中国储能网讯：新型电力系统是新型能源体系的重要组成和关键环节。据相关研究，中国能源电力双碳实现路径可分为碳达峰阶段（当前－2030年）、深度低碳阶段（2030－2050年）和零碳阶段（2050－2060年）3个阶段。各个阶段的VRE（Variable Renewable Energy，可变可再生能源）发电量占比预计分别为：碳达峰阶段2030年为25.4%，深度低碳阶段2050年为51.3%，零碳阶段2060年为54.3%。

↑“双碳”阶段主要时间点VRE电量占比

按照VRE集成到电力系统的程度不同，从低到高可分为6个阶段。6个阶段的特征及挑战分别为：

第一阶段：VRE渗透率<5%（VRE渗透率即VRE发电量占比）。借助电力系统自身所具有的储能特性，VRE对原有电力系统性能没有任何明显影响；

第二阶段：VRE渗透率介于5%～10%之间。VRE对原有电力系统运行有轻微至中度影响（电力系统运行模式有较小变化）；

第三阶段：VRE渗透率介于10%～30%之间。VRE发电决定了电力系统的运行模式（净负荷波动更大，电力潮流模式发生变化）；

第四阶段：VRE渗透率介于30%～50%之间。电力系统会经历VRE发电几乎占所有发电量的时间段（在高VRE发电量下，供电的鲁棒性遇到挑战，净负荷曲线会从鸭子曲线变化为峡谷曲线）；

第五阶段：VRE渗透率更高，VRE发电量更大，出现不断增长的从天到周的电量盈余或亏缺（能量盈亏期变长）；

第六阶段：VRE供电出现月度或季节性盈亏（需利用合成燃料或氢、跨季节性等长持续时间储能来应对）。当VRE在电力系统中的渗透率超过20%～25%时，为了维持电力系统的可靠性和韧性，必须配置长持续时间储能系统。

当前，中国电力系统VRE渗透率正处于从第二阶段到第三阶段的过渡期，VRE对电力系统的影响会从低、中烈度向中、高烈度扩展。众所周知，电力系统的稳定高效运行需要电力供给和电力需求的时刻精准匹配，而VRE具有不可调度、不同步、间歇性、波动性、难以预测的天然特性。随着VRE渗透率向10%及以上的增加，不断增加的VRE量会加剧从毫秒、秒、分钟、小时、天、周到季节等不同时间尺度上发电和负荷之间的不匹配，加之VRE代替火电同步发电机组后带来的物理转动惯量的下降，极易给电网运行带来不稳定性，造成电力系统可靠性的下降。

储能是一种应对能源电力供给与需求在时间、空间、形态、强度等维度上矛盾的颠覆性技术，可提供大宗能源服务、辅助服务、电网基础设施服务、用户能量管理服务等各类服务，具备能量控制、能量转移、能量后备、能量管理、惯量备用、电压控制、无功补偿、平滑出力、黑启动等多种功能，故国际上常称储能为能源转型的“瑞士军刀”。

↑ 储能——能源转型“瑞士军刀”

储能是涉及材料、能源、机械、化学、物理、电子、电气等多学科强交叉的战略性新兴产业。其中的长持续时间储能更是新生事物，也是国际研发重点。目前国内存在长持续时间储能术语及定义模糊、技术体系不明确、研发技术路线不清晰等问题。

为此，我们基于国内外研究界定了长持续时间储能的术语及定义；基于其内涵外延，给出了长持续时间储能的技术体系。

什么是长持续时间储能？

储能除根据储能装置或系统所储存能量的形式不同分类外（依此可将储能分为机械式、电化学式、电能式、热能式和化学式等5大类），还常按照储能装置或系统以额定功率输出所存储能量的持续时间尺度长短来分类为：短持续时间储能（Short Duration Energy Storage，SDES）和长持续时间储能（Long Duration Energy Storage，LDES）。

值得说明的是，国内常将短持续时间储能和长持续时间储能分别称为“短时储能”和“长时储能”。我们认为，这是一种不规范的称谓，如就“长时”而言，是指“长响应时间”“长周期时间”还是“长时间尺度 ”？“长时储能”术语界定不清，其概念内涵和外延模糊，极易与储能装置或系统对释能请求的响应时间长短等概念混淆。例如，按照对释能请求的响应时间快慢，也将储能装置或系统分为短时响应储能装置或系统（如超级电容器、超导磁储能装置、飞轮、电化学电池等）、长时响应储能装置或系统（如抽水蓄能、压缩空气储能等）2个类别。因此，从科学严谨、规范用语角度而言，不宜采用“长时储能”，而宜采用“长持续时间储能”的称谓。

