全球储能技术发展现状与应用情况一、储能技术分类、技术原理、主要特征针对电储能的储能技术主要分为三类：电化学储能（如钠硫电池、 液流电池、铅酸电池、锂离子电池、镍镉电池、超级电容器等 ）、物 理储能（如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等）和电磁储能（如超 导电磁储能等）。也可以分为功率型和能量型，功率型的特点是功率密度大、充放 电次数多、响应速度快、能量密度小的特点，例如飞轮、超级电容、 超导；能量型的特点是能量密度大、响应时间长、充放电次数少、功 率密度低等特点。例如蓄电池。从目前的情况来看，两种储能设备混用会产生更大的效果，混用比单一使用更有利于降低成本。（最近的一篇论文介绍的模型计算结 果是在微网中使用超级电容和蓄电池两种混合储能成本是单一储能 成本的33.8%。）（一）电化学储能技术1、钠硫电池钠硫电池的正极活性物质是液态的硫 （S）;负极活性物质是液态 金属钠（Na）,中间是多孔性陶瓷隔板。它利用熔融状态的金属钠和 硫磺在300C以上高温条件下，进行氧化-还原反应，完成充放电过 程。钠硫电池的主要特点是能量密度大（是铅蓄电池的3倍）、充电效率高（可达到80%、可大电流、高功率放电、循环寿命比铅蓄电 池长。然而钠硫电池在工作过程中需要保持高温，有一定安全隐患。由于钠硫电池中所用的储能介质金属钠和硫磺均为易燃、易爆物质, 对电池材料要求十分苛刻，目前只有日本（NGK公司实现产品的产 业化生产Sketcn or a 2 vSulfur Cell图1钠硫电池储能系统原理（来源：美国储能协会）2、液流电池液流氧化还原电池 （Redox flow cell energy storage systems），简称液流蓄电站或液流电池，与通常蓄电池活性物质包含在阳极和阴 极内不同，液流电池作为氧化-还原电对的活性物质分别溶解于装在 两个大储液罐中的溶液里，各用一个泵使溶液流经液流电池堆中高选 择性离子交换膜的两侧，在其多孔炭毡电极上发生还原和氧化反应。 电池堆通过双极板串联，结构类似于燃料电池。目前还发展有在一个 或两个电极上发生金属离子（及非金属离子）溶解/沉积反应的液流电 池。由于液流电池的储能容量由储存槽中的电解液容积决定，而输出功率取决于电池的反应面积，通过调整电池堆中单电池的串连数量和 电极面积，能够满足额定放电功率要求。两者可以独立设计，因此系 统设计的灵活性大，受设置场地限制小。液流电池中的电化学反应是 在液相中完成，充放电过程仅仅改变电解质离子状态， 不会引起电极 结构变化，此化学反应为可逆，理论上可以进行无限次任意程度的充 放电循环，极大延长电池的使用寿命。液流电池已有 全钒、钒溴、多硫化钠/溴等多个体系，其中全钒 液流电池具有能量效率高、蓄电容量大、能够100%深度放电、可实现快速充放电，寿命长等优点。全钒液流电池的正、负极活性物质均 为钒，只是价态不同，经过优化的全钒液流电池系统能量效率可达 7585%充放电循环次数超过10000次，其性能远远高于传统二次 电池，通常液流电池主要指全钒液流电池。Photo Courtesy of Sumitomo Electric IndustriesLtd. (SEI) Copyright 2001图2 液流电池储能系统原理(来源：美国储能协会)3、锂离子电池锂离子电池负极一般是碳素材料，正极是含锂的过渡金属氧化物LiCoQ （钻酸锂）或尖晶石LiMmO、LiFePQ等，电解质是锂盐的有 机溶液或聚合物。充电时，正极中的锂离子脱离LiCoQ或LiMnzQ晶体，经过电解质嵌入碳材料负极，放电时则相反。锂离子电池效率 高、能量密度高，具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、 储存寿命长、无记忆效应及无公害等优点，小容量锂离子电池已广泛 用于便携式设备的电源。但是，目前锂离子电池在大尺寸制造、循环 性能等方面存在一定问题，传统锂离子电池在某些特殊条件，如高温， 短路，过充，强外力破坏等条件下可能会发生起火，过热等安全问题， 传统锂离子电池循环寿命一般在 400-500次（80%剩余）,对于储能 电站来讲，这样的循环寿命显然不能满足要求。 过充控制的特殊封装 要求高，价格昂贵，因此对于用于电站储能等大规模储能应用受到限 制，急待突破提高。POS11TIVEScpwN EC； ATTV EOxygen Lithionn Ion Nickel lon Carbon SeparatorPhoto Courtesy of SAFT America图3锂离子电池储能系统原理（来源：美国储能协会）4、铅酸电池铅酸蓄电池主要特点是采用稀硫酸做电解液，用二氧化铅和绒状铅分别作为电池的正极和负极的一种酸性蓄电池。铅酸电池已有一百多年的历史，具有成本低、技术成熟、储能容 量大等优点，主要应用于电力系统的备载容量、频率控制，不断电系 统。它的缺点是储存能量密度低、可充放电次数少、制造过程中存在 一定污染图4 铅酸电池大规模示范应用案例(来源：美国储能协会)5、镍镉电池镍镉蓄电池的正极材料为氢氧化亚镍和石墨粉的混合物，负极材料为海绵状镉粉和氧化镉粉，电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶 液。镍镉蓄电池充电后，正极板上的活性物质变为氢氧化镍 Ni(0H)2，负极板上的活性物质变为金属镉；镍镉电池放电后，正 极板上的活性物质变为氢氧化亚镍，负极板上的活性物质变为氢氧化 镉。镍镉电池可重复500次以上的充放电，经济耐用，内阻很小，可 实现快速充电，又可为负载提供大电流，而且放电时电压变化很小， 是一种比较理想的直流供电电池。