有效提高可再生能源入網(wǎng)，具有廣闊應(yīng)用前景的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

電能存儲(chǔ)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)需求側(cè)能量高效管理、有效提高可再生能源入網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。介紹了面向電力儲(chǔ)能應(yīng)用的抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等物理儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和亟待解決的問題，重點(diǎn)闡述了具有廣闊應(yīng)用前景的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，包括鋰離子電池、鉛炭電池、液流電池、鈉硫電池（ZEBRA電池）和液態(tài)金屬電池等的工作原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)及其在電網(wǎng)中的應(yīng)用和挑戰(zhàn)，為電力儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展提供參考。

近年來，我國在全國范圍內(nèi)進(jìn)行電網(wǎng)改造和升級(jí)，對(duì)工業(yè)企業(yè)進(jìn)行節(jié)電改造，對(duì)全國居民的生活節(jié)能節(jié)電給予補(bǔ)貼，標(biāo)志著我國電力工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入需求側(cè)管理時(shí)代。電力儲(chǔ)能技術(shù)的引入將有效削減負(fù)荷峰谷差，降低供電成本，有效實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理。同時(shí)，規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的廣泛應(yīng)用將大大增強(qiáng)電網(wǎng)對(duì)大規(guī)?？稍偕茉吹慕蛹{能力，實(shí)現(xiàn)間歇式可再生能源發(fā)電的可預(yù)測(cè)、可控制、可調(diào)度，促進(jìn)傳統(tǒng)電網(wǎng)的升級(jí)與變革，實(shí)現(xiàn)發(fā)電和用電之間在時(shí)間和空間上的解耦，徹底改變現(xiàn)有電力系統(tǒng)的建設(shè)模式，促進(jìn)電力系統(tǒng)從外延擴(kuò)張型向內(nèi)涵增效型的轉(zhuǎn)變，提高供電可靠性和電能質(zhì)量。因此儲(chǔ)能技術(shù)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用（如圖1所示）。

現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能等物理儲(chǔ)能技術(shù)，和鋰離子電池、鉛炭電池、液流電池、鈉硫電池、液態(tài)金屬電池和超級(jí)電容器等電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。不同儲(chǔ)能技術(shù)的工作原理、轉(zhuǎn)化效率以及成本、壽命等儲(chǔ)能特性都存在著很大的差異，因此它們?cè)陔娏ο到y(tǒng)中適用的場(chǎng)合也各不相同。一般來說，飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能和超級(jí)電容器等適合高倍率的功率型應(yīng)用，其他技術(shù)適合規(guī)模儲(chǔ)能的能量型應(yīng)用。下面將對(duì)不同類型的儲(chǔ)能技術(shù)分別進(jìn)行簡要介紹，以期為電力儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。

1物理儲(chǔ)能技術(shù)簡介

1.1抽水蓄能

抽水蓄能技術(shù)成熟、可靠、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，適用于調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、電網(wǎng)的黑啟動(dòng)電源和事故備用等，是目前最成熟的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。但其對(duì)廠址的要求較高，大多建設(shè)在山區(qū)丘陵地帶，受地理因素等限制?，F(xiàn)階段，我國迫切需要攻克高水頭、大容量機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造難關(guān)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組設(shè)計(jì)制造國產(chǎn)化，從根本上降低我國抽水蓄能電站的工程造價(jià)，實(shí)現(xiàn)抽水儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

1.2壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能規(guī)模大、效率高、能量密度較高，相比于抽水儲(chǔ)能選址更為靈活，因此得到廣泛的關(guān)注，有望成為未來大規(guī)模儲(chǔ)能的重要技術(shù)方向之一。目前壓縮空氣儲(chǔ)能仍然面臨一些亟待解決的問題，例如：效率偏低、儲(chǔ)氣室受限、燃料的限制、初始投資巨大和投資動(dòng)力不強(qiáng)等。未來壓縮空氣儲(chǔ)能的發(fā)展在克服以上問題的同時(shí)，將會(huì)朝著儲(chǔ)能規(guī)模大、效率高、投資成本低、能量密度高的超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)等方向發(fā)展。