时间尺度长短是相对的，短持续时间储能和长持续时间储能的时间界限，当前国际上尚无统一标准。欧洲一些学者及机构将小时级以上界定为长持续时间储能，国际LDES（长持续时间储能）委员会将6～8小时－150小时界定为LDES，美国加利福尼亚公共事业委员会（CPUC）要求为8小时及以上，美国能源部则要求10小时及以上，还有的机构要求一天及以上水平（24～72小时）、周水平（100小时），甚至季节水平。

以美国能源部为例，美国能源部在其“Long Duration Storage Shot（长持续时间储能攻关行动）”中，将长持续时间储能（LDES）定义为一次可以储存能量（可持续以满功率释放能量）超过10小时的储能系统。释能持续时长0～10小时的称为“短持续时间储能”（如飞轮储能），10小时以上的统称为“长持续时间储能”，且长持续时间储能还可以继续细分，10～36小时的为“日间长持续时间储能”（有时也称为“日内长持续时间储能”，如传统抽蓄、新型抽蓄、重力储能、压缩空气储能、液态空气储能、液态二氧化碳储能等机械式储能技术），36～160小时的为“多日/周持续时间储能”（如显热、潜热、热化学储热技术，液流电池、金属阳极电池、混合液流电池等电化学储能技术等），超过160小时的称为“季节性时移储能”（如储氢、热化学储热）等。有的也将“多日/周持续时间储能”和“季节性时移储能”统称为“季节性储能”。

↑不同时间尺度储能示例

（来源：DOE）

长持续时间储能的时间尺度不统一，会给科研、工程、市场、政策等带来不利影响。参考国际主要经济体和机构的做法，“长持续时间储能”可界定为能满足下列3个方面要求的任何储能技术：

一是可有竞争力地进行部署，用以长期储能。

二是可经济地扩大规模，用以维持8～10小时以上的能源供应。

三是有显著促进经济体去碳化的潜力。

长持续时间储能技术体系

按照前述长持续时间储能（LDES）的定义，长持续时间储能技术包含技术经济性、储能时长、去碳潜力三要素。依此三要素尺度衡量，飞轮储能技术、超级电容储能技术、锂离子电池储能技术、铅酸电池储能技术等，则排除在长持续时间储能技术范畴之外。

长持续时间储能技术包括机械储能类、热能储能类、电化学储能类、化学储能类4个类别：

↑ 各类长持续时间储能技术主要参数及市场成熟度

●机械储能类

指利用机械能的动能或势能改变来储存能量的储能技术。机械储能类LDES包括经典抽水蓄能、新型抽水蓄能、重力式储能、压缩空气储能（CAES）、液态空气式储能（LAES）、液态二氧化碳式储能等各类储能技术。

经典抽水蓄能技术（常简称抽蓄，PSH）：是通过将水从下游水库抽水至上游水库，以水的重力势能的形式来储存能量的储能技术。经典PSH技术是一种经长期工程实践验证、技术成熟度最高、往返效率较高（70%～80%）、最广泛商业应用、规模化和大型化（达吉瓦级）、在役时间长（寿命可达50～60年）的长持续时间储能技术。

新型抽水蓄能技术：经典PSH存在受地理环境限制、能量密度低、建设周期长、投资成本高等方面不足。为克服经典PSH技术原有的不足，新型抽水蓄能技术应运而生。新型PSH具有受地理环境限制小、建设周期短、小型化、模块化等特征。当前，国际上新型抽水蓄能电站技术的发展及应用方向可归纳为混合式抽水蓄能（如与储热耦合）、改造及升级型抽水蓄能（如利用废弃矿井）、新型抽水蓄能（如海水抽蓄）等类别。

重力式储能技术：重力储能是一种利用重物（如重力砖块）高度变化来储能/释能的新兴储能技术。其工作原理是储能时利用来自电网的多余能量来提升重物高度，产生重力势能；释能时通过发电机再将重物的重力势能转化为电能。重力储能技术具有选址灵活、长寿命、储能时间长、充放效率高（70%～90%）等优势，当前主要有山地式、铁轨式、塔吊式、竖井式、电梯式等多种形式的重力储能技术。

压缩空气式储能技术：压缩空气储能（CAES）是一种以压缩空气作为储能介质，储能时利用机械力（空气压缩机）将电能储存于压缩空气中，用能时再通过释放压缩空气来推动涡轮机（膨胀机）发电的机械储能技术。CAES具有储能容量大、储能时间长、系统寿命长、转动惯量支持、安全性能好、充放效率适中等特点，主要有非绝热压缩空气储能、绝热压缩空气储能、等温压缩空气储能等技术类别。

液态空气式储能技术：液态空气式储能技术（LAES）是一种利用液态空气（或液态氮气）作为储能介质和储能/释能工质的深冷储能技术，有时也被称为低温储能（CES），兼具机械式和热能式特点。储能时，利用低谷电来冷却空气，直到将空气低温液化，并将液态空气储存在储罐或其他密闭空间中；释能时，通过暴露于环境空气或利用工业过程中的废热，来将所存储的液态空气恢复到气态，并使用恢复气态后的高压空气来驱动空气透平机组做功发电。LAES具有储能密度大、易于维护、不受地理条件限制、充放效率适中等特点。

