儲能發展現狀與趨勢分析

導讀：

儲能技術是實現可再生能源大規模接入，提高電力系統效率、安全性和經濟性的關鍵技術，也是提高清潔能源發電比率，推動霧霾治理的有效手段。截至2015年底，全球儲能裝機總量約167GW，約佔全球電力總裝機的2.9%；我國儲能裝機為22.8GW，約佔全國電力總裝機的1.7%。預計到2050年，我國儲能裝機將達200GW，市場規模將達2萬億元以上。目前已有的儲能技術主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能、鉛酸電池、鋰電池、鈉硫電池、液流電池及超級電容器等。不同的儲能技術適用於不同的應用場合和領域，根據系統功率與放電時間，可以將儲能技術的主要應用領域分為能源管理、電力橋接和電能品質管理三部分。未來儲能市場的發展將集中在分散式儲能、分散式光伏+儲能、微網等配網側和用戶側等領域。近年來中國儲能產業在項目規劃、政策支持和產能布局等方面均加快了發展的腳步，未來幾年隨著可再生能源行業的快速發展，儲能市場亦將迎來快速增長。不過我國儲能產業還處於發展的初級階段，尚以示範應用為主，儲能商業化應用面臨著儲能成本偏高、電力交易市場化程度不健全、儲能技術路線不成熟、缺乏儲能價格有效激勵等各方面的問題，可謂機遇與挑戰共存。

1前言

儲能是指通過介質或設備把能量存儲起來，在需要時再釋放出來的過程。儲能技術是解決可再生能源大規模接入和棄風、棄光問題的關鍵技術；是分散式能源、智能電網、能源互聯網發展的必備技術；也是解決常規電力削峰填谷，提高常規能源發電與輸電效率、安全性和經濟性的重要支撐技術。儲能技術可提高清潔能源發電比率，進而實現化石能源清潔高效利用，有效減少污染物的排放，對霧霾等環境問題的治理和改善人居環境將起到極大的推動作用。同時，儲能技術的發展關係到能源、交通、電力等多個重要行業的發展，尤其在當今能源枯竭日益加劇、能源消費供求不平衡的大環境下，儲能能夠突破傳統能源模式時間與空間的限制，其重要作用日益凸顯，已成為主要發達國家競相發展的戰略性新興產業。

我國能源體量大，但能源結構複雜且具有一定的特殊性，西北部地區能源存量豐富，但需求較低，東南部人口密集，能源需求量較大，能源與需求存在地域上的錯位。而儲能產業是能源結構轉型的關鍵和推手，加快儲能產業的發展，對推動經濟發展和建設健康的能源產出與消費體系具有重要意義。在現階段，社會各界對儲能技術與產業的認識及重視程度逐漸深入，越來越多的專業技術與商業投資人士都認為，儲能行業的發展對國民經濟各行各業的發展至關重要。同時，政府部門也通過科技創新和多種鼓勵政策來推動儲能技術與產業的發展，通過部署多個資助項目和示範項目，逐步培育和推動儲能技術的商業應用。

2主要的儲能技術

目前已有的儲能技術主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能、鉛酸電池、鋰電池、鈉硫電池、液流電池及超級電容器等。

