一、儲能系統分類
現有的(de)儲(chu)(chu)(chu)能(neng)系統(tong)主要分為五(wu)類:機(ji)(ji)械儲(chu)(chu)(chu)能(neng)、電(dian)氣儲(chu)(chu)(chu)能(neng)、電(dian)化(hua)學儲(chu)(chu)(chu)能(neng)、熱儲(chu)(chu)(chu)能(neng)和化(hua)學儲(chu)(chu)(chu)能(neng)。目前世界占比(bi)最高的(de)是(shi)抽水蓄(xu)能(neng),其(qi)(qi)總裝(zhuang)機(ji)(ji)容量規模達(da)到了127GW,占總儲(chu)(chu)(chu)能(neng)容量的(de)99%,其(qi)(qi)次是(shi)壓縮空氣儲(chu)(chu)(chu)能(neng),總裝(zhuang)機(ji)(ji)容量為440MW,排(pai)名第三(san)的(de)是(shi)鈉硫(liu)電(dian)池,總容量規模為316MW。
二、各種儲能系統優缺點對比
1、機械儲能
機械儲(chu)能主要包括抽水蓄能、壓縮空(kong)氣儲(chu)能和(he)飛(fei)輪儲(chu)能等。
(1)抽(chou)水蓄(xu)能(neng):將電網(wang)低谷(gu)時(shi)(shi)利用過剩電力(li)作為(wei)液態能(neng)量媒體的(de)(de)水從地勢低的(de)(de)水庫抽(chou)到地勢高(gao)的(de)(de)水庫,電網(wang)峰荷時(shi)(shi)高(gao)地勢水庫中的(de)(de)水回(hui)流到下(xia)水庫推動水輪機發電機發電,效(xiao)率一般(ban)為(wei)75%左(zuo)右(you),俗稱進4出3,具有日調節能(neng)力(li),用于調峰和備用。
不(bu)足之處:選(xuan)址困難,及其依(yi)賴地勢;投(tou)資周(zhou)期較大(da),損(sun)耗較高,包括抽蓄損(sun)耗+線路損(sun)耗;現階(jie)段也(ye)受中(zhong)國電(dian)價政(zheng)策的制約,去(qu)年中(zhong)國80%以(yi)上的抽蓄都曬太陽,去(qu)年八月發改(gai)委出了個關于抽蓄電(dian)價的政(zheng)策,以(yi)后可(ke)能會好些,但肯定不(bu)是儲能的發展趨勢。
(2)壓(ya)(ya)縮空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)儲能(CAES):壓(ya)(ya)縮空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)蓄能是利用電(dian)力系(xi)統(tong)負荷低谷時的剩(sheng)余(yu)電(dian)量,由電(dian)動(dong)機(ji)帶動(dong)空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)縮機(ji),將(jiang)空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓(ya)(ya)入(ru)作(zuo)為儲氣(qi)(qi)(qi)(qi)室的密(mi)閉大容量地下洞穴(xue),當(dang)系(xi)統(tong)發電(dian)量不足(zu)時,將(jiang)壓(ya)(ya)縮空(kong)氣(qi)(qi)(qi)(qi)經換熱器與油或天然氣(qi)(qi)(qi)(qi)混合(he)燃(ran)燒,導(dao)入(ru)燃(ran)氣(qi)(qi)(qi)(qi)輪機(ji)作(zuo)功發電(dian)。國外研究較多(duo),技術成熟,我國開(kai)始稍晚,好像盧強院士對這方面研究比(bi)較多(duo),什么冷電(dian)聯產(chan)之類的。
壓縮空(kong)氣儲也(ye)有調(diao)峰(feng)功能,適合(he)用于大規(gui)模(mo)風場,因為風能產生的機械功可以直(zhi)接驅動壓縮機旋轉,減少了中(zhong)間轉換成電(dian)的環節,從而提(ti)高效率(lv)。
