儲能技術商業化應用探討

宋丹丹馬憲國

1.上海市能效中心 2.上海理工大學

0 概述

隨著我國社會發展，能源與環境問題日益突出。能源互聯網能夠提高能源利用效率，促進清潔能源利用，降低國內經濟發展對傳統化石能源的依賴程度，從根本上改變我國的能源生產和消費模式，從而有效解決我國能源消費與經濟發展之間的矛盾以及能源安全問題。儲能是提升傳統電力系統靈活性、經濟性和安全性的重要手段，是推動能源消費由化石能源向可再生能源更替的關鍵技術，也是構建能源互聯網、推動電力體制改革和促進能源新業態發展的核心基礎。大規模電力儲能作為能源互聯網建設中的重要支撐環節，具有削峰填谷、平滑電網波動以及消納清潔能源等重要作用。

2014年11月，國務院辦公廳印發《能源發展戰略行動計劃（2014-2020）》明確提出：“提高可再生能源利用水平，加快電源與電網的統籌規劃，科學安排調峰調頻、儲能配套能力，切實解決棄風、棄光問題”。首次將發展儲能技術列入國家發展戰略規劃。

2017年10月，國家發展改革委、國家能源局等五部門聯合印發《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》，明確了未來十年中國儲能產業發展的目標和任務?！吨笇б庖姟分赋?，儲能是智能電網、可再生能源高占比能源系統、互聯網+智慧能源（簡稱能源互聯網）的重要組成部分和關鍵支撐技術。

在全球能源互聯網戰略需求下，大規模電力儲能作為國家確定的戰略性新興產業，在提高新能源接入、削峰填谷和電能質量補償等應用領域潛在市場容量巨大。近年來，我國儲能呈現多元發展的良好態勢，總體上已經初步具備了產業化的基礎。目前，國內一些地方已經在電網側建成儲能示范項目，并已投入運行。

1 儲能技術路線

現階段，電力儲能技術主要包括抽水蓄能、電化學儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能等類型。抽水蓄能電站具有啟動靈活、爬坡速度快和低谷儲能的特點，在削峰填谷和提高新能源接入等領域應用比較廣泛，是目前商業化運行的主流儲能類型，但其存在建設周期較長、受地形制約、環境破壞等問題。壓縮空氣儲能成本較低、壽命長，安全系數高，與抽水蓄能類似，也會受地形制約，建設周期也較長，還會帶來一定的生態問題。其它諸如飛輪儲能、超導儲能等新型儲能技術目前還處于示范應用階段。相比其它類型儲能技術，電化學儲能系統具有選址靈活、建設周期短、功率容量靈活可控、響應速度快、易規?；忍攸c，在電力儲能領域應用前景廣闊。

電化學儲能主要是通過氧化還原化學反應進行能量的存儲和釋放，這類儲能技術運用非常廣泛。電化學儲能系統主要包括電化學儲能單元、儲能單元管理系統、儲能雙向變流器、就地監控系統、儲能電站監控系統等幾部分組成。監控系統采用層次化的監控架構，實現對電化學儲能系統的智能化監測、控制和保護功能。雙向變流器是電化學儲能單元與電網之間實現電能轉換的聯系紐帶，以實現儲能系統與電網的柔性連接。同時雙向變流器采集電網信息，參與電網的電壓/無功控制，實現防孤島保護或作為應急電源使用。

本文主要介紹電化學儲能技術中的三種儲能技術：鉛酸/碳電池、磷酸鐵鋰電池和全釩液流電池儲能技術。

電化學儲能系統組成如圖1所示。

圖1 電化學儲能系統組成示意圖

1.1 鉛酸/碳電池

鉛酸電池是比較成熟的蓄電技術，是世界上應用最廣泛的電池之一。鉛酸電池內的陽極（PbO2）及陰極（Pb）浸到電解液（稀硫酸）中，兩極間會產生2V的電勢（鉛酸電池的原理）。鉛酸電池具有價格低廉、安全性相對可靠的優點。但存在循環壽命短、不可深度放電、運行和維護費用高等缺點。

鉛碳電池的技術由傳統的鉛酸電池演化而來，它是在鉛酸電池的負極中加入活性碳，能夠顯著提高鉛酸電池的壽命。鉛碳電池較鉛酸電池在使用壽命、循環次數、系統效率和放電深度等方面均有較明顯的提升，同時鉛碳電池具有成本較低、安全性較好和可再生回收率高等優勢。

1.2 鋰離子電池

鋰離子電池分為液態鋰離子電池（LIB）和聚合物鋰離子電池（PLB）。其中，液態鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負極的二次電池。電池正極采用鋰化合物LiCoO2或LiMn2O4等，負極采用鋰-碳層間化合物。

鋰離子電池的主要優點是儲能密度高、儲能效率高、循環壽命長等。鋰離子電池技術近年來發展迅速，成本不斷降低。但鋰離子電池的價格依然偏高，且鋰離子電池有時會因過分充電而導致發熱、燃燒等安全問題。

