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储能技术在电网中的应用发展

导读: 近几十年来,储能技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力、电讯等部门的重视。储能技术在电力系统中的应用,主要集中在可再生能源发电移峰、分布式能源及微电网、电力辅助服务、电力质量调频、电动汽车充换电等方面,是解决新能源电力储存的关键技术。

  近几十年来,储能技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力、电讯等部门的重视。储能技术在电力系统中的应用,主要集中在可再生能源发电移峰、分布式能源及微电网、电力辅助服务、电力质量调频、电动汽车充换电等方面,是解决新能源电力储存的关键技术。

  电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态进行存储,按照具体的技术类型可分为物理储能、电化学储能、电磁储能和相变储能等。其中物理储能包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能;电磁储能包括超导、超级电容和高能密度电容储能;电化学储能包括铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能;相变储能包括冰蓄冷储能等。

  物理储能是当前并网型储能的主导技术

  抽水蓄能是当前最主要的电力储能技术。抽水储能电站配备上、下游两个水库,负荷低谷时段抽水储能设备工作在电动机状态,将下游水库的水抽到上游水库保存,负荷高峰时抽水储能设备处于发电机的状态,利用储存在上游水库中的水发电。

  目前,世界范围内抽水蓄能电站主要集中分布在美国、日本和西欧等国家和地区,并网总装机容量超过 7000 万千瓦,约占全球发电装机容量的 1.2%。而美国、日本和西欧等经济发达国家抽水蓄能机组容量占到了世界抽水蓄能电站总装机容量的 70%以上。近年来,世界大型抽水蓄能电站的应用案例主要有日本神流川电站(装机 282 万千瓦),美国落基山电站(装机 76 万千瓦),德国金谷电站(装机 106 万千瓦)。

  压缩空气储能也是一种物理储能形式。储能时,压缩机将空气压缩并存于储气室中,储存室一般由钢瓶、岩洞、废弃矿洞充当。释能时,高压空气从储气室释放,做功发电。目前全球压缩空气储能装机约 40 万千瓦。压缩空气储能技术研究始于20世纪40 年代,70 年代后,德、美等国相继投运压缩空气储能系统,将几十至一百多个大气压的空气储存于矿洞或地下洞穴,释能时采用天然气补燃的方式通过燃气轮机发电,效率为 42%~54%。压缩空气储能技术术比较成熟,但大规模的应用需要洞穴储气,选址有一定困难,2000 年后全球无新增商业化运营的案例。

  电化学储能发展快速

  锂离子电池储能是应用最广泛的并网型电化学储能。近几年来,大规模锂离子储能技术也已进入示范应用阶段,特别是动力型锂离子电池已在电动工具、电动自行车、混合电动车等领域进入商业化应用。此外,美国、中国等国近年还在开展大功率锂电池在储能电站中的应用研究和实践。目前,世界上运行的最大锂离子储能系统是 A123 公司投资建设的装机容量为 2 兆瓦的储能电站。截至 2014 年年底,全球并网型锂离子储能装机容量约为 29.3 万千瓦,其中美国锂离子电池装机规模最大,达 11 万千瓦。

  液流氧化还原电池,简称液流蓄电站或液流电池,被视为新兴、高效,并具有广阔发展前景的大规模电力储能电池。经过 30 多年相关技术和材料的研究与发展,液流氧化还原电池商业示范项目最多的国家是日本,主要应用在可再生能源发电、电网调峰、平衡负载和小型备用电站中,功率从 20 千万至 6 兆瓦,能量效率超过70%。截至 2014 年年底,我国液流电池装机容量超过 1 万千瓦。

  储能技术在电力系统的应用

  除了以上流行的储能技术,还有一些应用比较广泛的储能方式。

  首先是飞轮储能,目前主要应用于为蓄电池系统作补充,如用于不间断电源 / 应急电源、电网调峰和频率控制。截至 2014 年年底,飞轮储能总装机容量在美国为 40.5 兆瓦,在加拿大为 2 兆瓦。其次是超级电容器,目前,美国 TVA 电力公司成功开发的 200 千瓦超级电容器储能系统,主要用于大功率直流电机的启动支撑。再次是超导电磁储能,是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他负载。还有热储能,这种储能技术在能源应用的集中供应端和用户端都有重要应用。最后还有深冷储能技术,可将储热(冷)直接用于大规模电能管理,利用空气常压下极低的液化点,有效解决一般储热技术能量密度小等问题。目前一些示范电厂与英国国家电网合作应用深冷储能技术为电网提供各种容量需求和辅助服务。

  储能技术能否在电力系统中得到推广应用,主要取决于是否能够达到一定的储能规模等级 , 是否具备适合工程化应用的设备形态,以及是否具有较高的安全可靠性和技术经济性。

  安全与可靠始终是电力系统运行的基本要求,兆瓦级 / 兆瓦时级规模的储能系统对技术的安全与可靠性提出了更高的要求,能否在此规模及更大规模下安全可靠地运行将是评价一种储能技术能否大规模商业应用的指标之一。

  未来广泛应用于电力系统的储能技术,至少需达到兆瓦级 / 兆瓦时级的储能规模。目前,抽水蓄能、压缩空气储能和电化学电池储能可达到兆瓦级 / 兆瓦时级的储能规模,而飞轮储能、超导磁储能及超级电容器等功率型储能技术很难达到兆瓦时级。具体来说,抽水蓄能和大型压缩空气储能可达到数百兆瓦级 / 数百兆瓦时级,电池储能、不采用地下洞穴和天然气的新型压缩空气储能能够达到兆瓦级 / 兆瓦时级。因此,由于安全可靠性高,抽水蓄能、压缩空气储能和电池储能等能量型储能技术是大规模发展储能技术的首选。

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