一、儲能系統分類
現有(you)的儲(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)系(xi)統(tong)主要分為五類:機械儲(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)、電氣儲(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)、電化(hua)學儲(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)、熱(re)儲(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)和化(hua)學儲(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)。目前(qian)世界占比最高的是抽水蓄能(neng)(neng)(neng),其總裝(zhuang)機容(rong)量(liang)(liang)規模達(da)到(dao)了127GW,占總儲(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)容(rong)量(liang)(liang)的99%,其次(ci)是壓縮(suo)空氣儲(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng),總裝(zhuang)機容(rong)量(liang)(liang)為440MW,排(pai)名第三的是鈉硫電池,總容(rong)量(liang)(liang)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(neng)主要(yao)包(bao)括抽水蓄(xu)能(neng)、壓縮空氣儲(chu)能(neng)和飛輪(lun)儲(chu)能(neng)等。
(1)抽水(shui)(shui)(shui)蓄(xu)能(neng):將電(dian)網低(di)谷(gu)時利用(yong)過剩電(dian)力(li)作為液態(tai)能(neng)量媒(mei)體的水(shui)(shui)(shui)從地勢(shi)(shi)低(di)的水(shui)(shui)(shui)庫(ku)抽到地勢(shi)(shi)高的水(shui)(shui)(shui)庫(ku),電(dian)網峰荷(he)時高地勢(shi)(shi)水(shui)(shui)(shui)庫(ku)中的水(shui)(shui)(shui)回流到下水(shui)(shui)(shui)庫(ku)推動(dong)水(shui)(shui)(shui)輪機發(fa)電(dian)機發(fa)電(dian),效(xiao)率(lv)一般為75%左(zuo)右,俗稱進4出3,具有(you)日(ri)調節能(neng)力(li),用(yong)于(yu)調峰和備用(yong)。
不(bu)(bu)足之(zhi)處:選(xuan)址困(kun)難,及(ji)其依賴地勢;投資周期較大,損耗(hao)較高,包括抽(chou)蓄(xu)(xu)損耗(hao)+線路損耗(hao);現階段(duan)也受中國電價(jia)政策的(de)制(zhi)約,去(qu)年中國80%以上的(de)抽(chou)蓄(xu)(xu)都曬太(tai)陽(yang),去(qu)年八月發(fa)改(gai)委出了個關于抽(chou)蓄(xu)(xu)電價(jia)的(de)政策,以后可能(neng)會好些,但(dan)肯定不(bu)(bu)是儲能(neng)的(de)發(fa)展(zhan)趨勢。
(2)壓(ya)縮(suo)(suo)空(kong)氣(qi)儲能(neng)(CAES):壓(ya)縮(suo)(suo)空(kong)氣(qi)蓄能(neng)是利用電(dian)(dian)力系統(tong)負荷低(di)谷時的(de)剩(sheng)余(yu)電(dian)(dian)量(liang),由電(dian)(dian)動機帶(dai)動空(kong)氣(qi)壓(ya)縮(suo)(suo)機,將空(kong)氣(qi)壓(ya)入作為儲氣(qi)室的(de)密閉(bi)大容量(liang)地(di)下洞(dong)穴(xue),當系統(tong)發(fa)電(dian)(dian)量(liang)不足時,將壓(ya)縮(suo)(suo)空(kong)氣(qi)經換熱(re)器(qi)與油或天然氣(qi)混合燃燒,導入燃氣(qi)輪機作功發(fa)電(dian)(dian)。國外研(yan)究較多,技術成熟(shu),我國開始稍(shao)晚,好像盧強院(yuan)士對(dui)這方面(mian)研(yan)究比(bi)較多,什(shen)么冷電(dian)(dian)聯產之類(lei)的(de)。
壓(ya)縮(suo)空氣儲(chu)也有調峰功(gong)能(neng)(neng),適(shi)合用于大規模風(feng)場,因為風(feng)能(neng)(neng)產生的機(ji)械(xie)功(gong)可以(yi)直接驅動(dong)壓(ya)縮(suo)機(ji)旋轉,減少(shao)了中間轉換成(cheng)電的環節,從而提高效率(lv)。
