
技术成熟度。超导储能由于其价格昂贵和维护复杂,虽然已有商业性的低温和高温超导储能产品可用,但在电网中应用很少,大多是试验性的。从目前商业化进程来看,超导储能处于技术研发阶段。
2.2储氢
氢储能是氢能的潜在应用领域之一,具有长时储能特征和远距离运输的潜力。按照氢气在储存介质中存在状态的不同,储氢方式可以分为高压气态储氢、液态储氢和固态储氢3种。
2.2.1高压气态储氢
技术特点。高压气态储氢具有设备结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快、温度适应范围广等优点。缺点是储氢密度小,储存容器体积大,存在氢气泄漏和容器爆炸风险隐患。
应用场景。根据高压储氢容器的不同使用要求,可以将高压储氢分为高压固定式储氢、车载移动式储氢和运输用高压储氢。高压固定式储氢主要应用于大规模加氢站,是一种低成本存储方式;车载移动式储氢主要应用于氢燃料电池汽车,目前应用的车载储氢容器压力达到70MPa;运输用高压储氢主要是将氢气从产地运到使用地或者加氢站。
技术成熟度。高压气态储氢是目前发展最成熟、最常用的储氢技术,未来还需向轻量化、高压化、低成本、质量稳定的方向发展。
2.2.2液态储氢
技术特点。液态储氢具有储氢密度高等优势,可分为低温液态储氢和有机液体储氢两大类。低温液态储氢是氢气通过在热交换器中压缩和冷却的双步骤储存在-253℃的低温罐中。其质量储氢密度和体积储氢密度远高于高压气态储氢、氢化物和物理吸附储氢。但液氢装置一次性投资较大,且液化过程中的能耗较大,对液氢储存容器的隔温绝热性要求很高。有机液体储氢利用不饱和有机物(烯烃、炔烃、芳香烃)通过化学反应实现氢气的可逆储存。氢可以通过循环载体,如氨和甲醇来携带或储存,缺点是操作条件较为苛刻且有概率发生副反应。
应用场景。低温液态储氢技术最早用于航天航空领域,除了航天航空领域之外,液氢还可应用在高端制造、冶金、电子等领域,但由于目前液氢总产能较低导致液氢成本仍然较高,尚未在大规模储能系统中有所应用。有机液态储氢技术已实现在燃料电池汽车、分布式储能、城市固废利用、燃料电池电站等领域示范应用,技术成熟度不断提升。
技术成熟度。从目前商业化进程来看,液态储氢由于其经济性、安全性尚未在新型储能系统中示范应用,处于技术研发阶段。
2.2.3固态储氢
技术特点。固体储氢技术具有轻量化、低成本、高容量、安全和快速反应动力学的优势。固体储氢解决了高压气态储氢和低温液体储氢所存在的安全问题和低能量密度问题,但存在充放氢速度慢、材料成本高等缺点。
应用场景。固态储氢技术可在车载应用、通信基站备用电源、分布式供能、电力调峰电站、应急电源等多种场景中得到应用。固态储氢装置可以和光伏绿电或风电配套使用。固态储氢装置平时常温常压储存,使用时跟燃料电池配套使用,燃料电池余热可以放氢时使用,固态储氢装置可以作为换热系统的一部分。
技术成熟度。固体材料储氢尚处于示范应用阶段。物理吸附类储氢材料吸附过程不发生化学变化,储氢方式简单,但在常温或高温下性能不稳定且质量储氢密度较低,材料制备复杂,制约了物理吸附类储氢材料的应用,物理吸附类储氢材料朝着常温、常压、高可逆性和高容量等方向发展。配位氢化物储氢材料实际达到的氢容量与理论高质量、高体积储氢密度有很大差距,实现高效催化是配位氢化物的重要研究方向。水合物储氢理论量较大,但是实际储氢密度不足,提高水合反应速率和强化传质是今后的研究方向。金属基镁基储氢材料是综合性能最为优异的储氢材料,然而其高吸放氢热力学和低动力学性能依旧是目前迫切需要解决的问题。
