儲能技術展望——新型儲能技術進展及應用分析

　　0 引言

　　能源是人類發(fā)展與社會進步的動力，為實現(xiàn)高質量的社會主義現(xiàn)代化國家，推動碳達峰碳中和，我國能源產(chǎn)業(yè)也將綠色低碳轉型作為高質量發(fā)展的戰(zhàn)略性任務[1-4]。其中，儲能是在此背景下催生出的新興行業(yè)。目前，我國儲能行業(yè)處于由商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展的過渡階段，在技術研發(fā)、示范項目、商業(yè)模式、政策體系等方面均快速發(fā)展，形成了以抽水蓄能為主，多種儲能技術綜合發(fā)展的整體趨勢[5-8]。

　　國內(nèi)外專家學者對現(xiàn)階段全球儲能技術的進展及應用情況進行了總結與分析。Koohi-Fayegh[9]對不同儲能技術進行了比較，分析了不同儲能技術應用場景和領域。Hameer[10]對大規(guī)模電能儲存技術的研究進展進行了概述，并進行了技術經(jīng)濟評估。Rekioua[11]從功率、能源要求、效率、成本、可擴展性和耐用性等角度對光伏和風能系統(tǒng)的儲能技術進行了概述。薛福[12]對現(xiàn)有儲能技術的類型和發(fā)展狀況進行全面分析和總結，著重分析了不同儲能技術的特點及差異性，并對其應用場景及經(jīng)濟性做了綜合比較。陳海生等[13]通過對基礎研究、關鍵技術和集成示范三方面的回顧和分析，總結了2022年中國儲能領域的主要技術進展，也針對抽水蓄能、電化學儲能、壓縮空氣儲能等具體儲能類型的技術也系統(tǒng)且全面地概述了其在行業(yè)內(nèi)的研究及進展情況。

　　然而，目前的綜述往往受限于發(fā)展階段及特定行業(yè)的限制，同時沒有結合我國目前的實際發(fā)展情況進行分析。對目前儲能技術的類型、儲能技術研究進展情況、儲能技術特點等方面進行全面審查、融合分析，有助于更好地了解不同新型儲能技術的發(fā)展前景。因此，本文對現(xiàn)階段我國儲能技術的發(fā)展情況進行了梳理，總結概況國內(nèi)的儲能基礎研究重點，對不同儲能方式的技術特點進行對比分析。最后總結了2023年我國儲能技術發(fā)展規(guī)模。通過本文的總結，可更加直觀了解我國儲能行業(yè)發(fā)展情況，為我國儲能技術的科學研究及相關從業(yè)者提供參考。

　　1 新型儲能技術分類

　　儲能是指利用裝置或物理介質將能量儲存，其目的是滿足能量短缺時的需求。現(xiàn)階段普遍將儲能按照方式分為：機械儲能、電化學儲能、電磁儲能、儲熱技術、氫儲能技術等，如圖1所示。

圖1 新型儲能技術分類
Fig.1 Classification of new energy storage technologies

　　2 國內(nèi)外儲能技術發(fā)展概況

　　2.1國內(nèi)儲能技術發(fā)展概況

　　隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出，我國儲能已經(jīng)進入快速發(fā)展階段。據(jù)CNESA最新公布數(shù)據(jù)，截至2023年6月底，中國已投運電力儲能項目累計裝機規(guī)模70.2GW(包括抽水蓄能、熔融鹽儲熱和其他新型儲能)。其中，新型儲能占比30%，鋰離子電池依然是新型儲能中占比最高的類型。我國的儲能技術發(fā)展經(jīng)歷了四個階段。第一階段從2000年至2010年以電化學儲能技術為重點開展了一系列研究;第二階段2011年至2015年，相應技術規(guī)范已逐漸趨于成熟，并開展了廣泛的市場試驗;第三階段2016年至2020年相關儲能技術進入早期的商業(yè)化發(fā)展階段;第四階段從2020年至2025年，我國儲能進入大規(guī)模商業(yè)化階段。