不足之處:一(yi)大缺(que)陷在(zai)于(yu)效率較低。原因在(zai)于(yu)空氣(qi)(qi)(qi)受到(dao)壓(ya)縮時溫度(du)會升高(gao),空氣(qi)(qi)(qi)釋放膨脹的過(guo)程(cheng)中溫度(du)會降低。在(zai)壓(ya)縮空氣(qi)(qi)(qi)過(guo)程(cheng)中一(yi)部分能(neng)量以(yi)熱(re)能(neng)的形(xing)式散失,在(zai)膨脹之前就必須(xu)要重新加(jia)熱(re)。通常以(yi)天然氣(qi)(qi)(qi)作為加(jia)熱(re)空氣(qi)(qi)(qi)的熱(re)源,這就導致蓄能(neng)效率降低。還有可以(yi)想到(dao)的不足就是需要大型儲(chu)氣(qi)(qi)(qi)裝置、一(yi)定的地質條件和(he)依賴燃燒(shao)化石燃料。
(3)飛輪(lun)(lun)儲(chu)能(neng):是利用高(gao)速(su)(su)旋轉(zhuan)的(de)(de)(de)飛輪(lun)(lun)將(jiang)能(neng)量(liang)以動能(neng)的(de)(de)(de)形式(shi)儲(chu)存(cun)起來。需要能(neng)量(liang)時(shi),飛輪(lun)(lun)減速(su)(su)運(yun)行(xing),將(jiang)存(cun)儲(chu)的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)釋放出(chu)來。飛輪(lun)(lun)儲(chu)能(neng)其中的(de)(de)(de)單項(xiang)技術(shu)國(guo)內基本都有了(但和國(guo)外差距在10年(nian)以上),難點在于根據不同的(de)(de)(de)用途開發(fa)不同功能(neng)的(de)(de)(de)新產品,因此飛輪(lun)(lun)儲(chu)能(neng)電源是一種高(gao)技術(shu)產品但原(yuan)始創新性(xing)并不足(zu),這(zhe)使(shi)得(de)它較難獲得(de)國(guo)家的(de)(de)(de)科研(yan)經費支持。
不足(zu)之處(chu):能量密度(du)不夠(gou)高、自(zi)放(fang)電率高,如(ru)停止充(chong)電,能量在(zai)幾(ji)到幾(ji)十個(ge)小時內就會自(zi)行耗盡。只適合于一(yi)些細分市場,比如(ru)高品質不間斷電源等。
2、電氣儲能
(1)超(chao)級電(dian)容(rong)器儲能:用活性(xing)炭(tan)多孔電(dian)極(ji)和(he)電(dian)解質(zhi)組成的(de)(de)(de)雙(shuang)電(dian)層(ceng)結構獲得超(chao)大的(de)(de)(de)電(dian)容(rong)量。與利(li)用化學反應的(de)(de)(de)蓄電(dian)池不同,超(chao)級電(dian)容(rong)器的(de)(de)(de)充(chong)放電(dian)過程(cheng)始終(zhong)是(shi)物理過程(cheng)。充(chong)電(dian)時間短(duan)、使用壽命(ming)長、溫度特性(xing)好、節約能源(yuan)和(he)綠色環保。超(chao)級電(dian)容(rong)沒有太復雜(za)的(de)(de)(de)東(dong)西,就是(shi)電(dian)容(rong)充(chong)電(dian),其余就是(shi)材料的(de)(de)(de)問題,目(mu)(mu)前研究的(de)(de)(de)方向是(shi)能否做(zuo)到(dao)面積(ji)很小(xiao),電(dian)容(rong)更(geng)大。超(chao)級電(dian)容(rong)器的(de)(de)(de)發展還是(shi)很快的(de)(de)(de),目(mu)(mu)前石墨烯材料為基(ji)礎(chu)的(de)(de)(de)新型超(chao)級電(dian)容(rong)器,非常(chang)火。
Tesla首席執行官ElonMusk早(zao)在(zai)2011年就(jiu)表示(shi),傳統電(dian)動汽車的電(dian)池(chi)已經過(guo)時,未來以超(chao)級電(dian)容器為動力系統的新型汽車將(jiang)取而代之。
不足之(zhi)處:和電池相比,其能量密(mi)度導(dao)致(zhi)同等(deng)重量下儲能量相對較(jiao)低,直接(jie)導(dao)致(zhi)的就是續(xu)航能力差(cha),依賴于新(xin)材(cai)料的誕生,比如石墨(mo)烯(xi)。
(2)超(chao)導(dao)(dao)儲(chu)(chu)能(neng)(SMES):利用(yong)超(chao)導(dao)(dao)體的電阻為零特性(xing)制(zhi)成(cheng)的儲(chu)(chu)存電能(neng)的裝(zhuang)置。超(chao)導(dao)(dao)儲(chu)(chu)能(neng)系統(tong)大(da)(da)致包括超(chao)導(dao)(dao)線圈、低溫系統(tong)、功率調節系統(tong)和監控系統(tong)4大(da)(da)部分。超(chao)導(dao)(dao)材(cai)料(liao)(liao)(liao)技(ji)術開發是超(chao)導(dao)(dao)儲(chu)(chu)能(neng)技(ji)術的重中之重。超(chao)導(dao)(dao)材(cai)料(liao)(liao)(liao)大(da)(da)致可分為低溫超(chao)導(dao)(dao)材(cai)料(liao)(liao)(liao)、高溫超(chao)導(dao)(dao)材(cai)料(liao)(liao)(liao)和室溫超(chao)導(dao)(dao)材(cai)料(liao)(liao)(liao)。
