可再生能源储能技术

可再生能源储能方式中国联合工程有限公司2018.4.28引子2017年9月22日，国家发展改革委、财政部、科学技术部、工业和信息化部、国家能源局联合下发关于促进储能技术与产业发展的指导意见发改源【2017】1701号文。文中提到目前的重点任务有五点：（一）推进储能技术装备研发示范（二）推进储能提升可再生能源利用水平应用示范（三）推进储能提升电力系统灵活性稳定性应用示范（四）推进储能提升用能智能化水平应用示范（五）推进储能多元化应用支撑能源互联网应用示范（一）推进储能技术装备研发示范集中攻关一批具有关键核心意义的储能技术和材料集中攻关一批具有关键核心意义的储能技术和材料。重点包括变速抽水蓄能技术、大规模新型压缩空气储能技术、化学储电的各种新材料制备技术、高温超导磁储能技术、相变储热材料与高温储热技术、储能系统集成技术、能量管理技术等。试验示范一批具有产业化潜力的储能技术和装备试验示范一批具有产业化潜力的储能技术和装备。重点包括10MW/100MWH级超临界压缩空气储能系统、10MW/1000MJ级飞轮储能阵列机组、100MW级锂离子电池储能系统、大容量新型熔盐储热装置、应用于智能电网及分布式发电的超级电容电能质量调节系统等。应用推广一批具有自主知识产权的储能技术和产品应用推广一批具有自主知识产权的储能技术和产品。重点包括100MW级全钒液流电池储能电站、高性能铅炭电容电池储能系统等。完善储能产品标准和检测认证体系。完善储能产品标准和检测认证体系。（二）推进储能提升可再生能源利用水平应用示范鼓励可再生能源场站合理配置储能系统。鼓励可再生能源场站合理配置储能系统。研究确定不同特性储能系统接入方式、并网适应性、运行控制、涉网保护、信息交换及安全防护等方面的要求，对于满足要求的储能系统，电网应准予接入并将其纳入电网调度管理。推动储能系统与可再生能源协调运行。推动储能系统与可再生能源协调运行。鼓励储能与可再生能源场站作为联合体参与电网运行优化，接受电网运行调度，实现平滑出力波动、提升消纳能力、为电网提供辅助服务等功能。电网企业应将联合体作为特殊的“电厂”对待，在政府指导下签订并网调度协议和购售电合同，联合体享有相应的权利并承担应有的义务。研究建立可再生能源场站侧储能补偿机制。研究建立可再生能源场站侧储能补偿机制。研究和定量评估可再生能源场站侧配置储能设施的价值，探索合理补偿方式。支持应用多种储能促进可再生能源消纳。支持应用多种储能促进可再生能源消纳。支持在可再生能源消纳问题突出的地区开展可再生能源储电、储热、制氢等多种形式能源存储与输出利用；推进风电储热、风电制氢等试点示范工程的建设。（三）推进储能提升电力系统灵活性稳定性应用示范支持储能系统直接接入电网。支持储能系统直接接入电网。研究储能接入电网的容量范围、电压等级、并网适应性、运行控制、涉网保护、信息交互及安全防护等技术要求。鼓励电网等企业根据相关国家或行业标准要求结合需求集中或分布式接入储能系统，并开展运行优化技术研究和应用示范。支持各类主体按照市场化原则投资建设运营接入电网的储能系统。鼓励利用淘汰或退役发电厂既有线路和设施建设储能系统。建立健全储能参与辅助服务市场机制。建立健全储能参与辅助服务市场机制。参照火电厂提供辅助服务等相关政策和机制，允许储能系统与机组联合或作为独立主体参与辅助服务交易。根据电力市场发展逐步优化，在遵循自愿的交易原则基础上，形成“按效果付费、谁受益谁付费”的市场机制。探索建立储能容量电费和储能参与容量市场的规则机制。探索建立储能容量电费和储能参与容量市场的规则机制。结合电力体制改革，参考抽水蓄能相关政策，探索建立储能容量电费和储能参与容量市场的规则，对满足条件的各类大规模储能系统给予容量补偿。（四）推进储能提升用能智能化水平应用示范鼓励在用户侧建设分布式储能系统。鼓励在用户侧建设分布式储能系统。研究制定用户侧接入储能的准入政策和技术标准，引导和规范用户侧分布式电储能系统建设运行。支持具有配电网经营权的售电公司和具备条件的居民用户配置储能，提高分布式能源本地消纳比例、参与需求响应，降低用能成本，鼓励相关商业模式探索。完善用户侧储能系统支持政策。完善用户侧储能系统支持政策。结合电力体制改革，允许储能通过市场化方式参与电能交易。支持用户侧建设的一定规模的电储能设施与发电企业联合或作为独立主体参与调频、调峰等辅助服务。支持微电网和离网地区配置储能。支持微电网和离网地区配置储能。鼓励通过配置多种储能提高微电网供电的可靠性和电能质量；积极探索含储能的微电网参与电能交易、电网运行优化的新技术和新模式。鼓励开发经济适用的储能系统解决或优化无电人口供电方式。