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总结储能技术与应用概述

总结：

储能技术与应用概述2013

储能技术与应用概述

1储能意义

从广义上讲，储能即能量存储，是指通过一种介质或者设备，把一种能量形式用同一种或者转换成另一种能量形式存储起来，基于未来应用需要以特定能量形式释放出来的循环过程。

通常说的储能是指针对电能的存储，储能是指利用化学或者物理的方法将产生的能量存储起来并在需要时释放的一系列技术和措施。

储能主要应用于电力系统、电动汽车、轨道交通、UPS系统、电动工具、电子产品等。

随着电力系统、新能源发电（风能、太阳能等）、清洁能源动力汽车等行业的飞速发展，对储能技术尤其大规模储能技术提出了更高的要求，储能技术已成为该类产业发展不可或缺的关键环节。

特别是储能技术在电力系统中的应用将成为智能电网发展的一个必然趋势，是储能产业未来发展的重中之重。

储能产业的存在和发展，其意义在于：

a）储能是未来电网的一个必要组成部分；

b）储能的发展有利于促进可再生能源的大规模应用；

c）负荷调节，削峰填谷，提高电能质量，孤网运行，提高电网利用率，减少线损，增加线路和设备使用寿命节约能源；

d）提高突发事故的应对能力，保证电力系统安全运行；

e）推进新能源汽车等产业的发展，有利于节能环保。

储能的应用

2储能类型

储能的主要类型有物理储能、化学储能、电磁储能和相变储能。

主要技术简要对比如下：

储能类型

额定功率

反应时间

效率/%

应用方向

机械储能

抽水蓄能

100~2000MW

4~10h

60~70

能量管理，频率控制和系统备用

压缩空气蓄能

100~300MW

6~20h

40~50

调峰发电厂、系统备用电源

微压缩空气蓄能

10~50MW

1~40h

-

调峰

飞轮储能

5kW~5MW

15s~15min

70~80

调峰、频率控制、UPS/EPS、

电能质量控制

电磁储能

超导电磁

10kW~20MW

Ms~15min

80~95

输配电系统暂态稳定性、提高输电能力、电能质量管理、UPS

电容器

1~100kW

1s~1min

70~80

电能质量调节、输电系统稳定性

超级电容器

-

-

-

与柔性交流输电技术相结合

电化学储能

铅酸电池

1kW~50MW

1min~3h

60~70

电能质量控制、系统备用电源、黑启动、UPS/EPS

先进电池技术

如NaS、Li等

1kW~10MW

1min~数h

70~80

平滑负荷、备用电源

液体电池

10kW~100kW

1~20h

-

分布式、可再生能源系统稳定性、用户侧平滑负荷、备用电源

2.1主要的物理储能方式

2.1.1飞轮储能

飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机、发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。

谷值负荷时，飞轮储能系统由工频电网提供电能，带动飞轮高速旋转，以动能的形式储存能量，完成电能到机械能的转换;出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电，经功率变换器输出电流和电压，完成机械能到电能的转换。

优点是飞轮储能具有可快速充放电、循环次数多、使用寿命长、能量密度大。

缺点是飞轮储能具有较高的自损耗、长期储能效率偏低、并且由于储能容量提高困难，因此比较适合于放电工作时间在秒、分级别的场合。

2.1.2抽水储能

抽水储能广泛应用抽水储能利用下半夜过剩的电力驱动水泵，将水从下水库抽到上水库储存起来，然后在次日白天和前半夜将水放出发电，并流入下水库。

优点是技术成熟、低成本、循环水利用。

缺点是建设抽水储能需要特殊的地理条件，大型抽水电站通常在山区，远离风电场，距离的增加意味着输电损失的增加，效率仅有70%左右，建设期长达8~10年。

2.1.3压缩空气储能

压缩空气蓄能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电量，由电动机带动空气压缩机，将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴，即将不可储存的电能转化成可储存的压缩空气的气压势能并贮存于贮气室中。

