全球储能技术发展现状与应用情况讲解

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300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Beta2 VoU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 全帆、帆漠、多硫化钠/漠等多个体系，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。全帆液流电池的正、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75 85%，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。PumpDischargeCharge PumpPos. Electrode Side V4*+Neg t Electrode Side + 四* W*ElectrolyteTankElectrolyteTank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LiCoO2 （钻酸锂）或尖晶石LiMnQ、LiFePO4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LiCoO2或LiMn2O4 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。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 定污染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(OH)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 oC-70 P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）:）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。图7飞轮储能系统原理 （来源：美国储能协会）超导电磁储能超导磁储能系统（SME）S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、充电效率高（可达到80%）、可大电流、 高功率放电需要在高温环境下工作，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%深度放电、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。超级电容器比功率高、循环寿命长、内 阻低、充放电速度快比容量小、单位能量投资高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、效率高、寿命 长、对环境没有影响、几乎 不需要维护能量密度比较低、系统复杂、对转 子、轴承要求比较高电磁储能超导储能响应速度快、转换效率高、 比容量大、比功率大系统昂贵、维护费用昂贵二、全球储能技术发展现状及应用情况储能技术在包括电力系统在内的多个领域具有广泛的用途，采用 这些技术可以更好地实现电力系统的能量管理和系统安全，尤其是在 可再生能源和分布式发电领域，这种作用尤为明显，在传统的发电和 输配电网络中，储能技术将可能发挥着变革性的作用。近年来，众多国 家都在加大对储能技术，尤其对电化学储能技术的研发投资力度，而世 界范围内的电力工业重组与能源结构调整也给储能技术带来了新的发展 机遇。（一）电化学储能技术发展现状及应用情况1、钠硫电池钠硫电池最早是美国福特（Ford）公司于1967年首先发明公布 的，到20世纪80年代中期，日本的京瓷（NGK）公司开始与日本东 京电力公司合作开发钠硫电池作为储能电池，NGK公司利用其在陶瓷 领域独特的技术优势，成功开发出比能量密度高达160kWh/m3的钠硫 电池，利用熔融状态的金属钠和硫磺在300C以上高温条件下，进行 氧化一还原反应，完成充放电过程。1992年，世界上第一座钠硫电 池储能系统开始在日本示范运行；2002年，NGK公司开始钠硫电池的 商业化生产与供应，到2002年底，日本已有超过50座钠硫电池储 能站进入示范运行；2004年7月，世界上最大的钠硫电池储电站 （9.6MW/57.6MW）h在日本Hitachi自动化系统工厂正式投入运行。钠硫电池能量密度高，便于模块化制造、运输与安装，适用于城市 变电站及特殊负荷，已被视为新兴的、高效的且具广阔发展前景的大 规模电力储能电池。