1.3飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)具有功率密度大、能量轉(zhuǎn)換效率高、對(duì)溫度不敏感、環(huán)境友好、使用壽命長和充電時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。但是飛輪儲(chǔ)能的儲(chǔ)能密度相對(duì)較低，自放電率較高，其應(yīng)用和發(fā)展受到了較大的限制。我國在該項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，投入不足，目前還處于初級(jí)研發(fā)階段?，F(xiàn)階段需要大力加強(qiáng)飛輪轉(zhuǎn)子的故障保護(hù)、高速電機(jī)設(shè)計(jì)制備和低能耗真空獲得與維護(hù)等技術(shù)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用。

2電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)介紹

電化學(xué)儲(chǔ)能具有功率和能量可以根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活配置、響應(yīng)速度快、不受地理資源等外部條件的限制等優(yōu)勢(shì)，適合批量化生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用，在電力儲(chǔ)能方面具有廣闊的發(fā)展前景。電化學(xué)儲(chǔ)能包括液流電池、鋰離子電池、鈉硫電池（ZEBRA電池）、鉛酸（炭）電池、鎳氫電池和液態(tài)金屬電池等，表1為各種電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的相關(guān)參數(shù)。下面著重對(duì)幾類應(yīng)用前景較好的儲(chǔ)能電池技術(shù)進(jìn)行介紹。

2.1鋰離子電池

鋰離子電池以其較高的比能量/比功率、充放電效率和輸出電壓，較長的單體電池使用壽命，自放電小、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)在移動(dòng)電子設(shè)備、動(dòng)力工具和新能源汽車等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。鋰離子電池的工作原理如圖2所示。電池在充電過程中，正極中的鋰離子脫出，經(jīng)過電解液傳遞并嵌入負(fù)極石墨層間晶格，放電則執(zhí)行相反的過程。鋰離子電池反應(yīng)機(jī)理被稱為“搖椅式”機(jī)制。

近年來，在美國華盛頓、加利福尼亞、紐約和密歇根等地方建立了不同規(guī)模的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于削峰填谷，提高電網(wǎng)可靠性和實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)可再生發(fā)電等方面。智利和韓國等國家也采用鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)頻和改善電能質(zhì)量等。我國作為鋰離子電池生產(chǎn)大國，自2010年起已經(jīng)在福建安溪、寧德，河南鄭州，廣東東莞和江蘇常州等地建立起鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，成功應(yīng)用于削峰填谷，提高電網(wǎng)接納風(fēng)電能力等。在未來鋰離子電池的發(fā)展中，需要進(jìn)一步發(fā)展高比容量，循環(huán)性能優(yōu)異且成本低廉的關(guān)鍵電極材料，優(yōu)化正極、負(fù)極、電解質(zhì)溶液的匹配技術(shù)和電池制造工藝，顯著提升鋰離子電池的循環(huán)壽命和安全特性，進(jìn)一步降低電池成本。

2.2鉛炭電池

鉛酸電池發(fā)展歷史悠久，原料豐富、成本低廉、安全性好，在蓄電池市場(chǎng)有著不可取代的地位，但是鉛酸電池負(fù)極硫酸鹽化現(xiàn)象導(dǎo)致循環(huán)壽命較短，限制了電池的長足發(fā)展。鉛炭電池作為一種新型鉛酸電池，只需在鉛酸電池負(fù)極添加適量的碳材料即可，有效抑制負(fù)極硫酸鹽化現(xiàn)象，其倍率性能和循環(huán)壽命得到了顯著提升，有望在儲(chǔ)能領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。鉛炭電池的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。

鉛炭電池儲(chǔ)能技術(shù)在國內(nèi)外均有廣泛的示范應(yīng)用。2011年前后，美國在北美地區(qū)建立了容量為3MW/1～4MWh的電網(wǎng)級(jí)鉛炭電池儲(chǔ)能項(xiàng)目，在夏威夷Oahu和Maui分別建立了容量為15MW/10MWh和10MW/20MWh的鉛炭電池風(fēng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)，應(yīng)用于電網(wǎng)輔助能量存儲(chǔ)、頻率調(diào)節(jié)和能源需求管理等。澳大利亞將3MW/1.6MWh的鉛炭電池儲(chǔ)能系統(tǒng)投入到King島項(xiàng)目中，保證新能源接入電網(wǎng)。哥倫比亞和南極洲部分區(qū)域也建立起了以鉛炭電池技術(shù)為核心的儲(chǔ)能系統(tǒng)。目前鉛炭電池儲(chǔ)能技術(shù)在我國的河北、青海、西藏、浙江等省的14個(gè)微網(wǎng)儲(chǔ)能項(xiàng)目中均有應(yīng)用。在未來應(yīng)該優(yōu)化鉛炭電池制作工藝，探討碳材料最優(yōu)添加量，對(duì)碳材料進(jìn)行改性或者添加析氫抑制劑以抑制負(fù)極析氫現(xiàn)象，從而進(jìn)一步提高鉛炭電池的循環(huán)壽命。