不足之(zhi)處:一(yi)(yi)大缺陷在(zai)(zai)于(yu)效率較低(di)(di)。原因在(zai)(zai)于(yu)空(kong)(kong)氣(qi)(qi)受到壓縮(suo)時溫度會(hui)升高,空(kong)(kong)氣(qi)(qi)釋(shi)放(fang)膨脹(zhang)的(de)過程(cheng)中(zhong)溫度會(hui)降低(di)(di)。在(zai)(zai)壓縮(suo)空(kong)(kong)氣(qi)(qi)過程(cheng)中(zhong)一(yi)(yi)部分能量(liang)以熱(re)能的(de)形(xing)式散失(shi),在(zai)(zai)膨脹(zhang)之(zhi)前就(jiu)必(bi)須(xu)要(yao)重新加(jia)熱(re)。通常以天然氣(qi)(qi)作(zuo)為(wei)加(jia)熱(re)空(kong)(kong)氣(qi)(qi)的(de)熱(re)源,這就(jiu)導致蓄能效率降低(di)(di)。還(huan)有可以想(xiang)到的(de)不足就(jiu)是需要(yao)大型儲氣(qi)(qi)裝(zhuang)置(zhi)、一(yi)(yi)定的(de)地質條件和依賴(lai)燃(ran)燒化石燃(ran)料(liao)。
(3)飛(fei)(fei)輪(lun)(lun)儲能(neng):是利用高速旋轉的(de)(de)飛(fei)(fei)輪(lun)(lun)將(jiang)能(neng)量以動能(neng)的(de)(de)形式儲存(cun)起(qi)來。需(xu)要能(neng)量時(shi),飛(fei)(fei)輪(lun)(lun)減速運行,將(jiang)存(cun)儲的(de)(de)能(neng)量釋(shi)放出來。飛(fei)(fei)輪(lun)(lun)儲能(neng)其中(zhong)的(de)(de)單項技(ji)術(shu)國內基本(ben)都有了(但和(he)國外差距(ju)在10年以上(shang)),難(nan)點在于根據(ju)不同(tong)的(de)(de)用途(tu)開發不同(tong)功能(neng)的(de)(de)新(xin)產品,因此飛(fei)(fei)輪(lun)(lun)儲能(neng)電源是一種(zhong)高技(ji)術(shu)產品但原始(shi)創新(xin)性并不足,這使得它較難(nan)獲得國家的(de)(de)科研經費支持(chi)。
不足之處:能量(liang)密度不夠(gou)高(gao)(gao)、自(zi)(zi)放電(dian)率高(gao)(gao),如(ru)停(ting)止充電(dian),能量(liang)在幾(ji)到幾(ji)十個(ge)小時內就會自(zi)(zi)行耗盡。只適合(he)于一些(xie)細分市場,比如(ru)高(gao)(gao)品質不間(jian)斷電(dian)源等。
2、電氣儲能
(1)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)(rong)(rong)器(qi)(qi)儲能(neng):用(yong)活性炭多孔電(dian)極(ji)和電(dian)解質(zhi)組成的(de)(de)(de)(de)雙電(dian)層結構獲得超(chao)大的(de)(de)(de)(de)電(dian)容(rong)(rong)(rong)量(liang)。與利(li)用(yong)化學反應的(de)(de)(de)(de)蓄電(dian)池不同,超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)(rong)(rong)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)充放電(dian)過程始終是(shi)(shi)物理過程。充電(dian)時(shi)間短、使用(yong)壽命長、溫(wen)度特性好、節約能(neng)源和綠色(se)環保。超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)(rong)(rong)沒有太(tai)復雜的(de)(de)(de)(de)東西,就是(shi)(shi)電(dian)容(rong)(rong)(rong)充電(dian),其余就是(shi)(shi)材料(liao)的(de)(de)(de)(de)問題,目前研究(jiu)的(de)(de)(de)(de)方向是(shi)(shi)能(neng)否做到面積很小,電(dian)容(rong)(rong)(rong)更(geng)大。超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)(rong)(rong)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)發展還是(shi)(shi)很快(kuai)的(de)(de)(de)(de),目前石墨烯(xi)材料(liao)為基(ji)礎的(de)(de)(de)(de)新型超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)(rong)(rong)器(qi)(qi),非(fei)常火。