但是，目前钠硫电池技术和应用开发技术主要由 日本NGK公司垄断，世界其它国家对钠硫电池的研发甚少。据统计，截止2007年底，日本NGK公司已有超过100座钠硫电 池储能站在全球运行中，电池量已超过100MW，同时开始向海外输 出。其中500kW以上的有59项，用于电网调峰占63%；调峰+紧急状态 供电占24%；不间断电源13%。日本京瓷（NGK）公司1995-2007年钠硫电池示范项目摘录见附（来源：日本NGK公司）2、液流电池液流电池也被视为新兴的、高效的、具有广阔发展前景的大规模电力储能电池。液流电池是1974年Thaller, L. H. （NASALewis Research Center, Cleveland, United States）提出的一种电化学 储能装置。经过30多年的研究与发展，世界各国研究者已经研究出 全钒体系、锌-溴体系、多硫化钠-溴体系等多个体系的液流电池， 其 中研究开发比较成熟、现已进入示范运行的液流电池体系有全钒液 流 蓄电系统（VRB）和多硫化钠/溴液流蓄电（PSB）系统，尤其是 全钒 液流电池已有大量应用案例，随着容量和规模的扩大、集成技术 的日益成熟，全钒液流电池的储能成本将进一步降低。全钒液流蓄电系统（VRB）, 1986年澳大利亚新南威尔士大学 Maria教授提出钒电池原理，并申请了专利。全钒液流蓄电系统进入 产业化研发和应用的全球主要有两大公司：日本住友电工（SEI）和 加拿大VRB能源系统公司。自1985年起，日本住友电工与关西电力公司开始合作开发全钒 液流储能电池系统，并于1989年建成用于电站调峰的60kW钒电池 组；于1995年开发出20kW的电池模块；此后又合作建成了 450kW/1MWh和100kW/800kWh等全钒液流储能电池系统，用于平衡 负载和电站调峰的示范运行。住友电工制造的25kW的全钒电池模块在 实验室中已正常运行8年，循环次数超过16000次。在日本政府的 新能源开发机构（NEDO的）资助下，2001年3月在北海道建设 了 170kW/1020kWh的风电储能装置，并荣获2001年度日本“能源 与资源技术进步”奖。目前，在日本共有15套全钒液流储能电池系 统进行示范运行，其中位于北海道的30MW的风电场，使用了 4MW/6MW储h能电池，最大输出功率可达6MW，成为世界上最大的全 钒液流电池储能系统，已经运行27万次循环。日本已具备了先进的制 造全钒液流储能电池系统的技术，并且在离子交换膜和电解质溶液的制 备技术，以及电池模块的设计制备等方面处于世界领先地位。加拿大 VRB Power System 公司（简称“ VRB Powe” r 公 司），成立于1999年，是一家专注于“全钒液流氧化还原储能系 统”（简称“VRB-ES”S）产品研发领先的上市公司，该公司于 2001年在南非建 成了 250kW的全钒液流电池系统，2004年为美国 太平洋电力建造了 250kW/2MWh的全钒液流电池系统，用于电站调峰以 及犹他州东南部地区供电。此后，该公司陆续收购了澳大利亚Pinnacle公司和日本 SEI公司的全球钒电池技术专利和特许权，以及 RWE npower公司 Regenesys electricity storage technology （简称“ RNG- ES” S 系统）的知识产权及相关资产后，并先后开发出三代商用钒电池储能产 品。而且在电堆构造设计、关键材料评价体系建立，系统集成等方面 取得了突破性的进展，成为全球唯一一家有商用产品开发经验的钒电 池公司，建立了覆盖全球80多个国家的液流电池专利体系。截至 2008年底，VRB Power在全球范围内成功实施和运营40多个“ VRB-ESS”储能项目，其中近20个为大型“ VRB-ESS”储能系 统。2009年1月，总部设在中国北京的北京普能世纪科技有限公司（Prudent Energy）成功收购了加拿大VRBP ower公司的资产、知 识产权和生产技能，吸收了来自VRB公司的经验与知识的积累，包 括来自于Regenesys和日本住友Sumitomo在液流电池产业中长达 15年的研究成果，其在全球超过30个成功实施案例及15个专 利，覆盖全 球23个主要国家。除了日本和加拿大对全钒液流电池的研究外，西欧一些国家，如 德国、奥地利、葡萄牙和英国等国家也在开展全钒液流蓄电系统的研 究，并计划将其应用于光伏发电和风能发电的蓄电系统。目前国际上 VRB 公司主要有：Sumitomo Electric Industries Ltd （日本） ； Pinnacle s parent Company （澳大利亚）； VRB Power Systems Inc.（加拿大）；Refuel Inc.（英国）；Cell Strom Inc.（奥 地利）；北京普能世纪科技有 限公司（中国）等。