当用电高峰期时将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入燃气轮机做功发电，满足系统调峰需要。

优点是技术成熟、储气库漏气开裂可能性极小、安全系数高、寿命长、响应速度快、容量大、成本低廉、减少排放。

缺点是压缩空气储能电站建设投资和发电成本均低于抽水储能电站，但其能量密度低，并受岩层等地形条件的限制。

2.2主要的化学储能方式

2.2.1铅酸电池

铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。

铅酸电池荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。

优点是无记忆效应、对环境污染少、成本较低。

缺点是循环寿命短、比能量小、质量重、体积大、自放电大。

2.2.2镍系电池

分为镍镉和镍氢。

镍镉电池的电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应，其主要作用是增强导电性。

负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。

活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板。

极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。

电解液通常用氢氧化钾溶液。

与其它电池相比，镍镉电池的自放电率（即电池不使用时失去电荷的速率）适中。

镍镉电池在使用过程中，如果放电不完全就又充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。

比如，放出80％电量后再充足电，该电池只能放出80％的电量。

这就是所谓的记忆效应。

当然，几次完整的放电/充电循环将使镍镉电池恢复正常工作。

由于镍镉电池的记忆效应，若未完全放电，应在充电前将每节电池放电至1V以下。

优点是成本低，自放电小。

缺点是循环寿命短、有较强的记忆效应、质量重、体积大、含有有害物质、对人体有害。

镍氢电池是有氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染，无记忆效应。

镍氢电池的缺点是价格镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。

优点是循环寿命长、比能量大、重量轻、体积小、无环境污染。

缺点是成本高、有记忆效应、自放电大。

2.2.3全钒液流电池

全钒液流电池是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。

全钒电池是以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子为正负极电极反应活性物质。

方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。

这个可逆的反应过程使钒电池顺利完成充电、放电和再充电。

优点是使用寿命长、充、放电性能好，支持过充/过放/深度放电、支持频繁充放电、维护成本低、运营成本低、系统响应快、环保、无污染、无噪音等。

缺点是体积相对较大，通常适合大容量存储。

2.2.4钠硫电池

钠硫电池是以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池，在一定的工作度下，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。

优点是原材料和制备成本低、能量和功率密度大、效率高、不受场地限制、维护方便。

缺点是制造成本高，安全性需提高，容易爆炸。

高温350ºC才能熔解硫和钠，因此需要附加供热设备来维持温度。

其工作温度在300～350℃，所以，电池工作时需要一定的加热保温。

而高温腐蚀严重，电池寿命较短。

2.2.5锂离子电池

锂离子电池是以含锂的化合物作正极，在充放电过程中，通过锂离子在电池正负极之间的往返脱出和嵌入实现充放电的一种二次电池。

锂离子电池实际上是锂离子的一种浓差电池，当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极，并嵌入到负极材料的微孔中；放电时，嵌在负极材料中的锂离子脱出，运动回正极。

优点：

高能量密度，超长寿命，使用安全，无记忆效应，体积小，重量轻，绿色环保开路电压高输出功率大低自放电工作温度范围宽：

可在-20℃～60℃之间正常工作。

充放电速度快。

缺点：

生产成本高，一次性投入多，配组后一致性和循环寿命不高，不能大电流放电，需要保护电路控制，磷酸铁锂电池低温性能差，电池存在一致性问题。

2.3主要的电磁储能方式

2.3.1超导储能

超导储能是将一个超导体圆环置于磁场中，降温至圆环材料的临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中便有感生电流产生，只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续下去。

试验表明，这种电流的衰减时间不低于10万年。

显然这是一种理想的储能装置，称为超导储能。

优点是功率大、体积轻、体积小、损耗小、反应快，维护简单、污染小。

缺点是失超时会出现过热，高压放电，应力过载。

2.3.2超级电容器储能

超级电容器，也称为双电层电容器，其中的电荷以静电方式存储在电极和电解质之间的双电层界面上，在整个充放电过程中，几乎不发生化学反应，因此产品循环寿命长、充放电速度快。

超级电容器主要采用具有高比表面积的碳材料作为电极，采用水系或有机系溶液作为电解液。

优点是功率密度高，充放电循环寿命长，充电时间短，实现高比功率和高比能量输出，储存寿命长，可靠性高，环境温度对正常使用影响不大，可以任意并联使用，对环境无污染。

缺点是如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路。

2.4相变储能

相变储能控温材料是指在其物相变化过程中，可以与外界环境进行能量交换（从外界环境吸收热量或者向外界环境放出热量），从而达到控制环境温度和能量利用的目的的材料。

主要包括有机、无机和混合等三种类型的相变材料。

与显热储能相比，相变储能控温具有储能密度高、体积小巧、温度控制恒定、节能效果显著、相变温度选择范围宽、易于控制等优点，在航空航天、太阳能利用、采暖和空调、供电系统优化、医学工程、军事工程、蓄热建筑和极端环境服装等众多领域具有重要的应用价值和广阔的前景。