Tesla首席執(zhi)行官ElonMusk早在2011年就表示,傳統電動汽車的電池(chi)已經過時,未(wei)來以(yi)超級電容(rong)器(qi)為動力系統的新(xin)型(xing)汽車將取而代之。
不足(zu)之處:和電池相比,其(qi)能量密度導(dao)致同(tong)等重量下儲(chu)能量相對較低,直接導(dao)致的(de)就是續航能力差,依賴(lai)于(yu)新材料的(de)誕生(sheng),比如石墨(mo)烯。
(2)超(chao)導(dao)(dao)(dao)儲(chu)(chu)能(neng)(SMES):利(li)用超(chao)導(dao)(dao)(dao)體的電(dian)阻為零特(te)性制成(cheng)的儲(chu)(chu)存(cun)電(dian)能(neng)的裝置。超(chao)導(dao)(dao)(dao)儲(chu)(chu)能(neng)系(xi)(xi)統大(da)致包括(kuo)超(chao)導(dao)(dao)(dao)線圈、低(di)溫(wen)系(xi)(xi)統、功率調(diao)節(jie)系(xi)(xi)統和監控(kong)系(xi)(xi)統4大(da)部分(fen)。超(chao)導(dao)(dao)(dao)材料(liao)技術開發是(shi)超(chao)導(dao)(dao)(dao)儲(chu)(chu)能(neng)技術的重(zhong)中之重(zhong)。超(chao)導(dao)(dao)(dao)材料(liao)大(da)致可(ke)分(fen)為低(di)溫(wen)超(chao)導(dao)(dao)(dao)材料(liao)、高(gao)溫(wen)超(chao)導(dao)(dao)(dao)材料(liao)和室溫(wen)超(chao)導(dao)(dao)(dao)材料(liao)。
不(bu)足(zu)之處:超導儲能的(de)(de)成本很高(材料(liao)和低(di)溫制冷系統),使得它的(de)(de)應用(yong)受到(dao)很大限制。可靠性(xing)和經(jing)濟性(xing)的(de)(de)制約,商業化應用(yong)還比較遠。
3、電化學儲能
(1)鉛(qian)酸(suan)電(dian)池:是一種電(dian)極(ji)主要(yao)由鉛(qian)及其氧化物制成,電(dian)解(jie)液(ye)(ye)是硫酸(suan)溶液(ye)(ye)的(de)蓄電(dian)池。目(mu)前(qian)在世(shi)界上應用廣泛(fan),循環壽命可(ke)達1000次(ci)左右,效率能(neng)達到80%-90%,性價比高(gao),常用于電(dian)力系統的(de)事故電(dian)源或備(bei)用電(dian)源。
不足之處(chu):如果深度、快(kuai)速大功率放電(dian)(dian)時,可用容量會下降。其(qi)特點是能(neng)量密度低,壽(shou)命短。鉛(qian)酸電(dian)(dian)池(chi)(chi)今年通(tong)過將(jiang)具(ju)有超級活性的炭(tan)材料添加到(dao)鉛(qian)酸電(dian)(dian)池(chi)(chi)的負極板(ban)上,將(jiang)其(qi)循(xun)環壽(shou)命提高很多。
(2)鋰離子電(dian)池(chi):是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料(liao)、使用(yong)非水電(dian)解質(zhi)溶(rong)液的(de)(de)電(dian)池(chi)。主要應(ying)用(yong)于(yu)便攜式的(de)(de)移動設備中(zhong),其(qi)效率可(ke)(ke)達(da)95%以上,放(fang)電(dian)時(shi)間可(ke)(ke)達(da)數小時(shi),循環(huan)次數可(ke)(ke)達(da)5000次或更多,響應(ying)快速,是電(dian)池(chi)中(zhong)能量最高的(de)(de)實用(yong)性電(dian)池(chi),目前來說(shuo)用(yong)的(de)(de)最多。近年來技術也(ye)(ye)在不斷(duan)進行升級,正負極材料(liao)也(ye)(ye)有多種(zhong)應(ying)用(yong)。