（五）推进储能多元化应用支撑能源互联网应用示范提升储能系统的信息化和管控水平。提升储能系统的信息化和管控水平。在确保网络信息安全的前提下，促进储能基础设施与信息技术的深度融合，支持能量信息化技术的研发应用。逐步实现对储能的能源互联网管控，提高储能资源的利用效率，充分发挥储能系统在能源互联网中的多元化作用。鼓励鼓励基于多种储能实现能源互联网多能互补、多源互动。基于多种储能实现能源互联网多能互补、多源互动。鼓励大型综合能源基地合理配置储能系统，实现风光水火储多能互补。支持开放共享的分布式储能大数据平台和能量服务平台的建设。鼓励家庭、园区、区域等不同层次的终端用户互补利用各类能源和储能资源，实现多能协同和能源综合梯级利用。拓展拓展电动汽车等分散电池资源的储能化应用。电动汽车等分散电池资源的储能化应用。积极开展电动汽车智能充放电业务，探索电动汽车动力电池、通讯基站电池、不间断电源（UPS）等分散电池资源的能源互联网管控和储能化应用。完善动力电池全生命周期监管，开展对淘汰动力电池进行储能梯次利用研究。储能技术种类储能技术是通过装置或物理介质将能量储存起来以后需要时利用的技术。储能技术按照储存介质进行分类，可以分为机械类储能、电气类储能、电化学类储能、热储能和化学类储能。现有的储能系统主要分为五类：机械储能、电气储能、电化学储能、热储能和化学储能。目前世界占比最高的是抽水蓄能，其总装机容量规模达到了127GW，占总储能容量的99%，其次是压缩空气储能，总装机容量为440MW，排名第三的是钠硫电池，总容量规模为316MW。储能技术种类储能技术种类储能技术种类根据目前储能技术应用的成熟度，可以将储能技术从3级到0级分为四个不同层次：3级：已经商业化的技术。如抽水蓄能、铅酸电池储能等。2级：进入示范阶段或已部分商业化的技术。包括压缩空气储能、锂离子电池、钠基电池、铅碳电池、全钒液流电池、锌溴液流电池、超导储能、飞轮储能、超级电容器、储热/冷、熔融盐储热等。这些技术均已完成研发并开始产业示范。对于能量密度较低但功率密度较高的超导储能、飞轮储能、超级电容器，在电网用先进大容量储能方面可以起到辅助作用，配合其它能量型储能技术使用。1级：技术原理通过验证但尚处于实验室研发阶段的技术。例如锂液流电池、锂浆料电池、金属基电池等新型储能电池。此类新型储能技术在研发之初就立足于低成本、长寿命、大容量的技术要求，起点较高，发展十分迅速，具有较大的商业潜力。0级：新概念储能技术。未来会出现的一些新型储能技术，其技术原理尚未得到验证，属于原创技术，应该予以高度关注。机械类储能抽水储能压缩空气储能飞轮储能抽水储能技术抽水储能是在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库时将电能转化成重力势能储存起来的形式，综合效率在70%到85%之间，应用在电力系统的调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用。主要用于电力系统的调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用等。抽水蓄能电站的建设受地形制约，当电站距离用电区域较远时输电损耗较大。抽水储能技术不足之处：选址困难，及其依赖地势;投资周期较大，损耗较高，包括抽蓄损耗+线路损耗;现阶段也受中国电价政策的制约。压缩空气储能技术压缩空气储能系统可利用低谷电、弃风电、弃光电等对空气进行压缩，并将高压空气密封在地下盐穴、地下矿洞、过期油气井或新建储气室中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动透平机（气轮机、涡轮机等）发电。按照运行原理，压缩空气储能系统可以分为补燃式和非补燃式两类。自1949年STALLAVAL提出利用压缩空气储能以来，国内外学者进行了大量的研究。目前世界上已有两座大型传统的压缩空气储能电站投入运营。1978年，第一台商业运行的压缩空气储能机组在德国的亨托夫（HUNTORF）诞生。11991年5月第二座电站在美国阿拉巴马州麦金托夫市（MCINTOSH）投入运行。目前关于压缩空气储能系统的形式也是多种多样，按照工作介质、存储介质与热源可以分为：传统压缩空气储能系统（需要化石燃料燃烧）、带储热装置的压缩空气储能系统、液气压缩储能系统。压缩空气储能技术压缩空气技术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汽轮机发电。压缩空气主要用于电力调峰和系统备用，压缩空气储能电站的建设受地形制约，对地质结构有特殊要求。