2.3液流電池

液流電池是利用正負(fù)極電解液分開存放，各自循環(huán)的一種高性能儲(chǔ)能電池。其活性物質(zhì)存在于電解液中，實(shí)現(xiàn)了電極與活性物質(zhì)空間上的分離。電池功率由電極的尺寸大小和電堆中電池的數(shù)目決定，電池容量則由電解質(zhì)的濃度和體積決定，因此電池功率和容量可以分開設(shè)計(jì)，靈活方便。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。充放電時(shí)無固相電極過程及形貌變化，理論壽命較長，安全性能較高。目前比較成熟的液流電池體系包含鐵鉻體系、鐵鈦體系、釩溴體系和全釩體系等。其中全釩液流電池的正負(fù)極活性物質(zhì)均為釩，可以避免活性物質(zhì)通過離子交換膜擴(kuò)散造成的元素交叉污染，優(yōu)勢(shì)明顯，是目前最主要的商用化發(fā)展技術(shù)方向。

液流電池在提升可再生能源入網(wǎng)、平衡電網(wǎng)穩(wěn)定性等方面將發(fā)揮重要作用，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。美國在2011年儲(chǔ)能發(fā)展規(guī)劃中已將液流電池作為重要的儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展方向，之后一年內(nèi)資助建立了12個(gè)液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。2015年加拿大安大略省也開展了4個(gè)液流電池儲(chǔ)能項(xiàng)目。我國于2012年建立了全球最大規(guī)模的5MW/10MWh遼寧臥牛石風(fēng)電場(chǎng)全釩液流儲(chǔ)能系統(tǒng)，在國內(nèi)外率先實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)的示范應(yīng)用。當(dāng)前我國正在建立200MW/800MWh全釩液流電池國家儲(chǔ)能示范項(xiàng)目?，F(xiàn)階段液流電池發(fā)展面臨的主要問題為發(fā)展高性能電解液，優(yōu)化隔膜和極板材料，進(jìn)一步降低成本，提高性能，從而更好的推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2.4鈉硫電池和ZEBRA電池

鈉硫電池的正負(fù)極材料分別為熔融態(tài)的硫和鈉，電解質(zhì)為氧化鋁陶瓷管，當(dāng)工作溫度在300~350℃。鈉硫電池的原理圖如圖5a所示，鈉離子透過電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應(yīng)，從而進(jìn)行能量的釋放和儲(chǔ)存。鈉硫電池的理論比能量高達(dá)760Wh/Kg，實(shí)際可達(dá)150Wh/Kg，為鉛酸電池的3—4倍，充放電效率高，循環(huán)壽命較長。ZEBRA電池與鈉硫電池的結(jié)構(gòu)十分相似，但不同的是ZEBRA以固態(tài)多孔的二氯化鎳（NiCl2）等為正極并且加入液態(tài)的NaAlCl4為二次電解質(zhì)，其原理圖如圖5b所示。ZEBRA電池放電時(shí)，負(fù)極中的金屬鈉離子化后通過β“-A12O3，擴(kuò)散到正極與NiCl2反應(yīng)生成Ni金屬和NaCl，充電則執(zhí)行相反的過程。ZEBRA電池的能量密度可達(dá)到100Wh/Kg，壽命較長，儲(chǔ)能成本低，具有較好的耐過充過放特性，安全性能較高。

日本NGK公司是全球唯一鈉硫電池供應(yīng)商，早在20世紀(jì)80年代就與東京電力公司合作研發(fā)鈉硫電池應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代末期，成功發(fā)展了兆瓦時(shí)級(jí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要用來削峰填谷、輔助備用和穩(wěn)定電網(wǎng)。2002年美國在俄亥俄州利用NGK公司提供的鈉硫電池建成了100kW/500kVA的示范電站，2006年相繼在西弗吉尼亞州建立了鈉硫儲(chǔ)能電站，成功保證了周邊地區(qū)居民的電能供應(yīng)。在我國，鈉硫電池也得到了越來越多的關(guān)注。目前上海電力與中科院硅酸鹽所針對(duì)β-氧化鋁陶瓷管電解質(zhì)的規(guī)?；苽浜鸵恢滦钥刂频乳_展了系列研究，已經(jīng)成功研制出650Ah單體，建立了2MW的電池單體中試線。2010年100kW/800kWh的鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)被成功應(yīng)用于上海世博園智能電網(wǎng)項(xiàng)目。上海電力公司在2013年陸續(xù)通過了3個(gè)鈉硫電池儲(chǔ)能項(xiàng)目的驗(yàn)收。但是鈉硫電池制造成本較高，倍率性能較差，實(shí)際壽命有限，安全隱患大，嚴(yán)重限制了其在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用。