　　此外，我國的儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出區(qū)域性特點，不同地域以自身地理資源為優(yōu)勢，大力發(fā)展儲能技術。華北地區(qū)風電資源豐富，西南地區(qū)水利資源豐富，儲能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出地域性多元化的快速發(fā)展趨勢。目前，我國儲能技術呈現(xiàn)出以電化學電池、抽水蓄能為主，壓縮空氣儲能及飛輪儲能為輔的飛速發(fā)展階段。

　　2.2國外儲能技術發(fā)展概況

　　截至2023年，國外儲能產(chǎn)業(yè)相關政策逐步落地，全球整體發(fā)展高速增長。根據(jù)EIA統(tǒng)計，美國2023年儲能裝機約4.6GW，同比增長約21%，同時政府為解決電網(wǎng)設施老舊問題，推出改革措施簡化手段，有助于推動儲能項目開展。

　　歐洲市場能源不斷轉型，英國、意大利以及德國新增多個儲能項目。英國計劃將19個電化學儲能項目并網(wǎng)時間平均提前于原先協(xié)議時間四年推動項目加速。歐盟對多個國家地區(qū)發(fā)布儲能資金補助，以加快項目規(guī)劃建設進度。

　　此外，亞非拉等發(fā)展中國家近年裝機持續(xù)增長。根據(jù)IRENA數(shù)據(jù)，2019-2022年非洲光伏與風電裝機的復合年增長率(Compound Annual Growth Rate，CAGR)分別從9.63%增長至11.61%，東南亞國家分別從36.16%增長至52.18%

　　3 新型儲能技術進展情況

　　3.1 抽水蓄能

　　抽水蓄能(PHES)是一種資源驅動型技術，通過使用電能將低處的水體通過管道輸送到更高的蓄水池，以水力勢能的形式儲存電能。在發(fā)電盈余時，用多余電能將水從下水庫抽至上水庫進行蓄能，在用電高峰時釋放水體進而增加發(fā)電量。PHES系統(tǒng)的綜合能效在75–85%之間變化，通常容量大小為1000–1500 MW 。 PHES系統(tǒng)的其他優(yōu)點是資產(chǎn)壽命長，即50至100年，以及運行和維護成本低。PHES系統(tǒng)的一些缺點是機組尺寸大、資本成本高和地形限制，即兩個水庫之間的可用高差和環(huán)境高差。目前，抽水蓄能以變速機組關鍵技術、高水頭大容量機組監(jiān)測與控制技術，以及抽水蓄能與可再生能源聯(lián)合控制技術等方面為發(fā)展方向。

　　在變速機組關鍵技術方面，李璟延[14]提出了一種新型抽水蓄能電站，融合了變速機組技術、電化學儲能系統(tǒng)、風能、太陽能等新能源儲能系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)技術。陳龍翔等[15]提出了交流 勵磁變 速發(fā)電電動機、水泵水輪機、變頻器等核心裝備的研制框架和重點。陳驍[16]等推導了變速機組輸出功率對系統(tǒng)減速面積的靈敏度。韓璋[17]等提出了自適應反步滑?？刂?ABSMC)的變速抽蓄機組的調速系統(tǒng)。胡超[18]等采用特征線法建立了“引水兩洞四機、尾水四機一洞”的變-定速抽水蓄能機組水力過渡過程數(shù)學模型。肖微[19]等進行了自振特性分析。文獻[20-23]分別從數(shù)學模型分析、控制策略等方面優(yōu)化并改進變速機組相關技術。

　　在高水頭大容量機組監(jiān)測與控制技術方面，張飛[24]等研究了速度信號積分為位移信號的積分方法與濾波器參數(shù)設置。劉雪芹[25]等采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡深度學習識別模型，建立大型泵站機組運行狀態(tài)聲紋樣本庫和模型庫，構建泵站機組振動狀態(tài)的聲紋監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)大型泵站機組運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。趙衛(wèi)強[26]等通過對水泵水輪機機組振動特性曲線的趨勢分析，獲得了準確 地 評估指標及其趨勢以及異常值的識別。大部分文獻[27-32]對機組的振動特性開展了研究，并利用數(shù)學算法、深度學習等方法實現(xiàn)機組運行監(jiān)測與控制。