压缩空气储能技术典型应用场景典型应用场景1）削峰填谷。集中式的大型CAES电站的单机容量可达百兆瓦量级，发电时间可达数小时，可在电力系统负荷低谷时消纳富余电力，在负荷高峰时向电网馈电，起到“削峰填谷”的作用，从而促进电力系统的经济运行。2）消纳新能源。分散式CAES电站的容量配置为几兆瓦到几十兆瓦，可与光伏电站、风电场、小水电站等配套建设，将间歇性的可再生能源储存起来，在用电高峰期释放，缓解当前的弃风、弃光和弃水困局。3）构建独立电力系统。CAES还可用于沙漠、山区、海岛等特殊场合的电力系统。该类地区对储能系统的寿命、环保等方面有特殊需求。在此情况下，若配合风力发电、光伏发电、潮汐发电等清洁能源，结合非补燃CAES的冷热电联供特点，则有望构建低碳环保的冷热电三联供独立电力系统。4）紧急备用电源。由于非补燃CAES技术不受外界电网、燃料供应等条件的限制，对于电网出现突发情况如冰灾造成的断网等，该技术的应用将能确保重要负荷单位如政府机关、军事设施、医院等的正常运行。5）辅助功能。压缩空气储能具有功率和电压均可调节的同步发电系统，且响应迅速，其大量应用可以增加整个电力系统的旋转备用和无功支撑能力，提高系统电能品质和安全稳定水平。压缩空气储能技术不足之处：一大缺陷在于效率较低。原因在于空气受到压缩时温度会升高，空气释放膨胀的过程中温度会降低。在压缩空气过程中一部分能量以热能的形式散失，在膨胀之前就必须要重新加热。通常以天然气作为加热空气的热源，这就导致蓄能效率降低。还有可以想到的不足就是需要大型储气装置、一定的地质条件和依赖燃烧化石燃料。飞轮储能技术飞轮储能系统是由高速飞轮、磁轴承系统、永磁电动/发电机、能量转换控制系统以及附加设备组成，它是以高速旋转的飞轮质体作为机械能量储存的介质，利用电动发电机和能量转换控 制系统来控制能量的输入和输出，达到充电和放电的目的。飞轮储能能量示意图飞轮储能技术飞轮储能与传统化学电池相比，具备有以下优点：1）充放电迅速。从收到电网侧的调节信号到飞轮储能系统做出反应，时间极短，并且在之后数分钟时间内能够完成整个系统的充/放电过程，符合电网的短时响应与调节需求，相比于蓄电池、抽水 蓄能、压缩空气等，具有较快的充/放电时间。2）工作效率高。一般的飞轮储能系统工作效率可以达到90%左右，相比于抽水蓄能的 60%以及蓄电池储能的70%，具有明显的优势，而且采用磁悬浮轴承的飞轮储能系统，其工作效率更高，接近 95%。3）使用寿命长。飞轮储能系统虽价格昂贵，但是设计良好，其年平均维护费用极低，充放电次数明显优于蓄电池储能等，其达到了百万数量级，且一般免维护的时间是在10A以上。4）环保无污染。由于机械储能的缘故，飞轮储能不会排放出污染环境的物质，其是一种环境友 好型的绿色储能技术。此外，飞轮储能系统还具有模块性、建设时间短、事故后果影响低等优点。飞轮储能技术飞轮储能技术的应用1）UPS不间断电源。目前UPS逐渐倾向于使用飞轮储能装置等新型储能设备，既减少了环境污染，延长了使用寿命，同时也提高了工作效率。2）节能。飞轮储能系统可以单独或与其他动力装置一起混合用于电动汽车上，能够改善电动汽车的经济性和动力性，间接减少尾气排放和对环境的污染程度。采用飞轮储能装置，依靠动能回收系统进行能量回收与释放，相对于使用锂电池，飞轮储能系统效果更优。3）传统电力系统。飞轮储能技术应用于传统电力系统，其能够较 好地调节有功功率，削峰填谷，增大功率因数，稳定电压和频率，并对改善电能质量和稳定负荷具有良好的作用。飞轮储能技术飞轮储能技术的应用4）微网。目前，微网(MICROGRID)作为一个小型发配电系统，能够实现自我监控、自我调节，既可以并网运行，也能独立运行。因此，相对于传统大电网而言，微网由于分布式电源多、位置灵活、分散等特点，需要有储能系统的支撑做保障。在微网能量充足时，飞轮储能系统将多余的能量存储起来，稳定端电压；当微网发生故障，或出现功率性缺额现象时，将存储的能量释放出去，增强了局部供电可靠性，维持了微网的频率稳定。5）可再生能源的并网。飞轮储能技术的一个关键应用领域是可再生能源的并网。飞轮储能系统作为一个可灵活调控的有功源，能稳定并网频率和电压，减小可再生能源的波动性，削峰填谷，降低对电网的冲击，有效地改善可再生能源并网过程中产生的电能质量问题，确保安全性和可靠性。飞轮储能技术飞轮储能技术的应用飞轮储能在不同应用领域中开展项目的数量占比飞轮储能在不同应用领域中开展项目的装机容量占比电气类储能超导电容器储能超导储能超导电容器储能技术超级电容器根据电化学双电层理论研制而成，可提供强大的脉冲功率，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。