英国Innogy公司于上世纪九十年代初开始研究多硫化钠/溴液 流蓄电（PSB）系统，曾先后开发出5kW、20kW、100kW三个系列的 电池模块，经串、并联组合出多种功率的蓄电系统，并于2001年和 2002年分别在英国和美国各建造了 120 MWh储能电站，用于电站调峰 和UPS；美国电网大停电事故后，为美国密西西比的哥伦比亚空军基地 建造了世界上第二座PSB蓄电系统，蓄电规模达到120MW、h功率 12MW，耗资2500万美元，2004年投入使用，可为该空军基地在非 常时期提供24小时的电能；Innogy还为Eltra公司在丹麦的一 个沿海风能电站建造PSB蓄电系统，2005年投入使用。但据最近消 息，Innogy公司2000年建造2002年投入运行的15MW的蓄电 站已停止运行，主要 原因是漠气对建筑结构有腐蚀作用。近20年来，全钒液流电池作为液流电池的主要产品发展比较迅 速，美国、日本、欧洲等国家相继将全钒液流电池储能系统用于电站 调 峰、风能/光伏发电相配套的发电系统。其中商业示范项目最多的国 家是日本，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，功率从20kW至6MW，能量效率超过70%。世界主要全钒液流电池储能系统应用案例列表见附件2。3、锂离子电池锂离子电池比能量/比功率高、自放电小，但由于工艺和环境温 度差异等因素的影响，作为大规模储能系统应用指标往往达不到单体 水平，使用寿命较单体缩短数倍甚至十几倍，然而锂离子电池是近年技术进步最快的电池。锂离子电池的关键材料是电极材料、隔膜和电解液。决定充放电 性能的正极材料已经可以做到30纳米以内，从100纳米到50纳 米，只经历了不到1年时间。美国麻省理工学院的研究人员已经将电 池的充电时间缩短至1分钟以内。依托美国麻省理工学院的美国 A123公司利用其开发出的性能更高的纳米级磷酸铁锂，已使电池的导 电性、安全性和功率性能有了极大提高，电池成本也下降了近30%。 在电池 隔膜方面，目前主要有干法和湿法两种生产锂离子电池隔膜的技 术，决定隔膜性能的指标主要是厚度、孔隙率、防短路等。目前，日本 旭化成、东燃、美国Celgard等是全球主要隔膜供应商，产品占高端 隔膜市场的95%以上。近几年来，随着价廉、高安全的镍钻锰酸锂、改性尖晶石锰酸锂 和磷酸铁锂等新型正极材料的产业化，高功率型锂离子电池技术也得 到迅速发展，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（BEB）、混合电动车 （HEV）等领域进入商业化应用，并且近年美国、中国等已还在开展大 功率锂 电池在储能电站中的应用。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2MW储能电站。2009 年，中国比亚迪公司的1MW锂离子电池储能电站已建成并开始试运 行；美国AEP公司将于2010年建成以锂离子电池进行储能的3MW社 区储能系统（CES）。4、铅酸电池铅酸电池是最成熟的蓄电池技术，已历经140多年的发展，在镉 -镍电池、氢-镍电池、锂离子电池等新型电池相继上市的几十年 中，目前铅酸电池仍占据半数以上的市场份额。除因铅酸电池技术成 熟、价格低廉、安全性高等传统的突出优点外，与铅酸电池近些年在 竞争中发展了许多新技术密切相关，如全密封式、管式、水平式等新 结构；新组分铅合金电极，促进比能量逐渐提高，成为目前大功率蓄 电池中使用比例最高、价格最便宜的电池产品。当前使用最广泛的是 阀控式 密封铅蓄电池（VRLA）和胶体密封铅蓄电池。它们已逐步取代原 先的自由电解液式的铅蓄电池，容量范围可从数十mAh到上万Ah。铅酸电池储能系统在发电厂、变电站充当备用电源已使用多年，并 在维持电力系统安全、稳定和可靠运行方面发挥了极其重要的作用。日 本 NEDO资助铅酸电池与光伏发电配合使用的示范项目，总储 能容量为 4.95MW。表2世界铅酸电池储能系统典型应用案例序号铅酸电池系统 名称和位置额定功率/容 量/（MW/MWh）功能安装时间1BEWAG，Berlin （德国）8.5/8.5热备用、频率控制1986 年2Crescent ， NorthCarolina0.5/0.5峰值调节1987 年3Chino ， California （美 国）10/40热备用、平衡负荷1988 年4PREPA，Puerto Rico （波多 黎各）20/14热备用、频率控制1994 年5Vernon ， California （ 美 国）3/4.5提高电能质量1995 年6Metlakatla ， Alaska （ 美 国）1/1.4提高孤立电网稳定 性1997 年7ESCAR， Madrid （西班牙）1/4平衡负荷20世纪90年代后 期8Herne-Sodingen （ 德国）1.2/1.2削峰、提高电能质 量20世纪90年代后 期资料来源：中国电力科学院5、镍镉电池镍镉电池效率比较高，但随着充放电次数的增加容量将会减少， 荷电保持能力仍有待提高。