一、儲能系統分類
現有的(de)儲能(neng)(neng)(neng)(neng)系統(tong)主要(yao)分為(wei)五類:機械儲能(neng)(neng)(neng)(neng)、電(dian)氣儲能(neng)(neng)(neng)(neng)、電(dian)化(hua)學儲能(neng)(neng)(neng)(neng)、熱儲能(neng)(neng)(neng)(neng)和化(hua)學儲能(neng)(neng)(neng)(neng)。目前世界占(zhan)比最高的(de)是抽水蓄(xu)能(neng)(neng)(neng)(neng),其總(zong)(zong)裝機容量規模達到(dao)了127GW,占(zhan)總(zong)(zong)儲能(neng)(neng)(neng)(neng)容量的(de)99%,其次是壓縮空氣儲能(neng)(neng)(neng)(neng),總(zong)(zong)裝機容量為(wei)440MW,排名第三的(de)是鈉(na)硫(liu)電(dian)池,總(zong)(zong)容量規模為(wei)316MW。
二、各種儲能系統優缺點對比
1、機械儲能
機械儲(chu)能(neng)(neng)主要(yao)包(bao)括抽水蓄能(neng)(neng)、壓縮(suo)空(kong)氣(qi)儲(chu)能(neng)(neng)和飛輪儲(chu)能(neng)(neng)等。
(1)抽(chou)水(shui)(shui)(shui)蓄能:將電網(wang)低(di)谷時利(li)用過(guo)剩電力作(zuo)為液(ye)態能量媒體的水(shui)(shui)(shui)從地勢(shi)低(di)的水(shui)(shui)(shui)庫(ku)抽(chou)到地勢(shi)高(gao)的水(shui)(shui)(shui)庫(ku),電網(wang)峰荷(he)時高(gao)地勢(shi)水(shui)(shui)(shui)庫(ku)中的水(shui)(shui)(shui)回流到下水(shui)(shui)(shui)庫(ku)推動水(shui)(shui)(shui)輪機(ji)(ji)發電機(ji)(ji)發電,效(xiao)率一(yi)般(ban)為75%左(zuo)右,俗(su)稱進4出3,具有日調節能力,用于調峰和備(bei)用。
不(bu)足之處:選址困(kun)難,及其依賴地勢;投(tou)資周期(qi)較大,損耗(hao)較高,包括抽蓄損耗(hao)+線路損耗(hao);現階段也受中(zhong)國電(dian)價政(zheng)策的制約,去年(nian)中(zhong)國80%以(yi)上的抽蓄都(dou)曬太陽(yang),去年(nian)八(ba)月發(fa)改委出了(le)個關于抽蓄電(dian)價的政(zheng)策,以(yi)后可能會(hui)好些(xie),但肯定不(bu)是(shi)儲能的發(fa)展趨勢。
(2)壓(ya)縮(suo)空(kong)氣(qi)(qi)(qi)儲能(neng)(CAES):壓(ya)縮(suo)空(kong)氣(qi)(qi)(qi)蓄能(neng)是利用電(dian)力系統(tong)(tong)負(fu)荷(he)低(di)谷時的剩余電(dian)量,由(you)電(dian)動機(ji)帶動空(kong)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)縮(suo)機(ji),將空(kong)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)入作為儲氣(qi)(qi)(qi)室的密閉大容量地下洞穴,當系統(tong)(tong)發電(dian)量不足時,將壓(ya)縮(suo)空(kong)氣(qi)(qi)(qi)經換(huan)熱器與油(you)或(huo)天(tian)然氣(qi)(qi)(qi)混合燃燒,導入燃氣(qi)(qi)(qi)輪(lun)機(ji)作功發電(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)士對這方(fang)面研(yan)究比較多,什(shen)么冷電(dian)聯產之類(lei)的。
壓(ya)縮(suo)空氣儲也(ye)有調峰(feng)功能,適合用(yong)于大(da)規模(mo)風場(chang),因為風能產生的機械功可以(yi)直接驅動壓(ya)縮(suo)機旋(xuan)轉(zhuan),減(jian)少了(le)中間轉(zhuan)換成電(dian)的環節,從(cong)而提高(gao)效率。
不(bu)足(zu)之(zhi)處:一大(da)缺陷在(zai)于效率(lv)較低(di)。原(yuan)因(yin)在(zai)于空(kong)氣受到壓(ya)縮(suo)時溫度(du)會升高,空(kong)氣釋放膨脹的(de)(de)過程(cheng)中溫度(du)會降低(di)。在(zai)壓(ya)縮(suo)空(kong)氣過程(cheng)中一部分能量(liang)以(yi)(yi)熱(re)能的(de)(de)形式散失,在(zai)膨脹之(zhi)前就必須要(yao)重新加(jia)熱(re)。通(tong)常以(yi)(yi)天然氣作為加(jia)熱(re)空(kong)氣的(de)(de)熱(re)源,這就導致(zhi)蓄能效率(lv)降低(di)。還(huan)有(you)可以(yi)(yi)想到的(de)(de)不(bu)足(zu)就是需要(yao)大(da)型儲氣裝(zhuang)置、一定的(de)(de)地質條件和(he)依(yi)賴(lai)燃燒化石燃料。