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、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。超导电容器储能技术不足之处：和电池相比，其能量密度导致同等重量下储能量相对较低，直接导致的就是续航能力差，依赖于新材料的诞生，比如石墨烯。超导储能技术超导储能系统(SMES)利用超导体制成的线圈储存磁场能量，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容量能量交换和功率补偿。SMES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。超导储能技术超导储能（超导储能（SMES）：）：利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能的装置。超导储能系统大致包括超导线圈、低温系统、功率调节系统和监控系统4大部分。超导材料技术开发是超导储能技术的重中之重。超导材料大致可分为低温超导材料、高温超导材料和室温超导材料。不足之处：超导储能的成本很高（材料和低温制冷系统），使得它的应用受到很大限制。可靠性和经济性的制约，商业化应用还比较远。电化学类储能各种二次电池电化学储能技术电化学储能包括铅酸电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池等等。液流电池具有大规模储能的潜力，但目前使用最广泛的还是铅酸电池。钠硫电池锂离子电池铅酸电池全钒液流电池铅酸电池铅酸电池的电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液。目前在世界上应用广泛，循环寿命可达1000次左右，效率可达到80%-90%，性价比高，常用于电力系统的事故电源或备用电源。不足之处：如果深度、快速大功率放电时，可用容量会下降。其特点是能量密度低，寿命短。铅酸电池今年通过将具有超级活性的炭材料添加到铅酸电池的负极板上，将其循环寿命提高很多。锂离子电池锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构成。主要应用于便携式的移动设备中，其效率可达95%以上，放电时间可达数小时，循环次数可达5000次或更多，响应快速，是电池中能量最高的实用性电池。不足之处：存在价格高（4 元/WH）、过充导致发热、燃烧等安全性问题，需要进行充电保护。钠硫电池钠硫电池是以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。循环周期可达到4500次，放电时间6-7小时，周期往返效率75%，能量密度高，响应时间快。目前在日本、德国、法国、美国等地已建有200多处此类储能电站，主要用于负荷调平，移峰和改善电能质量。不足之处：因为使用液态钠，运行于高温下，容易燃烧。而且万一电网没电了，还需要柴油发电机帮助维持高温，或者帮助满足电池降温的条件。液流电池液流电池是正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池。在液流电池中，能量储存在溶解于液态电解质的电活性物种中，而液态电解质储存在电池外部的罐中，用泵将储存在罐中的电解质打入电池堆栈，并通过电极和薄膜，将电能转化为化学能，或将化学能转化为电能。目前全钒液流电池技术已经比较成熟，循环周期可超过10000次以上。不足之处：电池体积太大；电池对环境温度要求太高；价格贵（这个可能是短期现象吧）；系统复杂（又是泵又是管路什么的，这不像锂电等非液流电池那么简单）。热储能储热储冷采用相变材料和热化学材料储能热储能技术在一个热储能系统中，热能被储存在隔热容器的媒质中，以后需要时可以被转化回电能，也可直接利用而不再转化回电能。热储能有许多不同的技术，可进一步分为显热储存和潜热储存等。显热储存方式中，用于储热的媒质可以是液态的水，热水可直接使用，也可用于房间的取暖等，运行中热水的温度是有变化的。而潜热储存是通过相变材料来完成的，该相变材料即为储存热能的媒质。由于热储能储存的热量可以很大，所以在可再生能源发电的利用上会有一定的作用。熔融盐常常作为一种相变材料，用于集热式太阳能热发电站中。化学类储能合成天然气电解水氢储能技术氢储能可看作是一种化学储能的延伸，其基本原理就是将水电解得到氢气和氧气。