　　在可再生能源聯(lián)合控制技術方面，胡澤春[33]等以風電—抽水蓄能聯(lián)合運行的效益最大化為目標提出了電網(wǎng)消納風電 出力 的新模式。荊朝霞[34]等提出了考慮負荷響應的含風/光/抽水蓄能的海島微網(wǎng)優(yōu)化配置模型。梁子鵬[35]等建立了考慮風電不確定度的風-火-水-氣-核-抽水蓄能多類型電源機組協(xié)同調度的旋轉備用優(yōu)化模型。文瑤[36]等進行了廢棄礦山光伏-抽水蓄能電站可行性分析。

　　3.2 電化學儲能

　　電化學儲能(BES)電池使用化學反應將儲存的化學能轉化為電能實現(xiàn)電能的儲存。目前已成為較常見、最多樣的儲能技術，廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)、家庭。BES根據(jù)發(fā)展階段與技術路線不同，分為鋰離子電池、鈉離子電池、全釩液流電池和鋅溴液流電池四種類型。其中，鋰離子電池憑借其材料特性商業(yè)化最為成功。由于電化學儲能發(fā)展歷史悠久，相應的技術較多，本文僅簡單介紹鋰離子電池的技術研究進展。

　　在鋰離子電池研究主要分為：正負極材料改性研究[37,38]、功能電解質研究[39,40]、電池回收再生[41]、新型鋰電池技術[42-45]等方面。其中，新型鋰電池技術由于能量密度高、儲能量大、造價低等優(yōu)勢獲得廣泛關注。Park等[46]利用電子阻塞電池的直流極化技術系統(tǒng)分析了活性物質的形狀和組成對離子輸運特性的影響性。Wang等[47]設計了一種Zr(OH)4涂層的離子選擇隔膜，使NCA-Gr軟包電池具有穩(wěn)定的循環(huán)性能，可循環(huán)600次，解決了高溫跳水問題。Quinn等[48]認為在電解質添加劑形成有效的鈍化層來改善硅負極的循環(huán)穩(wěn)定性，可提高循環(huán)穩(wěn)定性。Cui等[49]使用激光處理可誘導聚偏氟乙烯黏結劑的部分分解和表面LiF相的形成，減輕了電極-電解質副反應。

　　3.3 壓縮空氣儲能

　　壓縮空氣儲能(CAES)是指將空氣壓縮儲存在地下洞室或廢棄礦井中。在電力富余時，利用電力驅動壓縮機，存儲于專用腔室內(nèi)，當電力緊缺時釋放腔室內(nèi)的高壓氣體進而帶動發(fā)電機運作。CAES技術因其運行效率高、成本相對低、系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點，現(xiàn)階段認為其有潛力成為大規(guī)模儲能技術之一。目前國內(nèi)在CAES系統(tǒng)總體特性研究、關鍵部件內(nèi)部流動與傳蓄熱研究、壓縮機和膨脹機關鍵技術等方面開展了大量的研究。

　　在系統(tǒng)總體特性方面，周檬[50]等采用改進粒子群算法對系統(tǒng)多個運行參數(shù)進行優(yōu)化。李姚旺[51]等提出了含AA-CAES電站的電力系統(tǒng)實時調度模型。鄢發(fā)齊[52]等提出了含CAES和多類型柔性負荷的電力系統(tǒng)多時間尺度電能-備用聯(lián)合優(yōu)化調度模型。楊緒青[53]等提出一種CH-CAES與吸收式熱泵循環(huán)(AHP)集成的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(CH-CAES-AHP)，以實現(xiàn)能量的梯級利用。Huang等[54]提出了一種變速壓縮空氣儲能系統(tǒng)，使儲電過程的工況范圍拓寬了49%，且儲/釋電過程的功率動態(tài)響應時間遠小于定速系統(tǒng)。耿曉倩等[55]建立了壓縮空氣儲能系統(tǒng)的全生命周期模型，獲得了系統(tǒng)的全生命周期能效及碳排放量。