(3)飛(fei)輪(lun)儲(chu)能(neng):是利用(yong)高(gao)速旋轉的(de)(de)(de)飛(fei)輪(lun)將能(neng)量(liang)以(yi)動能(neng)的(de)(de)(de)形式儲(chu)存起來(lai)。需要(yao)能(neng)量(liang)時,飛(fei)輪(lun)減速運行,將存儲(chu)的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)釋(shi)放(fang)出來(lai)。飛(fei)輪(lun)儲(chu)能(neng)其中(zhong)的(de)(de)(de)單項技術國(guo)內基本都有了(le)(但(dan)和國(guo)外差距在10年以(yi)上),難(nan)(nan)點(dian)在于(yu)根據不(bu)同的(de)(de)(de)用(yong)途開(kai)發(fa)不(bu)同功能(neng)的(de)(de)(de)新產品,因此飛(fei)輪(lun)儲(chu)能(neng)電源是一種高(gao)技術產品但(dan)原始(shi)創新性并不(bu)足,這使得它較(jiao)難(nan)(nan)獲得國(guo)家的(de)(de)(de)科研經費支持。
不(bu)(bu)足之處(chu):能(neng)量密度不(bu)(bu)夠(gou)高、自放(fang)電率(lv)高,如停止充電,能(neng)量在(zai)幾到幾十個小(xiao)時內就會自行耗盡。只適(shi)合于(yu)一些細(xi)分市場,比如高品質不(bu)(bu)間斷(duan)電源等。
2、電氣儲能
(1)超(chao)(chao)級(ji)(ji)電(dian)(dian)容(rong)器儲(chu)能(neng):用(yong)活性炭(tan)多孔電(dian)(dian)極和電(dian)(dian)解質組(zu)成的(de)(de)(de)雙(shuang)電(dian)(dian)層(ceng)結構獲得(de)超(chao)(chao)大的(de)(de)(de)電(dian)(dian)容(rong)量。與(yu)利用(yong)化(hua)學反應(ying)的(de)(de)(de)蓄電(dian)(dian)池不(bu)同,超(chao)(chao)級(ji)(ji)電(dian)(dian)容(rong)器的(de)(de)(de)充(chong)(chong)放(fang)電(dian)(dian)過程始終是(shi)物(wu)理過程。充(chong)(chong)電(dian)(dian)時間短、使用(yong)壽命長(chang)、溫度(du)特性好、節約能(neng)源和綠色環(huan)保。超(chao)(chao)級(ji)(ji)電(dian)(dian)容(rong)沒有(you)太(tai)復雜(za)的(de)(de)(de)東西,就(jiu)(jiu)是(shi)電(dian)(dian)容(rong)充(chong)(chong)電(dian)(dian),其余就(jiu)(jiu)是(shi)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)問題,目前研究的(de)(de)(de)方(fang)向是(shi)能(neng)否(fou)做到面(mian)積很(hen)(hen)小(xiao),電(dian)(dian)容(rong)更大。超(chao)(chao)級(ji)(ji)電(dian)(dian)容(rong)器的(de)(de)(de)發(fa)展還(huan)是(shi)很(hen)(hen)快(kuai)的(de)(de)(de),目前石墨(mo)烯材(cai)料(liao)為基礎的(de)(de)(de)新型超(chao)(chao)級(ji)(ji)電(dian)(dian)容(rong)器,非常(chang)火。
Tesla首席執行官ElonMusk早在2011年(nian)就表(biao)示,傳統電動汽車(che)的電池已經過(guo)時,未來以超(chao)級電容(rong)器為(wei)動力系統的新型汽車(che)將取而代之。
不足之處:和(he)電池(chi)相比,其能量(liang)密度導致同等重量(liang)下(xia)儲能量(liang)相對較低(di),直(zhi)接導致的就是續航能力差,依(yi)賴于(yu)新(xin)材料(liao)的誕生,比如(ru)石墨烯。
(2)超(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)儲(chu)能(neng)(SMES):利用超(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)體的電阻(zu)為零特性(xing)制(zhi)成的儲(chu)存(cun)電能(neng)的裝置(zhi)。超(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)儲(chu)能(neng)系(xi)統(tong)大致包括超(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)線(xian)圈、低(di)溫(wen)系(xi)統(tong)、功率調節系(xi)統(tong)和監(jian)控系(xi)統(tong)4大部分(fen)(fen)。超(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)材料(liao)技(ji)術(shu)開發是超(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)儲(chu)能(neng)技(ji)術(shu)的重(zhong)中之重(zhong)。超(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)材料(liao)大致可分(fen)(fen)為低(di)溫(wen)超(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)材料(liao)、高溫(wen)超(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)材料(liao)和室(shi)溫(wen)超(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)材料(liao)。