2.3储热
热能是人类重要的能源利用形式,占终端能源消费的40%~50%,储热技术应用领域广泛。根据储热原理的不同,储热可分为显热储热、相变储热和热化学储热3种形式。
其中,显热储热是利用物质温度变化过程中吸收热量来实现热能的储存和释放;相变储热是利用材料物相变化过程中吸收大量潜热以实现热量储存和释放;热化学储热是利用储能材料相接触时发生可逆的化学反应来储、放热能。
2.3.1显热储热
技术特点。显热储热具有技术成熟、操作简单、对环境友好、成本低等优点,仍是目前应用最广泛的储热方式之一。显热储热按照材料的物态可分为固态和液态。常见的固态相变材料包含混凝土、镁砖、鹅卵石等。常见的液态显热材料包括水、导热油、液态金属和熔融盐等。但显热储热存在储能密度低、温度输出波动大、热损失大等问题。
应用场景。显热储热(熔盐储热)主要用于光热发电、清洁能源供暖、火电灵活性改造。太阳能光热发电机组不仅具备同步电源特性,还配置了热储存系统,因此,既有一次调频的功能,同时也能进行二次调频。在清洁能源供暖中的应用,显热储热主要包括双罐熔盐储热和单罐熔盐储热2种。在火电灵活性改造的应用过程中,利用熔盐储热系统可在保证锅炉安全运行的同时,灵活性调节汽轮机运行出力,实现机组的灵活运行。
技术成熟度。显热储热技术中较为成熟的是熔盐储能,处于商业化应用初期阶段。
2.3.2相变储热
技术特点。相变储热具有能量密度高、相变过程温度近似恒定的优点。目前,最常见的是固-液相变材料储热。相变储热的储热密度是显热储热的5~10倍,可大幅减小设备体积,缩小系统占地面积;相变材料在相变过程中温度和体积变化较小,操作控制简单,并提高了储热控制的安全性。同时,相变储热的成本较低。
应用场景。相变储热材料应用于电力调峰、风电/太阳能消纳等领域,尤其是需要对温度严格控制、储热密度较高的场景。
技术成熟度。相变储热技术主要应用于小型分布式储热领域,在大型火电厂灵活性改造及电力消纳领域尚无应用案例,依然停留在技术研发试验阶段。
2.3.3热化学储热
技术特点。热化学储热具有更大的能量储存密度、可在常温下无损失地长期储存热能等优点。热化学储热材料的储能密度是显热材料的8~10倍,是潜热材料的2倍以上,并且长期储存热损失小,因此被认为是未来最有前景的储热方式之一。但热化学储热存在技术成熟度不足、反应速率难以控制等缺点。
应用场景。热化学储热技术主要用于工业余热回收、建筑采暖(热泵)、热力发电等领域,覆盖范围广泛,技术路线多样。
技术成熟度。热化学储热仍处于储热介质基础测试和实验原理机制验证阶段。如何扩展使用温度范围、增进能量密度、降低成本、提升使用寿命及稳定性,仍需进一步研究。
3 新型储能主要技术路线对比
新型储能的不同技术路径具有不同的特性,包括系统效率、循环寿命、放电时长、响应时间,相应的技术成熟度和应用场景也有所差异。不同技术路线各有千秋,适用于不同储能场景。各类新型储能技术的特点和参数如表1所示。
从系统效率角度分析,如图1所示,锂离子电池储能、钠离子电池储能、飞轮储能、超导储能的系统效率较高,约80%~95%,其中:锂离子电池储能、钠离子电池储能系统效率最高可达到90%,飞轮储能、超导储能的系统效率最高可达到95%。从循环寿命角度分析,如图2所示,重力储能、压缩空气储能、飞轮储能等3类机械储能在循环寿命方面具有显著优势,一般为20~30年,但机械储能除飞轮储能外的响应时间普遍慢于电化学储能和电磁储能,未来机械储能将凭借着其独有的循环寿命优势应用在电力系统。