2.5各种储能特性比较

以上储能方式各有特点，特性不同，适应不同的应用，下图给出了形象的说明：

各种储能技术详细的参数和应用如下表所示：

飞轮储能

抽水储能

压缩空气储能

阀控铅酸电池

镍系电池

全钒液流电池

磷酸铁锂电池

超导储能

超级电容器储能

应用规模等级

5kW～1.5MW

100～2000MW

100～300MW

1kW～50MW

kW级～MW级

100kW～100MW

kW级～MW级

10kW～1MW

1～100kW

应用类型

功率型

能量型

能量型

功率型

功率型

能量型

功率型

功率型

功率型

比较适合的应用场合

不间断电源、电网调峰和频率控制

调峰填谷、紧急事故备用、提供系统的备用容量

峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电系统备用

大规模削峰填谷、平抑可再生能源发电波动

电力系统削峰填谷平衡负荷

大规模削峰填谷、平抑可再生能源发电波动

可选择功率型或能量型，适用范围广泛

满足输配电网电压支撑、功率补偿、频率调节、提高系统稳定性和功率输送能力的要求

于短时间、大功率的负载平滑和电能质量高峰值功率场合

安全性

不可预期动量传递，防止转子爆炸可能性，安全轻型保护壳设计

地震、滑坡、暴风雨、泥石流、岩石风化、坝体开裂、热胀冷缩破裂等等都存在风险

储气库深埋于地下，比较稳定，温差变化小，储气库设置多道安全措施后，安全系数高

安全性可接受，但废旧铅酸蓄电池严重污染土壤和水源

安全性可接受，但有记忆效应

电池系统无潜在的爆炸或着火危险，安全性高

需要单体监控，安全性能已有较大突破

无

无

能量密度

80～120Wh/kg

无

无

30-50Wh/kg

75-150Wh/kg

80-130Wh/kg

120-150Wh/kg

2.7MJ/m3

12Wh/kg

倍率特性

0.1c-2c

无

无

0.1-1C

1-5C

1.5C

5-15C

无

无

转换效率

85%～95%

≈60%

<50%

>80%

>70%

>95%

≈90%

无

寿命

50000次

50年

40-50年

1000次

>1000次

>15000次

>2000次

20年

50~100万次

成本

630元/kWh

95元/kWh

32元/kWh

700元/kWh

300元/kWh

15000元/kWh

3000元/kWh

630元/kWh

20.6万元/kWh

资源和环保

对环境没有污染

需要考虑特殊的地理环境，特殊地质灾害的后果

储气装置一般放置在地下，环境影响小

资源丰富，存在一定的环境风险

镍氢电池无污染，镍镉电池属于碱性，对环境有污染

资源丰富，电解液不以铅和镉为主要反应物，对环境友好

资源丰富，环境友好

资源丰富，环境友好

不排放污染，热辐射低，噪音小

关注点

可快速充放电、循环次数多、能量密度大

技术成熟、低成本

技术成熟、容量大、成本低廉、减少排放

无记忆效应、成本较低一致性、寿命

镍氢电池循环寿命长、比能量大

可靠性、成熟性、成本

高能量密度、超长寿命、使用安全、一致性

功率大、体积轻、体积小、损耗小

功率密度高，循环寿命长，实现高比功率和高比能量输出

3应用情况

3.1国外

3.1.1抽水蓄能电站

日、美、西欧等国家和地区在20世纪60~70年代进入抽水蓄能电站建设的高峰期，到目前为止，美国和西欧经济发达国家抽水储能机组容量占世界抽水蓄能电站总装机容量55%以上，其中：