不(bu)足之(zhi)處:超導儲能的(de)成本很(hen)高(材(cai)料(liao)和低溫制(zhi)冷系統),使得它(ta)的(de)應用(yong)受(shou)到很(hen)大限制(zhi)。可(ke)靠性和經濟性的(de)制(zhi)約,商業化應用(yong)還比(bi)較遠。
3、電化學儲能
(1)鉛酸(suan)電池:是(shi)一種電極主要由鉛及其氧化物制成,電解液(ye)是(shi)硫酸(suan)溶液(ye)的蓄電池。目前在世界上應(ying)用(yong)廣泛,循(xun)環壽(shou)命可達1000次左右(you),效率能達到80%-90%,性(xing)價比(bi)高,常用(yong)于電力(li)系統的事故電源或備用(yong)電源。
不足之處(chu):如果深度(du)、快速(su)大功率放電時,可用容(rong)量(liang)會下降。其特點是能量(liang)密度(du)低,壽命短。鉛酸電池今年通過(guo)將(jiang)具有超級(ji)活(huo)性的(de)炭材料添加到(dao)鉛酸電池的(de)負極(ji)板上,將(jiang)其循(xun)環壽命提高很多。
(2)鋰離子電(dian)池(chi):是一類由鋰金(jin)屬(shu)或鋰合金(jin)為(wei)負極材料(liao)、使用(yong)非(fei)水電(dian)解質溶(rong)液的(de)電(dian)池(chi)。主要應用(yong)于便攜式的(de)移動設備中(zhong),其效率可達(da)95%以上,放電(dian)時間可達(da)數(shu)小時,循環次數(shu)可達(da)5000次或更多,響應快速,是電(dian)池(chi)中(zhong)能量最高的(de)實用(yong)性電(dian)池(chi),目前來(lai)說用(yong)的(de)最多。近(jin)年來(lai)技術也在不斷進行升級,正負極材料(liao)也有多種(zhong)應用(yong)。
市場上(shang)主流的動力(li)鋰(li)(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)分為(wei)三(san)大類:鈷酸(suan)(suan)鋰(li)(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)、錳酸(suan)(suan)鋰(li)(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)和磷酸(suan)(suan)鐵鋰(li)(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)。前者(zhe)能量密(mi)度高,但(dan)是安全性稍(shao)差,后者(zhe)相反,國內電(dian)(dian)動汽車比(bi)如比(bi)亞迪,目前大多采用磷酸(suan)(suan)鐵鋰(li)(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)。但(dan)是好像(xiang)老外都在玩三(san)元鋰(li)(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)和磷酸(suan)(suan)鐵鋰(li)(li)電(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)?
鋰硫電(dian)池也(ye)很(hen)火(huo),是以硫元素作為正(zheng)極、金屬鋰作為負(fu)極的(de)一種(zhong)電(dian)池,其理(li)論比能(neng)量密(mi)(mi)度可達2600wh/kg,實際(ji)能(neng)量密(mi)(mi)度可達450wh/kg。但如何大幅提高該電(dian)池的(de)充放(fang)電(dian)循環壽(shou)命、使用安全性也(ye)是很(hen)大的(de)問題。
不足之處:存在價格高(4元(yuan)/wh)、過(guo)充導致發熱、燃燒等安全(quan)性問題,需(xu)要(yao)進行(xing)充電保(bao)護。
(3)鈉(na)硫(liu)電池(chi):是一種以金(jin)屬鈉(na)為(wei)(wei)負(fu)極(ji)、硫(liu)為(wei)(wei)正極(ji)、陶瓷管為(wei)(wei)電解質(zhi)隔(ge)膜的二次電池(chi)。循環周(zhou)期(qi)可達(da)到4500次,放(fang)電時間6-7小時,周(zhou)期(qi)往(wang)返效率75%,能(neng)(neng)量(liang)密度(du)高,響應時間快。目前在日本、德(de)國(guo)、法國(guo)、美(mei)國(guo)等地已建有200多處(chu)此類儲能(neng)(neng)電站,主要用(yong)于(yu)負(fu)荷調平(ping),移峰和改善電能(neng)(neng)質(zhi)量(liang)。
不(bu)足(zu)之處:因為使用液(ye)態鈉(na),運行于(yu)高(gao)(gao)溫(wen)下(xia),容(rong)易燃燒(shao)。而且萬一電網沒電了,還需(xu)要(yao)柴(chai)油發電機幫助維(wei)持高(gao)(gao)溫(wen),或者幫助滿足(zu)電池降(jiang)溫(wen)的條件(jian)。