市場上主(zhu)流的動(dong)力鋰(li)(li)電(dian)池(chi)分為三大(da)類(lei):鈷酸(suan)鋰(li)(li)電(dian)池(chi)、錳(meng)酸(suan)鋰(li)(li)電(dian)池(chi)和磷(lin)酸(suan)鐵鋰(li)(li)電(dian)池(chi)。前(qian)者(zhe)能量密度高,但是安全性稍差,后者(zhe)相反,國內電(dian)動(dong)汽車比如比亞(ya)迪,目前(qian)大(da)多采用磷(lin)酸(suan)鐵鋰(li)(li)電(dian)池(chi)。但是好像老外(wai)都(dou)在(zai)玩三元鋰(li)(li)電(dian)池(chi)和磷(lin)酸(suan)鐵鋰(li)(li)電(dian)池(chi)?
鋰(li)硫電(dian)池也很(hen)火,是以硫元素(su)作(zuo)為正極(ji)、金屬(shu)鋰(li)作(zuo)為負極(ji)的(de)一種(zhong)電(dian)池,其理(li)論(lun)比能量密度可(ke)達(da)2600wh/kg,實際(ji)能量密度可(ke)達(da)450wh/kg。但如何大幅提高該電(dian)池的(de)充放電(dian)循環(huan)壽命、使用安全性也是很(hen)大的(de)問題。
不足(zu)之處:存在價格(ge)高(4元/wh)、過(guo)充導致發熱(re)、燃燒等(deng)安全性問題,需要進行充電保護。
(3)鈉(na)硫電(dian)(dian)(dian)池:是一種以金屬(shu)鈉(na)為負極、硫為正(zheng)極、陶(tao)瓷管為電(dian)(dian)(dian)解質(zhi)隔膜的二次(ci)電(dian)(dian)(dian)池。循(xun)環(huan)周期可達到4500次(ci),放(fang)電(dian)(dian)(dian)時(shi)間(jian)6-7小時(shi),周期往(wang)返效率(lv)75%,能量密度高,響(xiang)應時(shi)間(jian)快。目前在日(ri)本、德國(guo)(guo)、法國(guo)(guo)、美國(guo)(guo)等(deng)地已建有200多處此類儲能電(dian)(dian)(dian)站,主要用于負荷調平,移峰(feng)和改善電(dian)(dian)(dian)能質(zhi)量。
不(bu)足(zu)之處:因為使用液態鈉,運行于高溫(wen)下,容易燃燒。而且萬一電網沒電了,還需要柴油發(fa)電機幫(bang)助維持高溫(wen),或(huo)者幫(bang)助滿足(zu)電池降溫(wen)的(de)條件。
(4)液流(liu)電(dian)(dian)池:利用(yong)正負(fu)極電(dian)(dian)解液分開,各(ge)自循環(huan)的一種高性(xing)能蓄電(dian)(dian)池。電(dian)(dian)池的功率和能量是不相關的,儲存的能量取決于儲存罐(guan)的大小,因(yin)而(er)可(ke)(ke)以(yi)儲存長達數小時至(zhi)數天的能量,容(rong)量可(ke)(ke)達MW級(ji)。這(zhe)個電(dian)(dian)池有多(duo)個體(ti)(ti)系,如鐵鉻(ge)體(ti)(ti)系,鋅溴(xiu)體(ti)(ti)系、多(duo)硫(liu)化鈉溴(xiu)體(ti)(ti)系以(yi)及全釩(fan)體(ti)(ti)系,其中釩(fan)電(dian)(dian)池最(zui)火吧(ba)。
不足之(zhi)處:電(dian)池體積(ji)太(tai)大;電(dian)池對(dui)環境溫度要求太(tai)高;價格貴(這(zhe)個可能是(shi)短(duan)期現象(xiang)吧);系(xi)統復(fu)雜(又是(shi)泵又是(shi)管路什么的,這(zhe)不像鋰電(dian)等非液流電(dian)池那么簡(jian)單(dan))。
電池(chi)儲(chu)能都存在或多或少(shao)的環保問題。
4、熱儲能