　　在關鍵部件內(nèi)部流動與傳蓄熱技術研究上，劉禎等[56]研究了吸氣溫度對渦旋膨脹機性能的影響規(guī)律及工作腔流場分布特點。肖旻逾等[57]提出了一種功熱并儲恒壓絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)在輸入功率低于壓氣機啟動功率時，儲熱系統(tǒng)運行，從而實現(xiàn)儲能功率大范圍連續(xù)可調。劉小明等[58]進行了齒輪組裝式壓縮機在非補燃式壓縮空氣儲能項目中的應用試驗。鄭開云等[59]提出了一種耦合抽水蓄能的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，并從研究思路、概念方案和工程可行性進行分析。許永紅等[60]提出了氣動 馬達 并聯(lián)工作模式以提高壓縮空氣儲能系統(tǒng)的輸出功率、能量轉換效率和經(jīng)濟性。

　　在壓縮機和膨脹機關鍵技術方面，王君等[61,62]根據(jù)渦旋壓縮機的流體區(qū)域變化規(guī)律，提出一種結構化動網(wǎng)格的生成方法，實現(xiàn)了嚙合間隙處的網(wǎng)格加密。劉禎等[56]采用計算流體力學 ( CFD ) 的方法對渦旋膨脹機工作過程進行非定常數(shù)值模擬，得到膨脹機內(nèi)部溫度場、壓力場和速度場的分布。孫曉霞等[63]引入J型彎曲導葉，并采用三維計算流體動力學方法，對比研究進氣室非均勻流場影響下，該結構內(nèi)部流場結構、損失分布特點以及對軸流渦輪性能的提升效果。劉禎等[64]研究了相同排氣背壓下外膨脹比對渦旋膨脹機非穩(wěn)態(tài)性能的影響規(guī)律及工作腔流場結構分布。趙騰龍等[65]研究外接負載電阻對FPE-LG的運動特性、輸出性能和能量轉換效率的影響。虞啟輝等[66]以輸出功率和效率作為性能指標對活塞式膨脹機進行研究，分析了進氣壓力、間隙容積、進氣持續(xù)角對膨脹機輸出特性的影響。

　　3.4 儲熱技術

　　儲熱技術(TES)是指將熱量或“冷量”通過介質進行儲存，當環(huán)境溫度低于(高于)介質溫度時將熱量進行釋放。TES技術已廣泛運用于電力、工業(yè)、建筑等領域。儲熱方式包括三種：顯熱儲熱、相變儲熱及化學反應儲熱。目前的主要研究方向包括儲熱材料、儲熱單元、儲熱系統(tǒng)與控制技術等。

　　在儲熱材料方面，湯立文等[67]結合納米顆粒的特殊尺寸效應，把納米技術運用到相變儲熱材料的制備和改進中。毛建輝等[68]利用真空快速磁感應加熱爐制備Mg-Zn-Sn合金相變儲能材料。王燕等[69]制備了太陽鹽/鋼渣定型復合相變儲熱材料，復合材料結構緊密，化學相容性良好。文獻[70-72]研究了鋁基相變儲熱材料的制備及其特點。

　　在儲熱單元方面，張永學等[73]基于雪花晶體的分形結構，提出了一種新型翅片結構來提高填充了相變材料的潛熱儲存單元儲/放速率。李傳等[74]建立了復合材料和儲熱單元體內(nèi)部的二維傳熱模型，考察了復合材料物性和結構尺寸及傳熱流體操作條件 ( 流體流速 ) 對單元體儲熱性能的影響。韓廣順等[75]對管翅式相變儲熱單元進行了二維非穩(wěn)態(tài)模擬研究，對比研究了同心管翅、偏心管翅以及翅片接觸外管三種儲熱單元的傳熱特性。劉立君等[76]對偏心分形翅片管相變儲熱單元中石蠟的熔化展開了二維非穩(wěn)態(tài)模擬研究。

　　在儲熱系統(tǒng)與控制技術方面，國內(nèi)大部分研究均集中在不同的儲熱介質上，如：水蓄熱、固體蓄熱、太陽能系統(tǒng)等方面。此外也同時開展了系統(tǒng)條件、智能系統(tǒng)優(yōu)化、自動控制與集成系統(tǒng)等方面的研究工作。

