在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，電化學(xué)儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱、氫儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等儲(chǔ)能技術(shù)或設(shè)備圍繞電力供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)、交通網(wǎng)、天然氣管網(wǎng)、供熱供冷網(wǎng)的“互聯(lián)”，儲(chǔ)能和能源轉(zhuǎn)換設(shè)備共同建立了多能源網(wǎng)絡(luò)的耦合關(guān)系。在未來的能源互聯(lián)網(wǎng)中，部分新能源發(fā)電將通過制氫、制熱等方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，或以電化學(xué)儲(chǔ)能等雙向電力儲(chǔ)能設(shè)備存儲(chǔ)并適時(shí)返回電網(wǎng)。在各電力儲(chǔ)能技術(shù)的支撐下，新能源發(fā)電與熱電聯(lián)供機(jī)組、燃料電池、熱泵等轉(zhuǎn)換設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了在新能源高效利用目標(biāo)下，以電能為核心的多能源生產(chǎn)和消費(fèi)的匹配。
隨著能源互聯(lián)網(wǎng)研究的逐漸推進(jìn)，其應(yīng)用的價(jià)值將不斷體現(xiàn)，應(yīng)用的范圍也將不斷擴(kuò)張，是能源互聯(lián)網(wǎng)中極具發(fā)展前景的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。
各種儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
儲(chǔ)能從技術(shù)原理上主要可分為適合能量型應(yīng)用的電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、熔融鹽蓄熱、氫儲(chǔ)能以及適合功率型短時(shí)應(yīng)用的飛輪、超導(dǎo)和超級電容器儲(chǔ)能等。
抽水蓄能是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，具有規(guī)模大、壽命長、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，目前效率可達(dá)70%左右，建設(shè)成本大致為3500￥/kW~4000￥/kW。缺點(diǎn)主要是電站建設(shè)受地理資源條件的限制，并涉及上、下水庫的庫區(qū)淹沒、水質(zhì)的變化以及庫區(qū)土壤鹽堿化等一系列環(huán)保問題。
鈉硫電池具有能量密度大，無自放電，原材料鈉、硫易得等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)主要是倍率性能差、成本高，以及高溫運(yùn)行存在安全隱患等。未來發(fā)展趨勢主要是提高倍率性能、進(jìn)一步降低制造成本、提高長期運(yùn)行的可靠性和系統(tǒng)安全性。
目前主要的液流電池體系有：多硫化鈉/溴、全釩、鋅/溴、鐵/鉻等體系，其中全釩體系發(fā)展比較成熟，已建成多個(gè)MW級工程示范項(xiàng)目，具有壽命長、功率和容量可獨(dú)立設(shè)計(jì)、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)主要是效率和能量密度低、運(yùn)行環(huán)境溫度窗口窄。發(fā)展趨勢主要是選用高選擇性、低滲透性的離子膜和高導(dǎo)電率的電極提升效率，提高工作電流密度和電解質(zhì)的利用率以解決高成本問題等。
鉛碳電池是在傳統(tǒng)鉛酸電池的鉛負(fù)極中以“內(nèi)并”或“內(nèi)混”的形式引入，具有電容特性的碳材料而形成的新型儲(chǔ)能裝置。相比傳統(tǒng)鉛酸電池具有倍率高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)。但是碳材料的加入易產(chǎn)生負(fù)極易析氫、電池易失水等問題，發(fā)展趨勢主要是進(jìn)一步提高電池比能量密度和循環(huán)壽命，同時(shí)開發(fā)廉價(jià)、高性能的碳材料。
鋰離子電池的材料種類豐富多樣，其中適合作正極的材料有錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰；適合作負(fù)極的材料有石墨、硬(軟)碳和鈦酸鋰等。鋰離子電池的主要優(yōu)點(diǎn)是：儲(chǔ)能密度和功率密度高，效率高，應(yīng)用范圍廣；關(guān)注度高，技術(shù)進(jìn)步快，發(fā)展?jié)摿Υ?。主要缺點(diǎn)是：采用有機(jī)電解液，存在安全隱患；壽命和成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)仍待提升。
近年來以美國和日本為代表的發(fā)達(dá)國家對儲(chǔ)能電池的發(fā)展路線進(jìn)行了探索，在實(shí)現(xiàn)電池的長壽命、低成本、高安全方面取得了一定的進(jìn)展。以零應(yīng)變材料為代表的長壽命電池材料、能夠擺脫鋰資源束縛的鈉系電池體系、基于固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)電池等是目前主要的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。