美国约占3%，日本超过10%；中国、韩国和泰国3个国家在建抽水蓄能电站17.53GW，加上日本的在建量达24.65GW。

近年国外投入运行的8大抽水蓄能电站：

电站

国家

装机容量/MW

投入年份

落基山

美国

760

1995

锡亚比舍

伊朗

1000

1996

奥清津Ⅱ

日本

600

1996

葛野川

日本

1600

1999

拉姆它昆

泰国

1000

2000

金谷

德国

1060

2003

神流川

日本

2820

2005

小丸川

日本

1200

2007

3.1.2压缩空气储能电站

世界上第一个商业化压缩空气储能（CAES）电站为1978年在德国建造的Huntdorf电站，装机容量为290MW，换能效率77%，运行至今，累计启动超过7000次，主要用于热备用和平滑负荷。

在美国，McIntosh电站装机容量为100MW，Norton电站装机容量为2.7GW，用于系统调峰；2005年由Ridge和EIPaso能源公司在Texas开始建造Markham电站，容量为540MW。

在日本，1998年施工建设北海道三井砂川矿坑储气库，2001年CAES运行，输出功率2MW。

在瑞士，ABB公司正在开发大容量联合循环CAES电站，输出功率442MW，运行时间为8h，贮气空洞采用水封方式。

此外，俄罗斯、法国、意大利、卢森堡、以色列等国也在长期致力于CAES的开发。

3.1.3飞轮储能

研发机构

基本参数

技术特点

作用

日本四个综合研究所

8MWh，储能放电各4h，待机16h

高温超导磁浮立时轴承，储效84%

平滑负荷

日本原子力研究所

215MW/8GJ

输出电压18kV,输出电流6896A，储效85%

UPS

美国Vista公司

277kWh

引入风力发电系统

全程调峰

美国马里兰大学（1991）

24kWh,

11610~46345rad/min

电磁悬浮轴承，输出恒压110V/240V，储效81%

电力调峰

美国波音公司

100kW/5kWh

高温超导磁浮轴承

电力调峰

德国（1996）

5MW/100MWh,

2250~4500rad/min

超导磁浮轴承，

储效96%

储能电站

欧洲UrencPower公司（2001）

转速42000rad/min

高强度碳纤维和玻璃纤维复合材料

UPS

巴西（2004）

额定转速3000rad/min

超导与永磁悬浮轴承

电压补偿

3.1.4超级电容储能

研发机构

基本参数

技术特点

作用

西门子公司

储量21MJ/5.7Wh,

最大功率1MW

4800支2600F/2.5V电容器组成，储效95%

地铁配电

美国TVA电力公司

200kW

用于大功率直流电机

启动支撑

3.1.5超导电磁储能

年份

应用地

基本参数

作用

1982

美国

30MJ/10MW

抑制系统低频振荡和支撑系统电压

1993

美国阿拉斯加电网

1.8GJ

提高电网供电可靠性

2000

美国威斯康辛某电网

6×3MJ/8MVA

避免电压凹陷和短路故障

2002

美国田纳西某电网

8×3MJ/8MW

维护输电网电压稳定

2002

日本Chubu公司

7.3MJ/5MW

提供瞬时电压补偿

2003

日本Chubu公司

1MJ,Bi-2212

提供瞬时电压跌落

2006

日本Hosoo电站

10MW

补偿瞬时电压跌落

2002

德国ACCEL

150KJ,

Bi-2223

用于20kVAUPS系统，与电网相连以提高电能质量，同时发挥有源电力滤波器作用

2001

韩国电力研究所

1MJ/300VA

有效维护系统稳定运行

2006

韩国电力研究所

3MJ/750kVA

提高敏感负荷的供电质量

3.1.6铅酸电池储能

铅酸电池储能系统在发电厂、变电站充当备用电源已使用多年，并在维持电力系统安全、稳定和可靠运行方面发挥了极其重要的作用：

铅酸电池系统

名称和位置

额定功率/容量

（MW/MWh）

功能

安装

时间

BEWAG,Berlin（德国）

8.5/8.5

热备用、频率控制

1986

Crescent,NorthCarolina

0.5/0.5

峰值调节

1987

Chino,California（美国）

10/40

热备用、平衡负荷

1988

PREPA,PuertoRico

（波多黎各）

20/14

热备用、频率控制

1994

Vernon,California（美国）

3/4.5

提高电能质量

1995

Metlakatla,Alaska（美国）

1/1.4

提高孤立电网

稳定性

1997

ESCAR,Madrid（西班牙）

1/4

平衡负荷

20世纪

90年代后期

Herne-Sodingen（德国）

1.2/1.2

削峰、

提高电能质量

20世纪

90年代后期

3.1.7钠硫电池系统

东京电力公司在钠硫电池系统研发方面处于国际领先地位，拥有较为成熟的商业化产品，1999年在大仁变电站设置6MW×8h系统，2004年7月又在Hitachi自动化系统工厂安装了目前世界上最大的钠硫电池系统，容量9.6MW/57.6MWh；钠硫电池系统在电力系统和负荷侧成功应用100余套，总容量超过100MW，其中近2/3用于平滑负荷。