(4)液流(liu)電(dian)(dian)池:利(li)用正負(fu)極電(dian)(dian)解液分開,各自循環的(de)一種高性能蓄電(dian)(dian)池。電(dian)(dian)池的(de)功率和(he)能量是不相關的(de),儲(chu)(chu)存(cun)的(de)能量取決(jue)于(yu)儲(chu)(chu)存(cun)罐的(de)大小,因而可(ke)以儲(chu)(chu)存(cun)長達數小時至數天的(de)能量,容量可(ke)達MW級。這(zhe)個(ge)電(dian)(dian)池有多個(ge)體系,如鐵鉻體系,鋅(xin)溴體系、多硫化鈉溴體系以及全釩體系,其中(zhong)釩電(dian)(dian)池最(zui)火吧(ba)。
不足之處:電(dian)(dian)池(chi)(chi)體積(ji)太大;電(dian)(dian)池(chi)(chi)對環境(jing)溫(wen)度要求(qiu)太高;價格貴(這個(ge)可能是(shi)短(duan)期現象吧);系統復(fu)雜(又(you)是(shi)泵又(you)是(shi)管路什(shen)么的,這不像(xiang)鋰電(dian)(dian)等非液流電(dian)(dian)池(chi)(chi)那么簡單)。
電池儲能都存(cun)在或多或少的環保問題。
4、熱儲能
熱(re)(re)儲(chu)(chu)能(neng):熱(re)(re)儲(chu)(chu)能(neng)系統中(zhong),熱(re)(re)能(neng)被儲(chu)(chu)存在隔(ge)熱(re)(re)容器的(de)媒介中(zhong),需要的(de)時候轉化回(hui)電能(neng),也(ye)可(ke)(ke)直接(jie)利用(yong)而不再(zai)轉化回(hui)電能(neng)。熱(re)(re)儲(chu)(chu)能(neng)又分為(wei)顯熱(re)(re)儲(chu)(chu)能(neng)和潛熱(re)(re)儲(chu)(chu)能(neng)。熱(re)(re)儲(chu)(chu)能(neng)儲(chu)(chu)存的(de)熱(re)(re)量可(ke)(ke)以很大(da),所以可(ke)(ke)利用(yong)在可(ke)(ke)再(zai)生能(neng)源發電上。
不(bu)足之處:熱(re)(re)儲能要各(ge)種高溫化學熱(re)(re)工質,用用場(chang)合比較受限。
5、化學類儲能
化(hua)學類儲(chu)能(neng)(neng):利用(yong)氫(qing)或合(he)(he)成天(tian)然(ran)氣(qi)(qi)作為(wei)(wei)二(er)(er)次能(neng)(neng)源的(de)載體,利用(yong)多余的(de)電(dian)(dian)制氫(qing),可(ke)以直接用(yong)氫(qing)作為(wei)(wei)能(neng)(neng)量(liang)的(de)載體,也可(ke)以將其(qi)與(yu)二(er)(er)氧化(hua)碳反(fan)應成為(wei)(wei)合(he)(he)成天(tian)然(ran)氣(qi)(qi)(甲烷),氫(qing)或者合(he)(he)成天(tian)然(ran)氣(qi)(qi)除了可(ke)用(yong)于(yu)發(fa)電(dian)(dian)外,還(huan)有其(qi)他利用(yong)方式如(ru)交通等。德國熱衷于(yu)推(tui)動此技(ji)術(shu),并有示范項目投入(ru)運行。
不足之處:全(quan)周(zhou)期效率較低(di),制氫效率僅40%,合成天然氣的效率不到35%。
引(yin)用前人的總結:
PHS-抽(chou)水蓄能;CAES-壓縮空(kong)氣;Lead-Acid:鉛酸電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi);NiCd:鎳鎘電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi);NaS:鈉硫電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi);ZEBRA:鎳氯(lv)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi);Li-ion:鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi);Fuelcell:燃料電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi);Metal-air:金(jin)屬空(kong)氣電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi);VRB:液(ye)(ye)流電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi);ZnbBr:液(ye)(ye)流電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi);PSB:液(ye)(ye)流電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi);SolarFuel:太(tai)陽(yang)能燃料電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi);SMES:超導儲(chu)(chu)能;Flywheel:飛(fei)輪;Capacitor/Supercapcitor:電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容/超級電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容;AL-TES:水/冰儲(chu)(chu)熱/冷系統(tong);CES:低(di)溫儲(chu)(chu)能系統(tong);HT-TES:儲(chu)(chu)熱系統(tong)。
總體來(lai)說,目前研究(jiu)發展主(zhu)要還(huan)是集(ji)中于超級電容和電池(鋰(li)電池、液流電池)上。材(cai)料領域的突破才是關鍵(jian)。