1.3 液流電池

液流電池是電池的正負極或某一極活性物質為液態流體氧化還原電的一種電池。根據活性物質不同，研究較多的液流電池有鋅溴電池、多硫化鈉/溴電池及全釩液流電池三種。其中全釩液流電池被認為是最具應用前景的液流儲能電池技術。

全釩液流儲能電池具有循環壽命長（大于16000次）、蓄電容量大、能量轉換效率高、選址自由、可深度放電、系統設計靈活、安全環保、維護費用低等優點，在輸出功率為若干KW至數10MW，儲能容量若干小時以上級的規?；潭▋δ軋龊?，液流電池儲能具有明顯的優勢，是大規模高效儲能的首選技術之一。

1.4 不同儲能技術比較

目前比較成熟的電儲能電池包括鉛碳電池、鋰離子電池和液流電池等。衡量各種儲能技術的關鍵指標包括：循環壽命、儲能效率、最大儲能容量、能量密度、功率密度、響應時間、建設和運行維護成本、技術成熟度等。不同儲能技術選型主要取決于循環壽命、效率、規?；?、成本和安全性等因素。各種儲能電池技術性能比較如表1所示。

2 儲能應用領域

隨著可再生能源的普及、分布式發電及微電網、電動汽車產業、智能電網建設及調頻輔助服務的發展，各種儲能技術都面臨巨大挑戰和前所未有的發展機遇，儲能應用前景廣闊。目前，我國儲能商業化應用的領域主要有：可再生能源發電，用戶側、電網側、電源側和輔助服務領域?！巴顿Y+運營”已成為現階段國內推進儲能項目開發的主要模式。

表1 不同儲能技術性能參數表

2.1 可再生能源發電

在集中式可再生能源發電領域，儲能已被驗證的應用主要包括：解決棄風/棄光、跟蹤計劃出力、平滑輸出和參與調峰調頻輔助服務。在此領域，儲能系統的大容量、大規模建設和應用是重點，因此對儲能的成本、壽命、安全性的要求都很高。但這一模式的投資收益問題還沒有得到解決。在歐美一些國家，配套的儲能會從電網得到補償，而我國目前還沒有形成這種模式，電網不給補償。部分地區參照抽水蓄能的兩部制補償，即通過容量電價和電量電價對參與輔助調峰的儲能企業給予補償。

2.2 用戶側領域

安裝于工商業用戶端或是園區的儲能系統是我國用戶側儲能的主要應用形式，主要服務于電費管理，幫助用戶降低需量電費和電量電費。在這些領域，儲能既可以與光伏系統聯合使用，也可以獨立存在。通過峰谷電價差套利是最主要的盈利手段，根據不同地區的政策，需量電費管理和需求側管理是輔助盈利點。由于儲能系統成本有差異，各地區的峰谷電價差不同，因此項目的盈利空間也有差別。一般情況，當峰谷電價差大于0.75元/kWh時才有盈利的空間，以套利為盈利點的儲能項目靜態投資回收周期在7-9年不等。另一個盈利點是幫助用戶管理電費，削減用戶的高峰用電功率，從而達到削減需量電費的目的。從節省下來的電費中收取部分費用作為其自身收入。目前，儲能企業在經濟條件較好、峰谷電價差大的地區密集推進商業示范項目的開發。

2.3 電網側領域

江蘇、河南已有項目正在建設，部分省市正在積極規劃。該類儲能項目分為兩種情況：1）不考慮投資效益，一般由電網企業直接投資、租賃或其它帶資模式；2）考慮投資收益，由政府補貼或發電企業購買服務。第一種情況目前江蘇已經有項目正在實施。第二種情況涉及多方利益，需平衡各方利益，目前無相關政策，推進相對困難。

2.4 輔助服務領域

儲能系統聯合火電機組參與調頻服務的模式得到快速推廣應用。儲能系統與火電機組捆綁參與電網調頻輔助服務的商業示范項目取得了較好的應用效果。該類儲能接受電網調度進行調峰調頻服務時，其容量和效果都是至關重要的保障條件。這種模式的收益來源主要分享輔助服務收益。但由于調頻市場的整體規模不大，特別是采用類似“按效果付費”的調頻電價尚未在全國范圍推廣，儲能大規模參與輔助服務還需要政策的進一步支持。當前，我國正在逐步建立電儲能參與的調峰調頻輔助服務共享新機制，充分發揮電儲能技術在電力調峰調頻方面的優勢，電力儲能系統在獲得參與電網調峰調頻等輔助服務的同時，也能夠按照應用效果獲得應有的收益。

3 結論

我國儲能產業經過十多年的發展，正處于從示范應用向商業化發展過渡的重要階段。隨著我國能源變革、大規?？稍偕茉吹慕尤牒碗娏w制改革的進一步深化，都將給儲能產業創造巨大的市場商機。同時儲能技術已日趨成熟、儲能成本已大幅降低、儲能的盈利模式也逐步建立、儲能的價值也得到認同以及儲能補貼和補償政策逐步出臺，這些都為儲能未來的廣泛應用奠定了良好基礎。