2004年，在美国哥伦比亚空军基地安装了12MW/120MWh钠硫电池系统，充当备用电站。

3.1.8液流电池系统

20世纪90年代初，英国Innogy公司成功开发出5、20和100kW系列多硫化钠/溴液流储能电堆，并于2001年和2002年分别在英国和美国各建造了120MWh储能电站，用于电站调峰和UPS。

2001年，250kW/520kWh全钒液流电池在日本投入商业运营。

近十多年来，美国、日本、欧洲等国家相继将与风能/光伏发电相配套的全钒液流电池储能系统用于电站调峰：

地点

储能系统规模

功用

研发单位

时间

爱尔兰风电场

2MW×6h

风/储发电并网

加拿大VRB

PowerSystemsInc.

2006年8月

美国犹他州

250kW×8h

削峰填谷

2004年2月

澳洲金岛风场

200kW×8h

风/储/柴联合

2003年11月

丹麦

15kW×8h

风力/储能发电

2006年6月

南非

250kW/520kWh

应急备用

2002年

美国南卡罗来纳州

30/60kW×2h

备用电源

2005年10月

美国佛罗里达州

2×5kW×4h

光伏/储能发电

2007年7月

意大利

5kW×4h

电信备用电源

2006年4月

丹麦

5kW×4h

风力/光伏发电

2006年4月

加拿大

10kWh

偏远地区供电

2006年3月

德国

10kWh

光/储并网

2005年9月

泰国

1kWh/12kWh

光伏/储能应用

V-FuelPtyLtd

1993年

日本

200kW/800kWh

平稳负载波动

住友电工

1997年

关西电力

450kW/1MWh

电站调峰

1999年

日本

1.5MW/3MWh

电能质量

2001年

北海道

170kW/1MWh

风/储并用系统

2001年

3.2国内

目前我国风电储能示范项目达几十个，但真正上规模、达兆瓦级的仅仅有南方电网的储能示范项目与国网的张北项目。

其中南方电网的储能示范项目规模为10MW，在广州建设了10MW储能示范项目，主要是锂电池技术。

而张北项目规模达20MW，是国内最大规模储能示范项目，从目前的运行情况看，能够满足风电和太阳能发电并网的功能性要求。

但储能电池的寿命、安全性以及经济性方面还存在问题。

尤其是经济性，这已成为阻碍储能发展的重要问题。

张北风光储输项目一期工程总投资达33亿元，其中20MW储能电池的投资约4亿元，每MW储能的总投入为2000万元，实际储能工程的投资甚至超过4亿元。

据悉，张北现投运的14MW的锂离子电池，国际上的项目每MW总成本也约在1130万元-2500万元左右。

据业内人士介绍，20％的储能可以解决风电并网的大量问题。

截至2011年年底，我国有47000MW的风电装机，如果以20％的比例全部配备储能则需要安装9400MW的储能，即使按照每兆瓦2000万元的工程成本计算，需要一次性投入1880亿元。

储能电池的实际寿命多为5年左右。

也就是说，要实现不弃风，每年储能的投入将达近400亿元。

而能源局统计数据显示，截至2011年底，我国风电装机容量47000MW，全年平均利用小时数为1903，据此测算，2011年累计风电发电量为890亿千瓦时，若以5毛钱一度的上网电价计算，如果弃风高达15％-35％，实际损失约为78.52亿元-239.61亿元。

不弃风显然没有弃风划算。

储能电池技术种类繁多，据不完全统计，储能根据不同领域需要已有12种不同的技术路线。

降低储能成本的关键在于破解储能电池的安全性、循环寿命等难题。

专家指出，这些技术的突破是储能实现产业化的前提，但电池技术的成熟恐怕还需要多年，悲观看可能超过十年。

张北示范项目采用的锂电池技术是否能够代表储能技术未来的发展方向还