抽水蓄能電站在用電低谷時通過水泵將水從低位水庫送到高位水庫，從而將電能轉化為水的勢能存儲起來；在用電時，水的重力勢能驅動水輪機發電。

壓縮空氣儲能系統的原理是在用電低谷將空氣壓縮並存於儲氣室中，使電能轉化為空氣的內能存儲起來；在用電高峰，高壓空氣從儲氣室釋放驅動透平發電。

飛輪儲能是將能量以飛輪的轉動動能的形式存儲起來，充電時飛輪由電機帶動飛速旋轉，放電時相同的電機作為發電機由旋轉的飛輪帶動產生電能。

超導儲能是將電流導入環形電感線圈，由於該環形電感線圈由超導材料製成，因此電流在線圈內可以無損失地不斷循環，直到導出為止，進而達到儲能的目的。

鉛酸電池的工作原理是放電時，正極的二氧化鉛與硫酸反應生成硫酸鉛和水，負極的鉛與硫酸反應生成硫酸鉛；充電時，正極的硫酸鉛轉化為二氧化鉛，負極的硫酸鉛轉化為鉛。

鋰電池的工作原理是在充電時鋰原子變成鋰離子，通過電解質向碳極遷移，在碳極與外部電子結合後作為鋰原子儲存；放電時整個過程逆轉。

液流電池內的正、負極電解液由離子交換膜隔開，電池工作時，電解液中的活性物質離子在惰性電極表面發生價態的變化，進而完成充放電。

鈉硫電池放電時鈉離子通過電解質，而電子通過外部電路流動產生電壓；充電時整個過程逆轉，多硫化鈉釋放正鈉離子，反向通過電解質重新結合為鈉。

超級電容是基於多孔炭電極/電解液界面的雙電層電容，或者基於金屬氧化物或導電聚合物表面快速、可逆的法拉第反應產生的准電容來實現能量的儲存。

各類儲能技術的原理如圖1所示，主要技術參數對比見表1。

3儲能關鍵技術及發展趨勢

不同的儲能技術在概念與原理上差異很大，因而其關鍵科學問題與技術難點也有所不同，表2給出了不同儲能技術的關鍵技術和發展趨勢。我國各種儲能技術的成熟度也有所不同，均處於不同的發展階段(見表3)。

4儲能技術應用領域分析

不同的儲能技術有著不同的性能特點，適用於不同的應用場合和領域。美國能源部發布的《儲能規劃報告》(EnergyStoragePlanningDocument)中對儲能技術適用領域進行了分析，根據不同儲能技術的系統功率與放電時間，可以將儲能技術的主要應用領域分為能源管理、電力橋接和電能品質管理三部分，如圖2所示。其中抽水蓄能和壓縮空氣儲能是公認的能夠適用於較大規模(10MW級以上)的儲能技術，可應用於電網側，以取代昂貴的調峰電站，達到能源管理的目的。同時，一些儲能技術在電網其他方面的應用也有一定的潛力，如鉛酸電池、鋰電池、液流電池、鈉硫電池和高能超級電容等化學儲能技術，系統功率範圍一般為千瓦級至10MW級，且放電時間多為分鐘級，因此主要用於電力橋接領域，如短時的電力系統調峰和能量調度。飛輪、超級電容和超導儲能技術因其具有較快的響應且系統功率與放電時間均較小，具有很好的靈活性，一般用於電能品質管理領域，例如輔助服務與電壓支持等。

具體來說，儲能技術在電力行業發、輸、配、用的各個環節均有不同的應用，見表4。在發電端，傳統發電領域可以進行輔助動態運行、取代或延緩新建機組；在可再生能源發電領域主要用於削峰填谷、跟蹤計划出力和爬坡率控制；在輸配電領域的主要應用包括無功支持、環節線路阻塞、延緩輸配電擴容升級以及作為變電站直流電源；在電網輔助服務領域的主要應用包括調頻、電壓支持、調峰和作為備用容量；同時，儲能技術在用戶側可以用於分時電價與容量費用管理，提高電力可靠性和電能質量等。

5儲能產業發展現狀與發展趨勢

我國儲能產業還處於發展的初級階段，以示範應用為主，與發達國家的產業化進程相比還有一定的差距。截至2015年底，全球儲能裝機總量約為167GW，約佔全球電力總裝機的2.9%；我國儲能裝機為22.8GW，約佔全國電力總裝機的1.7%。根據國際能源署(IEA)的預計，到2050年全球儲能裝機將達到800GW以上，占電力總裝機的比例將提高到10%～15%，市場規模將達數萬億美元。而我國到2050年儲能裝機將達到200GW，市場規模將達2萬億元以上，我國對儲能的需求巨大且迫切。

在物理儲能領域，抽水蓄能和壓縮空氣儲能是發展最快的兩種儲能技術。抽水蓄能是全球裝機規模最大的儲能技術，佔全球總儲能容量的98%，日本、中國、美國的裝機位列全球前三位。抽水蓄能的單機規模已達300MW級，是目前發展最為成熟的一種儲能技術。壓縮空氣儲能目前已在德國(Huntorf321MW)和美國(McIntosh110MW，Ohio9×300MW，Texas4×135MW和Iowa200MW項目等)得到了規模化商業應用。在新型壓縮空氣儲能方面，國際上只有中國科學院工程熱物理研究所(1.5MW超臨界壓縮空氣儲能、10MW先進壓縮空氣儲能)、美國GeneralCompression公司(2MW蓄熱式壓縮空氣儲能)、美國SutainX公司(1.5MW等溫壓縮空氣儲能)和英國HighviewPower公司(兆瓦級液態空氣儲能)4家機構具備了兆瓦級的生產設計能力。在國內壓縮空氣儲能技術研發與產業化方面，中國科學院工程熱物理研究所處於絕對領先地位。該研究所於2013年建成國際首套1.5MW示範系統，實現了產業化；2016年建成國際上唯一一套10MW級研發平台。同時還獲批建設國家能源大規模物理儲能技術研發中心，相關成果獲得北京市科學技術獎一等獎、聯合國工業發展組織全球可再生能源領域最具投資價值領先技術「藍天獎」等。