液态二氧化碳储能技术：液态二氧化碳储能技术是基于压缩空气储能和布雷顿循环、以二氧化碳作为储能介质的一种新型LDES机械储能技术，具有储能密度大、运行寿命长、系统设备紧凑、成本低等优势，具有较好的发展和应用前景。

●热能储能类

指通过加热或冷却储能介质（如水、岩石、熔融盐、氧化铝）来存储热能的储能系统。热能储能类LDES包括显热式、潜热式、热化学热式等储能技术。

显热式储热技术：显热式储热（SHS）指储热系统所采用的储热介质的温度随系统中热能的存储/释放而相应升高/降低，且储热介质不发生相变的储热技术。SHS技术原理简单，应用历史悠久，近几十年来得到了广泛发展，其总体技术成熟度在显热、潜热、热化学3类储热技术中最高。

潜热式储热技术：潜热式储热（LHS）指储热系统所采用的储热介质通过介质熔化/凝固、蒸发/冷凝、升华/凝华或在一定恒温条件下产生其它某种状态变化来存储/释放热能的储热技术。LHS主要是利用相变材料发生相变来蓄积或释放热能，因而有时也称为“相变储热”。LHS具有相变潜热大、蓄热密度高、储热温度恒定（储热、放热过程近似等温）、化学稳定性和安全性较好等特点，因而有助于保持储热装置几何结构紧凑，实现储热装置的小型化。

热化学式储热技术：热化学式储热技术指储热系统利用储热介质发生可逆的化学吸附或化学反应进行热量的存储/释放的储热技术。热化学储热是一种新兴技术，其发展潜力巨大。与显热和潜热技术相比，热化学储热系统有着更高的储能密度、更长的储能持续时长且储热整个过程几乎无热量损失，并还可调节其温度水平以适应不同储热/放热场景，满足变温储热的要求。

●电化学式储能类

指以电化学形式储存电能的储能技术。电化学式储能类LDES包括液流电池、金属阳极电池、混合液流电池、混合阴极电池等技术类别。

液流电池的正极和负极电解液是分别装在两个储罐并用离子交换膜（或离子隔膜）分隔，电池充/放电是通过循环泵使离子从一侧储罐穿过膜转移到另一侧储罐来实现的。与常规电池的基本区别是，常规电池将能量存储在电极材料中，而液流电池则主要将能量存储在电解液中。液流电池有全钒氧化还原液流电池（VRB）、锌-溴（Zn-Br）液流电池、溴-多硫化物液流电池、 铁铬(Fe-Cr)液流电池、锌-氯液流电池等。其中，VRB是最成熟、最常见的液流电池之一。金属阳极电池等是一种新兴技术，可利用如铝、铁、镁、锌等廉价且丰富的正电金属与空气中的氧气进行电化学作用来发电。正在研发或商业初期应用的有锂-空气、锌-空气等类型。

●化学储能类

指通过如氢、甲烷、合成气（CO+H2）和氨等化学品的生产，将电能转换为化学能的储能系统。这些生成的化学品随后可以作为燃料等介质来发电。

实现“双碳”目标，能源须从以化石燃料为主的传统能源体系向以无碳排放的新能源（如风、光）为主体的新型能源体系转型。由于风光等新能源无法如化石燃料般灵活满足用能需求，故新型能源体系需要一种新的方式来满足能源供给灵活性和可靠性的需求。长持续时间储能（LDES）将是在未来去碳电力系统中提供这种灵活性和可靠性的关键。

长持续时间储能，对于清洁能源高效利用，推进能源、工业、建筑、交通等各领域清洁低碳转型、应对极端天气、解决绿色-经济-可靠性能源不可能三角难题起着至关重要的作用，是保障能源安全、推动能源绿色低碳转型，建设新型电力系统和新型能源体系，构建能源强国的利器和重要抓手。

为此，我国也应尽早在长持续时间储能方面出台战略规划，在分析各种长持续时间储能技术路线的现状、资源、需求、前景等基础上，制订相应的近期、中期、远期发展目标和实施路线图，在政策、市场、研发、工业体系、投融资、教育培训等多方面全面布局，持续按照我国已形成的重大技术研发、重大装备研制、重大示范工程、科技创新平台“四位一体”能源科技创新体系，按照集中攻关一批、示范试验一批、应用推广一批“三个一批”路径，推动我国长持续时间储能产业取得重要进展，以在大国竞争的战略必争领域——长持续时间储能的科技及应用方面处于领先地位，从而确保“双碳”目标的如期必成。