熱(re)儲(chu)(chu)(chu)能:熱(re)儲(chu)(chu)(chu)能系統(tong)中,熱(re)能被儲(chu)(chu)(chu)存在隔(ge)熱(re)容器的(de)媒(mei)介(jie)中,需要的(de)時候(hou)轉化回電(dian)能,也可直接利用而不再(zai)轉化回電(dian)能。熱(re)儲(chu)(chu)(chu)能又分為顯熱(re)儲(chu)(chu)(chu)能和潛熱(re)儲(chu)(chu)(chu)能。熱(re)儲(chu)(chu)(chu)能儲(chu)(chu)(chu)存的(de)熱(re)量可以很(hen)大,所以可利用在可再(zai)生能源發電(dian)上(shang)。
不(bu)足之(zhi)處:熱儲能要各種高(gao)溫化學熱工質,用用場合比較受限。
5、化學類儲能
化(hua)學(xue)類(lei)儲能:利(li)用(yong)(yong)氫或合成(cheng)天然(ran)氣作為二(er)次(ci)能源(yuan)的(de)載(zai)體,利(li)用(yong)(yong)多余的(de)電(dian)(dian)制氫,可(ke)(ke)以直接用(yong)(yong)氫作為能量的(de)載(zai)體,也可(ke)(ke)以將(jiang)其(qi)與二(er)氧化(hua)碳反應(ying)成(cheng)為合成(cheng)天然(ran)氣(甲(jia)烷),氫或者合成(cheng)天然(ran)氣除(chu)了可(ke)(ke)用(yong)(yong)于(yu)發電(dian)(dian)外,還有其(qi)他利(li)用(yong)(yong)方(fang)式如交(jiao)通(tong)等。德國熱衷于(yu)推動此(ci)技術,并有示范項目投(tou)入運行。
不足之處:全周期效率(lv)較低,制(zhi)氫效率(lv)僅40%,合(he)成天然氣的(de)效率(lv)不到35%。
引用(yong)前人的(de)總結:
PHS-抽水蓄能;CAES-壓(ya)縮空(kong)氣(qi);Lead-Acid:鉛酸電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi);NiCd:鎳鎘電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi);NaS:鈉硫電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi);ZEBRA:鎳氯電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi);Li-ion:鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi);Fuelcell:燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi);Metal-air:金屬(shu)空(kong)氣(qi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi);VRB:液(ye)流(liu)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi);ZnbBr:液(ye)流(liu)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi);PSB:液(ye)流(liu)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi);SolarFuel:太(tai)陽(yang)能燃料電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi);SMES:超導(dao)儲能;Flywheel:飛輪;Capacitor/Supercapcitor:電(dian)(dian)(dian)容/超級電(dian)(dian)(dian)容;AL-TES:水/冰儲熱/冷系(xi)統(tong);CES:低溫(wen)儲能系(xi)統(tong);HT-TES:儲熱系(xi)統(tong)。
總體來說(shuo),目前研究發展主要還是(shi)集(ji)中于超級電(dian)容和(he)電(dian)池(鋰電(dian)池、液流電(dian)池)上。材料領(ling)域的突破才是(shi)關鍵。