瑞士的MAS?DEA公司和美國的GE公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了管型設(shè)計(jì)的ZEBRA的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。ZEBRA電池已經(jīng)被成功用在奔馳、寶馬3和Clio等汽車中，在通信和軍事上也具有良好的應(yīng)用前景。今后需要加大對(duì)ZEBRA電池的研發(fā)力度，進(jìn)一步提升電池的能量密度和功率密度，推進(jìn)ZEBRA電池的國產(chǎn)化和商業(yè)應(yīng)用。

2.5液態(tài)金屬電池

近年來，一種廉價(jià)、高效的新型液態(tài)金屬電池儲(chǔ)能技術(shù)得到了較快的發(fā)展。圖6為液態(tài)金屬電池的工作原理圖，電池由上下2層液態(tài)金屬和中間的無機(jī)熔融鹽電解質(zhì)組成，其中3層液態(tài)互不混溶且根據(jù)密度差異自動(dòng)分層。電池的運(yùn)行溫度在300～500℃。液態(tài)金屬電池在長期使用的情況下不存在電極形變和枝晶生長的現(xiàn)象，展現(xiàn)出良好的安全性能和較長的循環(huán)壽命（預(yù)計(jì)壽命長達(dá)10000循環(huán)，15年）。液態(tài)金屬電池不需要特殊的隔膜，使電池體系易放大和生產(chǎn)不受關(guān)鍵技術(shù)限制，儲(chǔ)能成本（低于250美元/kWh）。液態(tài)金屬電池的優(yōu)良特性可以滿足大規(guī)模儲(chǔ)能市場(chǎng)的要求，因此在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前華中科技大學(xué)等單位致力于研發(fā)液態(tài)金屬電池，針對(duì)關(guān)鍵電極和電解質(zhì)材料做了大量研究工作，有效提高了電池的安全特性，成功實(shí)現(xiàn)了電池單體放大，快速推動(dòng)了液態(tài)金屬電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。要實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬電池規(guī)模應(yīng)用，必須有效解決電池的高溫密封和腐蝕等問題，同時(shí)發(fā)展新材料、新體系，進(jìn)一步降低電池操作溫度，降低儲(chǔ)能成本。

3結(jié)束語

儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)在傳統(tǒng)電網(wǎng)的改造和智能電網(wǎng)建設(shè)方面的重要性日益凸顯。目前抽水儲(chǔ)能發(fā)展最為成熟，但是仍然需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高性能機(jī)組設(shè)計(jì)、制造國產(chǎn)化，降低儲(chǔ)能成本。壓縮空氣儲(chǔ)能作為重要規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，今后的發(fā)展方向?yàn)樾?、穩(wěn)定性更高，成本更低的超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)起步較晚，目前仍處于初級(jí)階段，需要加大研發(fā)力度。

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)在削峰填谷、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和微網(wǎng)可再生發(fā)電等方面得到應(yīng)用。目前鋰離子電池使用最為廣泛，但是需要進(jìn)一步提高電池的安全性能，降低電池成本。鉛炭電池有望成為大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展中的重要技術(shù)，其制作工藝和負(fù)極析氫問題仍需進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)。液流電池在提升可再生能源并網(wǎng)率、平衡電網(wǎng)穩(wěn)定性等方面有廣泛的應(yīng)用，但需要進(jìn)一步優(yōu)化關(guān)鍵材料，降低成本。鈉硫電池的制造成本和安全性能仍然需要重點(diǎn)研究，需要加大對(duì)ZEBRA電池的研發(fā)力度，盡早實(shí)現(xiàn)電池的國產(chǎn)化。液態(tài)金屬電池作為新型的廉價(jià)、高效的電池體系，其儲(chǔ)能成本低、壽命長，經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，有望在儲(chǔ)能領(lǐng)域得到出較好的應(yīng)用。