以风电制氢储能技术为例，其核心思想是当风电充足但无法上网、需要弃风时,利用风电将水电解制成氢气(和氧气),将氢气储存起来；当需要电能时,将储存的氢气通过不同方式（内燃机、燃料电池或其他方式）转换为电能输送上网。目前欧、美、日等都制定了氢能发展战略和详细的计划，并在迅速而有步骤地推进，已经取得了积极成果。欧盟目前的可再生能源发电发展较快，欧盟计划在2020年、2030年、2040年、2050年可再生能源发电占总电力的比例分别达到35%、50%、65%、80%，并在2060年最终完全实现不依赖化石能源的可持续发展。而实现不依赖化石能源的可持续发展这一目标的其中重要一环就是实现POWER-TO-GAS（P2G）技术路线，即把可再生能源以氢气或甲烷等方式大规模储存起来并加以应用。根据德国制定的氢能与燃料电池计划中的“氢的生产和配送”部分分析，德国目前的发展进度已经大大提前，原定2020年开始的计划现在就已经初露端倪。氢储能技术现阶段风电耦合项目发展主要有三项：一是中国节能环保集团公司于2014年4月启动了国家863项目“风电直接制氢及燃料电池发电系统技术研究与示范”，该项目在中节能风电公司张北分公司建设风电场，制氢功率为100KW，燃料电池发电为30KW；二是中德合作的示范项目，由河北建投新能源有限公司投资，联合德国MCPHY、ENCON等公司，在河北沽源投建10MW电解水制氢系统，配合200MW风电场制氢，该项目已于2015年4月开工建设，项目建成后，可形成年制氢1752万标准立方米的生产能力，成为我国目前最大的风电制氢示范项目；三是金风科技在吉林获批的风电装机100MW，氢储能容量10MW的项目。氢储能技术随着可再生能源的飞速发展，开拓消纳市场已趋紧迫，如不断增长的装机容量已给风电消纳带来持续压力，从中电联获悉，截至2015年2月底，并网风电装机容量首次突破1亿千瓦，达到10004万千瓦，继续稳居我国第三大发电类型和世界风电装机首位。全国31个省份均有并网风电场，其中内蒙古、甘肃并网风电装机容量分别达到2125万千瓦和1053万千瓦，河北、新疆、山东和辽宁超过500万千瓦。对国网辽宁省电力公司、国网甘肃省电力公司而言，有待采用高效的SPE电解路线，瞄准规模化制氢方向，积极开拓风电消纳市场，将富余的风电、光伏等波动性新能源通过高效电解制氢的方式转换成氢气存储起来，直接通过燃料电池发电为负荷供电，或将氢气输送至附近的化工企业，进入氢产业链，或生成合成燃料，均可有效解决波动性新能源的消纳问题。氢储能技术的应用偏远地区或海岛的自然资源，如风能、太阳能等一般较为丰富，但电力供应不足。通过高效清洁的SPE电解制氢技术制取高纯氢气，并存储起来；在可再生能源发电不足时，通过氢燃料电池发电为负载供电，形成一套微电网系统，实现偏远地区的独立供电。氢能源的利用氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。特点无污染燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是采用燃烧（汽、柴油）或储能（蓄电池）方式最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放象COX、NOX、SOX气体和粉尘等污染物。如上所述，燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的（光伏电池板、风能发电等），整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。无噪声燃料电池运行安静，噪声大约只有55DB，相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。高效率燃料电池的发电效率可以达到50%以上，这是由燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能（发电机）的中间变换。合成天然气储能技术化学类储能主要是利用氢或合成天然气作为二次能源的载体。其基本原理是利用待弃掉的风电制氢，通过电解水，将水分解为氢气和氧气，从而获得氢。除用氢作为能量载体外，也可以将氢与二氧化碳反应成为合成天然气（甲烷），以合成天然气作为二次能量载体。使用氢或者天然气作为能量载体的优点主要有储存的能量很大，可达太千瓦级；储存的时间也很长，可达几个月；另外氢和合成天然气除了可用于发电外，还可有其他利用方式，如交通等。但是，化学类储能的全周期效率较低，制氢效率只有70%左右，而制合成天然气的效率60-65%，从发电到用电的全周期效率更低，只有30%-40%。德国热衷于推动化学类储能技术，已有示范项目在德国投入运行。