　　3.5電磁儲能

　　超導磁儲能(SMES)是指通過大型超導線圈實現(xiàn)，使用液氦或氮氣將超導線圈保持低溫狀態(tài)，進而降低電阻，保存電能。SEMS的研究以系統(tǒng)線圈配置、能量容量、結構和工作溫度為基礎，近些年在負載均衡、系統(tǒng)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、頻率調節(jié)、傳輸能力增強、電能質量改善、自動發(fā)電控制和不間斷電源技術等方面的研究不斷深入。

　　在超導儲能線圈方面，張潤理等[77]利用熱測法實現(xiàn)對高溫超導YBCO線圈交流損耗的準確測量，并給出了高溫超導YBCO線圈的理論數(shù)值計算模型。丘明等[78]提出一種基于Matlab與COMSOL聯(lián)合進行高溫超導環(huán)形儲能磁體電磁優(yōu)化的設計方法。汪良等[79]提出一種應用于超導儲能的DC/DC變換器電路拓撲。

　　在功率調節(jié)系統(tǒng)方面，張智鑫等[80]設計了一種同時兼作并聯(lián)型有源電力濾波器和功率調節(jié)器的超導儲能控制器。姜惠蘭等[81]提出一種聯(lián)合雙饋風機與超導儲能協(xié)調控制改善電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的方法。陳孝元等[82]建立了軸向氣隙優(yōu)化型超導儲能磁體結構設計模型，初步形成了規(guī)模化超導儲能概念設計方案。彭思思等[83]分析氧化釔鋇銅高溫超導帶材在超導儲能裝置的應用情況。

　　4 新型儲能技術應用分析

　　如表1所示，為不同新型儲能技術的特點分析。

　　表1 不同新型儲能技術的特點

　　5 結論與展望

　　儲能技術是現(xiàn)階段我國能源行業(yè)發(fā)展的主推方向之一?？v觀2023年，我國儲能產(chǎn)業(yè)機遇與挑戰(zhàn)并存，一方面市場規(guī)模不斷壯大，新型儲能技術項目落地進展迅速。另一方面儲能行業(yè)產(chǎn)能相對過剩，行業(yè)成熟度還有待提高。

　　(1)電力儲能項目穩(wěn)態(tài)增長。

　　據(jù)CNESA DataLink全球儲能數(shù)據(jù)庫的不完全統(tǒng)計，截至2023年6月底，中國已投運電力儲能項目累計裝機規(guī)模70.2GW，同比增長44%，其中，抽水蓄能累計裝機首次低于80%。新型儲能繼續(xù)呈現(xiàn)高速發(fā)展的態(tài)勢，正在規(guī)劃、建設和運行的新型儲能項目達850個，遠超去年新增規(guī)模。

　　(2)新型儲能技術高速發(fā)展。

　　2023年我國新型儲能技術相關項目數(shù)量超2500個，同比增長46%。其中2023年功率規(guī)模達34.5GW，能量規(guī)模達74.4GWh。相比2022年功率規(guī)模增加21.5GW，能量規(guī)模增加46.6GWh。

　　(3)電化學儲能商業(yè)化市場不斷擴大。

　　2023年中國企業(yè)在全球市場的儲能鋰電池出貨量達206GWh，同比增長58%。全球儲能鋰電池出貨225GWh，同比增長50%。中國出貨量占全球總出貨量的91.5%。

　　綜上所述，現(xiàn)階段我國在儲能技術集成示范和產(chǎn)業(yè)化過程中成為世界上最活躍的國家。雖然抽水蓄能技術增幅不明顯，但我國未來的方向還是以抽水蓄能為主多種儲能技術并行的發(fā)展模式。此外，電化學儲能技術中鋰離子電池儲能技術因其成本低、安全性高、壽命長的特點是目前的主流方向。我國還正在不斷發(fā)展壓縮空氣儲能、超級電容器儲能、超導儲能等新型儲能技術。未來隨著產(chǎn)業(yè)政策的不斷完善、技術的不斷成熟，我國的“碳達峰、碳中和” 、 “可持續(xù)發(fā)展”等偉大目標將進一步實現(xiàn)。