此外，因为存在重金属污染已被欧盟组织 限用。目前在阿拉斯加Golden Valley运行的的镍镉储能系统配置为 4MWX15 分钟。6、超级电容储能超级电容器历经三代及数十年的发展，已经形成电容量0.5- 1000F、工作电压12-400V、最大放电电流400-2000A系列产 品，储能系统最大储能量达到8.3kWh。但是，超级电容器价格较为昂 贵，在电力系统中多用于短时间、大功率的负载平滑和主要用于高峰 值功率、低容量的场合，以满足用户对于电能质量和供电可靠性的越 来越高的要求。目前正在开发基于活性碳双层电极与锂离子插入式电极 的第四代超级电容器。目前，西门子公司开发的储能量达到5.8kWh、最大功率1MW的 超级电容器储能系统，成功安装在德国科隆市750 V直流地铁配电网 中，该系统由4800支2600F/2.5 V超级电容器组成，重量2t，体 积2m3，超级电容器组储能效率为95%；美国TVA电力公司成功开发 的200kW超级电容器储能系统，用于大功率直流电机的启动支撑。（二）抽水蓄能及其它储能技术发展现状及应用情况1、抽水蓄能电站美、日、欧洲等国家和地区在20世纪60-70年代进入抽水蓄能电站建设的高峰期。目前，抽水蓄能已成为电力系统中实现“调峰填 谷”、最为广泛应用的一种储能技术和有效手段，已形成了规范的设计 和施工标准。普遍采用的机组为水泵水轮机与水轮发电电动机组成 的 二机式可逆机组，施工采用沥青混凝土面板防渗、HT-100高强度钢 结构、斜井全断面隧洞掘进机开挖、钢岔管考虑围岩分担内水压力、 上水库和地下厂房信息化施工等先进技术。为提高整体经济性，抽水 蓄能电站的机组正在向高水头、高转速、大容量方向发展，立足于对 振 动、空蚀、变形、止水和磁特性的研究和实现自动频率控制等。限制抽 水蓄能电站更为广泛应用的一个重要制约因素是建设工期长，工程投 资巨大，受地形条件的限制。目前，世界范围内抽水蓄能电站总装机容量9000万千瓦，约占全球发电装机容量的3%。美国和西欧经济发达国家抽水蓄能机组容 量 占世界抽水蓄能电站总装机容量55%以上，表1-3中显示了近十年 来投入运行的8个大型抽水蓄能电站的情况。表3国外部分大型抽水蓄能应用案例序号电站国家装机容量/MW投入年份1落基山美国76019952锡亚比舍伊朗100019963奥清津II日本60019964葛野川日本160019995拉姆它昆泰国100020006金谷德国106020037神流川日本282020058小丸川日本12002007资料来源泉：中国电力科学院、压缩空气储能压缩空气储能的建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站，利用 渠式超导热管技术可使系统换能效率达到90%，大规模化和复合发电 技术将进一步降低成本。但因其能量密度低，受岩层等地形条件的限 制，影响了应用的发展。近年随着分布式电力系统的发展，人们对于 8-12MW微型压缩空气储能系统(micro-CAES)开始关注，如利用 压力 罐存放压缩空气，但其成本比较高。世界上第一个商业化压缩空气储能电站(CAES)为1978年建于 德国Hundorf，机组为290MW，换能效率77%，运行至今累计启动 超过7000次，主要用于热备用和平滑负荷。1991年建于美国亚拉 巴马州的压缩空气储能系统是一个优秀的成功案例，它把压缩空气储 存在地下450米的废盐矿中，用110兆瓦的汽轮机连续提供26小 时的压 缩空气，能在14分钟内并网。日本于1998年在北海道三井 砂川矿，利用矿坑做储气库，2001年开始运行，输出功率为2MW。 ABB公司在瑞士建的大规模联合循环CAES电站，输出功率442MW， 运行时间为8小时。2005年美国Ridge和EI Paso能源公司在 Texas开始建造的Markham电站，容量为540MW。此外，俄罗斯、法 国、意大利、卢森堡、以色列等国也长期致力于CAES的开发。3、飞轮储能随着高强度碳素纤维和玻璃纤维材料、大功率电 力电子交流技术、电磁和超导磁悬浮轴承技术的发展，飞轮储能技术 已经形成系列 产品，目前高温超导磁悬浮轴承摩擦系数达到10-7级 量。在此基础上，1MWh超导飞轮已经于1997年研制成功，并应用在 航空及UPS领域。