壓縮空氣儲(chǔ)能具有規(guī)模大、壽命長、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。目前傳統(tǒng)使用天然氣并利用地下洞穴的壓縮空氣儲(chǔ)能已經(jīng)比較成熟，效率可達(dá)70%。近年來，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了絕熱、液態(tài)和超臨界等多種新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，擺脫了對地理和資源條件的限制，但目前基本還處于技術(shù)突破或小規(guī)模示范階段，效率基本低于60%。發(fā)展趨勢主要是通過充分利用整個(gè)循環(huán)過程中的放熱、釋冷來提高整體效率，同時(shí)通過模塊化實(shí)現(xiàn)規(guī)模化。
熔融鹽蓄熱是利用熔融鹽使用溫區(qū)大、比熱容高、換熱性能好等特點(diǎn)，將熱量通過傳熱工質(zhì)和換熱器加熱熔融鹽存儲(chǔ)起來，需要利用熱量時(shí)再通過換熱器、傳熱工質(zhì)和動(dòng)力泵等設(shè)備，將儲(chǔ)存的熱量取出以供使用，目前已在太陽能熱發(fā)電中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)主要是規(guī)模大，可方便配合常規(guī)燃汽機(jī)使用等。但目前還存在成本高、效率和可靠性低等缺點(diǎn)，發(fā)展趨勢主要是突破工質(zhì)選擇和關(guān)鍵材料。
氫儲(chǔ)能是通過電解把水分解成氫氣和氧氣，實(shí)現(xiàn)電能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，被認(rèn)為是未來能源互聯(lián)網(wǎng)的重要支撐，日趨成為多個(gè)國家能源科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)支持的焦點(diǎn)。目前存在的問題主要是能量轉(zhuǎn)換效率低(總效率低于50%)、生產(chǎn)過程能耗大，需配套建立氫氣輸送管線、加氫站等相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。在氫儲(chǔ)能的各環(huán)節(jié)中，制氫的主要發(fā)展趨勢是減少能耗、降低成本、提高轉(zhuǎn)化效率，儲(chǔ)氫主要是發(fā)展新型高效的儲(chǔ)氫材料、提高儲(chǔ)氫容器的耐壓等級，輸氫主要是發(fā)展抗氫脆和滲透的輸氫管道材料及研究氫與天然氣混合輸送的技術(shù)、建設(shè)及完善相關(guān)配套設(shè)施，用氫主要是發(fā)展低成本的氣體重整技術(shù)、降低氫燃料電池的成本、提高性能穩(wěn)定性。
飛輪儲(chǔ)能具有功率密度高、使用壽命長和對環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)主要是儲(chǔ)能密度低和自放電率較高，目前主要適用于電能質(zhì)量改善、不間斷電源等應(yīng)用場合。
超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級電容器儲(chǔ)能在本質(zhì)上是以電磁場儲(chǔ)存能量，不存在能量形態(tài)的轉(zhuǎn)換過程，具有效率高、響應(yīng)速度快和循環(huán)使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，適合在提高電能質(zhì)量等場合應(yīng)用。超導(dǎo)儲(chǔ)能的缺點(diǎn)是需要低溫制冷系統(tǒng)、系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜、成本較高等。超級電容器在大規(guī)模應(yīng)用中面臨的主要問題是能量密度低，其發(fā)展趨勢主要是開發(fā)高性能電極及電解液關(guān)鍵材料技術(shù)，以提高儲(chǔ)能密度、降低成本。
我國儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向
儲(chǔ)能是“第三次工業(yè)革命”中很重要的一環(huán)，中國要重視儲(chǔ)能這一戰(zhàn)略性前沿技術(shù)的開發(fā)，搶占這一新興產(chǎn)業(yè)的科技制高點(diǎn)。
作為學(xué)科交叉性強(qiáng)、技術(shù)環(huán)節(jié)多、產(chǎn)業(yè)鏈較長的具有戰(zhàn)略意義的前沿技術(shù)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，相應(yīng)的技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展也宜分階段實(shí)施。近期(2016年-2017年)以電化學(xué)儲(chǔ)能為主要攻關(guān)方向，重點(diǎn)開展在國外已取得技術(shù)突破并有重大應(yīng)用前景的鈦酸鋰和鉛炭電池研究和應(yīng)用示范。中期(2018年-2020年)以新型長壽命、低成本的鋰離子和鉛碳兩種電池儲(chǔ)能及深冷壓縮空氣儲(chǔ)能為主攻方向，同時(shí)開展容量高溫蓄熱和高效氫儲(chǔ)能的前期探索研究。遠(yuǎn)期(2021年-2030年)重點(diǎn)突破全固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)、大規(guī)模深冷液化壓縮空氣儲(chǔ)能和配套高效蓄熱的工程化技術(shù)、大規(guī)模高效氫儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)。
預(yù)期通過10年~15年持續(xù)的科研攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，最終全面掌握針對儲(chǔ)能應(yīng)用的高安全性全固態(tài)電池的量產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料技術(shù)的原創(chuàng)突破，液化壓縮空氣儲(chǔ)能效率突破60%，形成涵蓋儲(chǔ)能基礎(chǔ)研究、試制、規(guī)?；a(chǎn)的全產(chǎn)業(yè)鏈體系，帶動(dòng)新材料、新能源、高端裝備等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的互動(dòng)、健康、可持續(xù)發(fā)展。