镍镉电池的缺点在于它的记忆效 应，而且镉材料资源短缺，价格十分昂贵6、超级电容器超级电容器是根据电化学双电层理论研制而成， 充电时处于理想极化状态的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双电层电容。超级电容器优势在于与电池相比，内阻低；充放电速度快，可提 供强大的脉冲功率，最大充放电电流可以达到1000A循环寿命长，最高可达50万次；工作温度范围宽 可在-30 C -70 C环境下工作；与 环境友好。由于使用中电压随着放电线性下降， 与电池相比能量密度 低，单体工作电压低，自放电率较高；所以目前超级电容器在电力系 统中多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质量峰值功率场合，如大功率直流电机的启动支撑、稳态电压恢复器等，在电压跌落和瞬态 干扰期间提高供电水平。图5超级电容器的结构和原理（来源：中科院电工研究所）（二）物理储能技术1、抽水蓄能抽水蓄能技术是指在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池 水库，将电能转化成重力势能储存起来，在电网负荷高峰期，水泵变 成发电的水轮机，释放上池水库中的水发电。抽水蓄能电站是现在最 常用的大规模蓄（电）能方法。抽水蓄能电站优点是：规模大，可达百万千瓦以上；抽水储能的 释放时间可以从几个小时到几天，综合效率在 70% - 85%之间，主要 用于电力系统的削峰填谷、调频、调相、紧急事故备用等。抽水蓄能电站局限性是要有合适的场地和水源，以适合修建水 库；一次投入的建造费用过高，建设周期较长；响应速度慢；当电站 距离用电区域较远时输电损耗较大。2、压缩空气储能压缩空气储能技术是在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或 新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩的空气推动燃气轮机发 电。压缩空气技术的优点是省去燃气轮机前置的空气压缩段，可使气轮发电机增加电能输出几十个百分点。 压缩空气储能规模大、运行 成本低。压缩空气储能的局限性是也要有合适的场地 ，其对地质条件要 求高；一次投入的费用高，并且必须与不装前置空气压缩段的燃气轮 机相配合使用，故这种储能方式应用不多Motor + CompressoFGenerator Turbine Recuperatoir” * 出 I , j. I - % I iMEril M 9 :,FuelHeatExhaustPeak-day Ete ctricity Out图6压缩空气储能系统原理（来源：美国储能协会）3、飞轮蓄能飞轮蓄能利用电动机带动飞轮高速旋转， 将电能转化成机械能储 存起来，在需要时飞轮带动发电机发电。飞轮系统运行于真空度较高的环境中，其特点是没有摩擦损耗、 风阻小、效率高、寿命长、对环境没有影响，几乎不需要维护，适用 于电网调频和电能质量保障。飞轮蓄能的缺点是能量密度比较低； 系 统复杂；对转子、轴承要求比较高。保证系统安全性方面的费用很高， 在小型场合还无法体现其优势，目前主要应用于为蓄电池系统作补 充。UtilityCompos ite RimMol ar/GeneiVacuumMag rustic BedrinysCourtesy of Beacon PowerBusBi-dtrcctioiial InvtJi ter图7 飞轮储能系统原理（来源：美国储能协会）三超导电磁储能超导磁储能系统（SMES利用超导体制成的线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载SMES技术包含超导磁体技术与电力电子技术两个主要方面，是二者的有机结合。超导磁体单元通过超导电感形成能源存贮环节；电力电子单元则通过多种变换形式，将储存的有功功率向电网释放，或将电网功率转储在储能 电感中。超导储能在功率输送时无需能源形式的转换，具有响应速度快（ms级），转换效率高（ 96%）、比容量（1-10 Wh/kg）/比功率 （104-105kW/kg）大等优点，可以实现与电力系统的实时大规模能量交 换和功率补偿，对电网的电压跌落、谐波等进行灵活智能补偿，或提 供稳定的短时大功率供电。可以充分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。但和其他储 能技术相比，超导电磁储能系统仍很昂贵，除了超导本身的费用外， 维持系统低温导致维修频率提高以及产生的费用也相当可观。图8超导电磁储能原理（来源：中科院电工研究所）根据上述分析，各类储能技术的特征汇总如下表:表1储能技术分类及特征储能类型优点缺点电化学储能钠硫电池能量密度大、充电效率咼（可达到80%、可大电流、高功率放电需要在咼温环境下工作，金属钠和 硫磺均为易燃易爆物质、具有一定 的安全隐患，生产工艺复杂，对电 池材料要求十分苛刻；液流电池能量效率高、蓄电容量大、 能够100淋度放电、可实 现快速充放电、寿命长正负极电解液易交叉污染、需用价 格较贵的离子交换膜锂离子电池高比能量、高比功率、高能 量转换效率、长循环寿命过充控制的特殊封装要求高，价格成本、安全性、循环寿命及产品的 一致性等在满足大规模储能应用 还有待突破铅酸电池成本低、技术成熟、储能容 量大储存能量密度低、可充放电次数 少、制造过程中存在污染镍镉电池循环寿命长，可快速充电， 经济耐用，内阻小，放电电 压变化小记忆效应，材料资源短缺，价格昂 贵。超级电容器比功率咼、循环寿命长、内阻低、充放电速度快比容量小、单位能量投资咼机械储能抽水储能规模大、能量转换效率高（70-85%）需有合适的场地、一次投入的费用 高压缩空气规模大、运行成本低需有合适的场地、一次投入的费用 高飞轮储能摩擦损耗小、效率咼、寿命 长、对环境没有影响、几乎 不需