不(bu)足之處:超導儲能的成本很高(材料和(he)低溫制(zhi)冷系(xi)統),使得它(ta)的應(ying)用(yong)受(shou)到(dao)很大限(xian)制(zhi)。可靠性和(he)經濟性的制(zhi)約,商(shang)業化應(ying)用(yong)還比較(jiao)遠。
3、電化學儲能
(1)鉛酸電(dian)池:是一種電(dian)極(ji)主(zhu)要(yao)由鉛及其氧(yang)化物制成(cheng),電(dian)解液(ye)是硫酸溶(rong)液(ye)的蓄電(dian)池。目前在世界(jie)上應用(yong)廣(guang)泛,循環壽命(ming)可達1000次左右(you),效率能達到80%-90%,性價(jia)比高,常用(yong)于電(dian)力系統的事(shi)故電(dian)源或(huo)備用(yong)電(dian)源。
不足之處:如果(guo)深度、快速大(da)功率放(fang)電時(shi),可用容量(liang)會下降。其特點是(shi)能量(liang)密度低,壽命(ming)短。鉛(qian)酸電池今年通(tong)過將具有超級活(huo)性的炭材料添(tian)加到(dao)鉛(qian)酸電池的負極(ji)板上,將其循環壽命(ming)提(ti)高很多。
(2)鋰離子電池(chi)(chi):是一類由鋰金(jin)屬或鋰合(he)金(jin)為負極材(cai)料(liao)、使用(yong)(yong)(yong)非水電解質溶(rong)液的電池(chi)(chi)。主要應(ying)用(yong)(yong)(yong)于(yu)便攜(xie)式的移動設(she)備中(zhong),其效率可(ke)達(da)(da)95%以(yi)上(shang),放電時(shi)間可(ke)達(da)(da)數小時(shi),循環(huan)次(ci)數可(ke)達(da)(da)5000次(ci)或更多,響應(ying)快速,是電池(chi)(chi)中(zhong)能量最高的實用(yong)(yong)(yong)性電池(chi)(chi),目前來(lai)(lai)說用(yong)(yong)(yong)的最多。近年來(lai)(lai)技術也在不斷進行升級,正負極材(cai)料(liao)也有(you)多種應(ying)用(yong)(yong)(yong)。
市場上主流(liu)的動力鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)分為(wei)三大(da)類:鈷酸鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)、錳酸鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)和(he)磷酸鐵鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)。前者(zhe)能(neng)量密度高,但是安全性(xing)稍(shao)差,后者(zhe)相反,國內電(dian)(dian)(dian)(dian)動汽(qi)車比如(ru)比亞迪,目前大(da)多采用磷酸鐵鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)。但是好(hao)像老外(wai)都(dou)在玩三元鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)和(he)磷酸鐵鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)?
鋰(li)硫電池也(ye)很火(huo),是以(yi)硫元(yuan)素作為正極(ji)、金(jin)屬鋰(li)作為負極(ji)的一種電池,其理論(lun)比能(neng)(neng)量密(mi)度可達(da)2600wh/kg,實際能(neng)(neng)量密(mi)度可達(da)450wh/kg。但如何大(da)幅提高該電池的充放電循環壽命、使(shi)用安全(quan)性也(ye)是很大(da)的問題。
不足(zu)之處:存在價格(ge)高(4元/wh)、過(guo)充導致發熱、燃燒等(deng)安(an)全性問題,需要進(jin)行(xing)充電保護。
(3)鈉(na)硫電(dian)池(chi):是一種以(yi)金(jin)屬鈉(na)為負(fu)極、硫為正極、陶瓷管為電(dian)解質隔膜的(de)二次電(dian)池(chi)。循環周期可達到4500次,放電(dian)時(shi)(shi)間6-7小時(shi)(shi),周期往返效率75%,能量密度高(gao),響(xiang)應時(shi)(shi)間快。目前在日本、德國(guo)、法國(guo)、美(mei)國(guo)等地(di)已建(jian)有200多處此類(lei)儲能電(dian)站,主(zhu)要用于負(fu)荷調(diao)平,移峰和改善電(dian)能質量。
不(bu)足之(zhi)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(huan)需(xu)要柴油發電機幫助維持高溫(wen),或者幫助滿足電池(chi)降(jiang)溫(wen)的條件。