从度电成本角度分析,如图3所示,压缩空气储能技术为各类新型储能中度电成本最低的一种技术路径,其最低约0.2元/度,其具有经济性、安全性等优势,此外在规模上能够比肩抽水蓄能,适用于调峰/备用/黑启动,是未来长时储能的主流路线之一;锂离子电池储能、铅蓄电池储能的度电成本基本相当,这2类技术路径也具有较强竞争优势,未来长期一段时间作为绝对主导的新型储能技术;重力储能的度电成本也较优,约为0.5元/度,当前该技术在国内正在进行示范工程应用;液流电池储能、钠离子电池储能的度电成本均低于1元/度,近期可考虑布局液流电池储能示范项目,中远期,随着电堆功率的逐渐提升,液流电池储能技术将进入商业化成熟期。
从技术成熟角度分析,如图4所示,锂离子电池、铅蓄电池、显热储热中的熔盐储热等技术路径均处于商业化发展阶段。其中,锂离子电池中的磷酸铁锂电池凭借着能量密度较高、循环寿命长、效率高、响应速度快等优点,成为当前新型储能应用中最主要的技术路线。从2022年新增储能装机技术占比来看,锂离子电池储能技术占比达94.2%,仍处于绝对主导地位;铅蓄电池中的铅碳电池作为升级版的铅蓄电池,凭借着成本低、安全性高、低温性能好等特点,作为储能行业重要的技术方向,将在新型储能领域中大有可为;熔盐储热凭借着工作温度高、传热性能好、安全性强、使用寿命长等优点,已经成为储热技术的主流选择,当前装机容量由20MW到上百MW不等,实现了商业化运行和并网发电,未来在机组深度调峰及顶峰等方面具有良好应用前景。
4 结语
新型储能技术将呈现多元梯级协同发展的态势,未来将向高安全、低成本、大容量、高效率、集中式、数字化、智能化和绿色化的方向发展。
从近期来看:锂离子电池技术成熟度高,在新型储能市场占据主流地位,此外,磷酸铁锂电池动力、储能市场共用,新能源汽车产业的蓬勃发展也为磷酸铁锂电池在储能市场规模化应用奠定了坚实基础;钒液流电池凭借其容量和功率性能相分离的独特优势,同时具备长寿命、安全性高等特点,较为适用于大型长时储能场景,未来随着产业链的不断成熟和规模效应显现,其全寿命周期总成本将与锂离子电池储能技术相近。压缩空气储能技术在规模上能够与抽水蓄能相当,适用于调峰/备用/黑启动,是未来长时储能的主流路线之一。钠离子电池储能技术系统效率高、高低温性能优异,电池的结构和组分简单,更易于回收再利用,当实现规模化降本后,将具有大规模应用的发展前景。
从中远期来看:在电化学储能方面,锂电池储能技术、钠电池储能技术与液流电池储能技术则将广泛与风电、光伏配合使用,其中锂电池保持高速增长,钠电池与液流电池随着自身技术突破和产业化链条的不断完善,预期在中远期可以迎来大规模产业化。在机械储能方面,压缩空气储能技术作为最具发展潜力的大规模物理储能技术,先进压缩空气储能将在长时储能领域成为抽水蓄能的重要补充,并且每千瓦时装机成本预计将进一步降低;重力储能技术具有储能容量大、出力时间长、单位能量成本低等优点,未来重力储能技术将在分布式储能、微电网、新能源消纳等领域有所突破。在储氢方面,虽然储氢极具发展潜力,但还处于行业发展探索期,大规模的应用仍需时间。在储热方面,熔盐储热技术将从商业化应用初期向规模化发展,中远期将以低碳形式巩固发展。