在化學儲能領域，鉛酸電池因其技術成型早、材料成本低等優勢，是目前為止發展最為成熟的一種化學電池，截至2015年，全球鉛蓄電池的儲能應用規模達到了111.1MW。中國是鉛酸電池的第一大生產國和使用國。鋰電池在全球範圍內已成為最具競爭力的化學儲能技術，幾年來發展勢頭迅猛，2013～2015年鋰電池全球裝機翻倍，是應用規模增速最快的化學儲能技術。目前鋰離子電池用於儲能電站的單一電站容量已達到64MW·h的水平。近年來液流電池的發展較為平穩，全釩液流電池和鋅溴液流電池的應用較多，主要應用於大規模可再生能源併網領域。國際上主要的液流電池研發機構包括大連融科、住友電工、UniEnergyTechnologies、ImergyPowerSystems等，其中日本住友電工2016年在日本Hokkaido投運的15MW/60MW·h液流電池儲能示範電站，是目前投運的規模最大的液流電池儲能項目。鈉硫電池近三年的發展速度較為緩慢，日本NGK公司是唯一實現鈉硫電池產業化的機構。2015年NGK公司的鈉硫電池儲能系統發生火災事件後，NGK公司逐步改進了電池結構並加強安全性研發，目前仍然引領著全球鈉硫電池的發展。中科院上海硅酸鹽研究所在中國鈉硫電池領域一直處於領先水平，近年來也逐步改進電池材料，研發新一代的鈉硫電池，在國際鈉硫電池研發領域具有很強的競爭力。

近年來，中國儲能產業在項目規劃、政策支持和產能布局等方面均加快了發展的腳步，可以說中國儲能產業已漸露春意，正蓄勢待發。中國抽水蓄能行業發展相對緩慢，而電化學儲能市場的增速明顯高於全球市場，光熱儲能目前尚處於起步階段。得益於技術進步和成本減低，在目前無補貼的情況下，儲能在峰谷價差套利、輔助服務市場及可再生能源限電解決方案上已經實現了有條件的商業化運行。據中關村儲能產業技術聯盟(CNESA)項目庫的統計，2016年有多個大型項目規劃或投運，中國新增投運儲能項目規模28.5MW，儲能裝機規模保持持續快速增長態勢。同時，能源政策密集出台，儲能已逐步成為規劃布局的重點領域，地方政府也隨之布局儲能項目與示範，助推當地產業轉型升級。在未來幾年裡，隨著可再生能源行業的快速發展，儲能市場亦將迎來快速增長。

6結語

伴隨著化石能源的日益枯竭和能源需求的加速增長，以可再生能源與新能源技術為代表的新一輪科技革命和產業變革正在興起，並將持續改變世界能源格局。全球範圍內的能源結構調整已成為能源領域面臨的重要問題。可再生能源與新能源技術在當前形勢下，不僅代表著一種新興技術的發展，同時在全球範圍內對現有傳統經濟與能源發展模式、新的製造體系等一系列傳統發展格局都有著深遠的影響。

未來儲能市場的發展將主要集中在分散式儲能、分散式光伏+儲能、微網等配網側和用戶側等領域。國家能源局在2016年4月發布的《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030年)》中表示，到2020年示範推廣10MW/100MW·h超臨界壓縮空氣儲能系統、1MW/1000MJ飛輪儲能陣列機組、100MW級全釩液流電池儲能系統、10MW級鈉硫電池儲能系統和100MW級鋰離子電池儲能系統等一批趨於成熟的儲能技術。伴隨電力體制改革的不斷深入，儲能也將收穫更多的市場機會。不過我國儲能產業距離整體健康發展還有一定的距離，儲能商業化應用面臨著儲能成本偏高、電力交易市場化程度不健全、儲能技術路線不成熟、缺乏儲能價格有效激勵等各方面的問題。因此，當前儲能產業的發展可謂機遇與挑戰共存。

本文來源

《儲能發展現狀與趨勢分析》

《中外能源》第22卷第4期2017年4月

劉英軍，劉暢，王偉，胡珊，郝木凱，徐玉傑，劉嘉，吳艷

（工業和信息化部產業發展促進中心，北京；中國科學院工程熱物理研究所，北京）

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