(4)液(ye)流電(dian)(dian)池(chi)(chi):利(li)用(yong)正負(fu)極(ji)電(dian)(dian)解液(ye)分開,各自循環的(de)(de)一種高性能(neng)蓄(xu)電(dian)(dian)池(chi)(chi)。電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)功率和能(neng)量(liang)是不相關的(de)(de),儲(chu)存(cun)的(de)(de)能(neng)量(liang)取決(jue)于(yu)儲(chu)存(cun)罐的(de)(de)大小(xiao),因而可以儲(chu)存(cun)長達(da)數小(xiao)時至數天的(de)(de)能(neng)量(liang),容(rong)量(liang)可達(da)MW級。這個電(dian)(dian)池(chi)(chi)有多個體(ti)系,如鐵鉻體(ti)系,鋅溴體(ti)系、多硫化鈉溴體(ti)系以及全釩(fan)體(ti)系,其中(zhong)釩(fan)電(dian)(dian)池(chi)(chi)最火吧(ba)。
不(bu)足之處:電(dian)池(chi)體積太大;電(dian)池(chi)對環境溫度要求太高;價格(ge)貴(這個可(ke)能是(shi)短期現象吧);系統(tong)復(fu)雜(又是(shi)泵又是(shi)管路什么的,這不(bu)像鋰電(dian)等非液(ye)流電(dian)池(chi)那么簡單)。
電池儲能(neng)都存(cun)在或多或少的環保(bao)問題。
4、熱儲能
熱(re)(re)(re)(re)儲(chu)(chu)能(neng):熱(re)(re)(re)(re)儲(chu)(chu)能(neng)系(xi)統中(zhong),熱(re)(re)(re)(re)能(neng)被儲(chu)(chu)存(cun)在(zai)隔熱(re)(re)(re)(re)容(rong)器(qi)的(de)媒介中(zhong),需要的(de)時(shi)候轉化回電能(neng),也(ye)可(ke)直(zhi)接利(li)用(yong)而不再(zai)轉化回電能(neng)。熱(re)(re)(re)(re)儲(chu)(chu)能(neng)又分為(wei)顯(xian)熱(re)(re)(re)(re)儲(chu)(chu)能(neng)和潛(qian)熱(re)(re)(re)(re)儲(chu)(chu)能(neng)。熱(re)(re)(re)(re)儲(chu)(chu)能(neng)儲(chu)(chu)存(cun)的(de)熱(re)(re)(re)(re)量可(ke)以(yi)(yi)很大,所以(yi)(yi)可(ke)利(li)用(yong)在(zai)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源發電上。
不足之處:熱(re)(re)儲(chu)能(neng)要(yao)各種高溫化學熱(re)(re)工質,用用場合比較(jiao)受限。
5、化學類儲能
化學(xue)類儲能(neng):利(li)用氫或(huo)合(he)成(cheng)天然氣(qi)作為二次能(neng)源的(de)載體,利(li)用多余(yu)的(de)電制氫,可(ke)以直(zhi)接用氫作為能(neng)量(liang)的(de)載體,也可(ke)以將其與二氧化碳反(fan)應成(cheng)為合(he)成(cheng)天然氣(qi)(甲烷),氫或(huo)者(zhe)合(he)成(cheng)天然氣(qi)除了可(ke)用于發電外,還有(you)其他(ta)利(li)用方式(shi)如(ru)交(jiao)通等。德國熱(re)衷于推動此技術(shu),并有(you)示(shi)范項目投入運(yun)行。
不(bu)足之處:全(quan)周期效(xiao)率(lv)較(jiao)低,制氫效(xiao)率(lv)僅40%,合成(cheng)天然氣的效(xiao)率(lv)不(bu)到35%。
引(yin)用前人(ren)的總結:
PHS-抽水蓄能(neng);CAES-壓(ya)縮空(kong)氣;Lead-Acid:鉛酸電(dian)池(chi);NiCd:鎳鎘電(dian)池(chi);NaS:鈉硫電(dian)池(chi);ZEBRA:鎳氯電(dian)池(chi);Li-ion:鋰電(dian)池(chi);Fuelcell:燃料電(dian)池(chi);Metal-air:金(jin)屬空(kong)氣電(dian)池(chi);VRB:液(ye)流(liu)(liu)(liu)電(dian)池(chi);ZnbBr:液(ye)流(liu)(liu)(liu)電(dian)池(chi);PSB:液(ye)流(liu)(liu)(liu)電(dian)池(chi);SolarFuel:太陽能(neng)燃料電(dian)池(chi);SMES:超導(dao)儲能(neng);Flywheel:飛輪;Capacitor/Supercapcitor:電(dian)容/超級電(dian)容;AL-TES:水/冰儲熱(re)/冷系統;CES:低溫(wen)儲能(neng)系統;HT-TES:儲熱(re)系統。
總體來說(shuo),目前研(yan)究發展主(zhu)要(yao)還是集(ji)中于超級電(dian)(dian)容和電(dian)(dian)池(chi)(chi)(鋰電(dian)(dian)池(chi)(chi)、液流電(dian)(dian)池(chi)(chi))上。材料領域的突破才是關鍵。