国际上大多数飞轮储能系统用于短时间供电支撑，如：1999年 欧洲Urenc Power公司利用高强度碳纤维和玻璃纤维复合材料制作飞 轮，转速为42000r/min，2001年1月系统投入运行，充当UPS， 储能量达到5kWh；日本建成的世界上最大的飞轮储能系 统为340MW/30； s美国纽约地铁安装的1MW/6s飞轮储能系统，是由 10个100kW/1.6kWh飞轮组成飞轮阵列，用于列车启动电压支撑和制 动能 量回收；美国能源部和California Energy Commission支持 建设的100kW的飞轮储能系统用于电网电压和频率控制，2005-2006 年进行了 18个月的运行测试，该项目最终目标是建设1MW/250kW 的h飞轮储 能系统。还有一些飞轮储能系统用于长时间放电支撑，如 输出2kW/3小时的飞轮储能系统。美国波音公司Phantom工厂研制 的高温超导磁浮轴承的100kW/5kWh飞轮储能装置，用于电能质量控 制和电力调峰。表1-4为典型的世界飞轮储能应用案例。表4世界部分飞轮储能应用案例研发机构基本参数技术特点作用日本四国综 合研究所8MWh，储能放电各4h，待 机16h高温超导磁浮立式轴承，储能效 率84%平滑负荷日本原子力研 究所215MW/2.22MWh输出电压18kV，输出电流 6896A，储能效率85%UPS美国Vista公 司277kWh引入风力发电系统全程调峰美国马里兰大 学24kWh，转速11610-46345rad/min电磁悬浮轴承，输出恒压110V/240V，全程效率 81%电力调峰德国5MW/100MW，h 转速2250-4500rad/min超导磁浮轴承，储能效率96%储能电站巴西额定转速30000rad/min超导与永磁悬浮轴承电压补偿资料来源：中国电力科学院4、超导电磁储能超导电磁储能（SME）S没有旋转机械和动密封的问题，它的研究 重点集中在基于高温超导涂层导体研发适于液氮温区运行的MJ级系 统，从而解决高场磁体绕组力学支撑问题，并与柔性输电技术相结合， 进一步降低投资与运行成本，结合实际系统探讨分布式SMES及其有效 控制和保护策略。目前，依托电力电子系统的无功电能质量调节方法和装置已较成熟，美国超导公司推出的动态电压调节器等均有小规模应用，并可进行产品开发，采用SMES作为储能元件的有功电能质量调节装置也完 成 了初步产业化发展。最近，美国超导公司与威斯康辛公共电力公司 合 作，将世界上第一批分布式的超导电磁蓄能装置简称D-SMES投入商 业运行。每一个装置蓄能容量为3MJ，以小于0.5ms的响应时间提 供有功和无功功率补偿，连续无功补偿调节容量可达28Mvar,瞬时 的有功和无功补偿输出分别为3MW、16Mvar，用以防止电压崩溃，提 高电网电压稳定性。SMES在美国、日本、欧洲一些国家的电力系统 已 得到初步应用，在维持电网稳定、提高输电能力和用户电能质量等 方 面发挥了极其重要的作用。目前，世界上1-5MJ/MW低温SMES装置已经形成产品，100MJ 的SMES已投入高压输电网中实际运行，MJ量级的高温超导SMES已 基本 成熟。未来主要发展方向将是采用第II代高温超导带材的高温超导 SME，S在世界范围内已有许多超导磁储能工程正在进行或者处于研制 阶段。表5世界超导磁储能系统典型应用案例国家/ 地区年份应用地点基本参数作用美国1982美国30MJ/10MW抑制系统低频振汤和支撑系统电 压1993美国阿拉斯加电网1.8GJ提高电网的供电可靠性2000美国威斯康星州、公用 电力北方、环型输电网6x3MJ/8MVA避免电压跌落和短路故障2002美国田纳西州TVA电管 局500kV输电网8x3MJ/8MW维护输电网电压稳定性日本2002Chubu电力公司7.3MJ/5MW提供瞬时电压补偿2003Chubu电力公司1MJ补偿瞬时电压跌落2006Hosoo电站10MW提高系统稳定性和供电品质欧洲2002德国ACCEL150kJ用于20kVA UPS系统，与电网相 连 以提高电能质量，同时发挥有源 电力滤波器作用。韩国2001韩国电力研究所1MJ/300VA有效维持系统稳定运行2006韩国电力研究所，Hyundai 重工3MJ/750kVA提高敏感负荷的供电质量资料来源：中国电力科学院备注：(1) 超导磁储能习惯用MJ表示，1MWh=3600M； J(2) W与VA的关系可以表示为：W = VAx功率因数。功率因数在01之间，它表示了负 载电流做的有用功(W)比例。餐计俩祗孩村的比攻建议：从储能市场初步情况了解来看，纷纷杂乱，储能标委会刚刚组建，各项标准刚刚开始筹划，“电化学储能系统接入电网测算规程” 征求意见稿刚刚出台，目前尚无未来可能占据主要地位的电池技术定 论，计划年后再开始进一步沟通交流。建议初步关注以下几个方向： 电化学储能（钠硫电池、液流电池（钒电池）、锂离子电池、超级电 容器等）、飞轮储能等、电磁储能（如超导电磁储能等）、制 氢。各自产业链不同，带来的能落地的故事也不同：锂电一一电动 车 智慧交通 电化学储能分布式储能、集中式储能 新能源飞轮一一与能量型储能设备搭配平滑曲线一一微网供电制氢一一氢动 力汽车一一智慧交通 北京普能世纪科技有限公司值得关注（钒电池）