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储能技术是实现可再生能源大规模接入，提高电力系统效率、安全性和经济性的关键技术，也是提高清洁能源发电比率，推动雾霾治理的有效手段。截至2015年底，全球储能装机总量约167GW，约占全球电力总装机的2.9%;我国储能装机为22.8GW，约占全国电力总装机的1.7%。预计到2050年，我国储能装机将达200GW，市场规模将达2万亿元以上。目前已有的储能技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能、铅酸电池、锂电池、钠硫电池、液流电池及超级电容器等。不同的储能技术适用于不同的应用场合和领域，根据系统功率与放电时间，可以将储能技术的主要应用领域分为能源管理、电力桥接和电能品质管理三部分。未来储能市场的发展将集中在分布式储能、分布式光伏+储能、微网等配网侧和用户侧等领域。近年来中国储能产业在项目规划、政策支持和产能布局等方面均加快了发展的脚步，未来几年随着可再生能源行业的快速发展，储能市场亦将迎来快速增长。不过我国储能产业还处于发展的初级阶段，尚以示范应用为主，储能商业化应用面临着储能成本偏高、电力交易市场化程度不健全、储能技术路线不成熟、缺乏储能价格有效激励等各方面的问题，可谓机遇与挑战共存。1前言储能是指通过介质或设备把能量存储起来，在需要时再释放出来的过程。储能技术是解决可再生能源大规模接入和弃风、弃光问题的关键技术;是分布式能源、智能电网、能源互联网发展的必备技术;也是解决常规电力削峰填谷，提高常规能源发电与输电效率、安全性和经济性的重要支撑技术。储能技术可提高清洁能源发电比率，进而实现化石能源清洁高效利用，有效减少污染物的排放，对雾霾等环境问题的治理和改善人居环境将起到极大的推动作用。同时，储能技术的发展关系到能源、交通、电力等多个重要行业的发展，尤其在当今能源枯竭日益加剧、能源消费供求不平衡的大环境下，储能能够突破传统能源模式时间与空间的限制，其重要作用日益凸显，已成为主要发达国家竞相发展的战略性新兴产业。我国能源体量大，但能源结构复杂且具有一定的特殊性，西北部地区能源存量丰富，但需求较低，东南部人口密集，能源需求量较大，能源与需求存在地域上的错位。而储能产业是能源结构转型的关键和推手，加快储能产业的发展，对推动经济发展和建设健康的能源产出与消费体系具有重要意义。在现阶段，社会各界对储能技术与产业的认识及重视程度逐渐深入，越来越多的专业技术与商业投资人士都认为，储能行业的发展对国民经济各行各业的发展至关重要。同时，政府部门也通过科技创新和多种鼓励政策来推动储能技术与产业的发展，通过部署多个资助项目和示范项目，逐步培育和推动储能技术的商业应用。2主要的储能技术目前已有的储能技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能、铅酸电池、锂电池、钠硫电池、液流电池及超级电容器等。①抽水蓄能电站在用电低谷时通过水泵将水从低位水库送到高位水库，从而将电能转化为水的势能存储起来;在用电时，水的重力势能驱动水轮机发电。②压缩空气储能系统的原理是在用电低谷将空气压缩并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来;在用电高峰，高压空气从储气室释放驱动透平发电。③飞轮储能是将能量以飞轮的转动动能的形式存储起来，充电时飞轮由电机带动飞速旋转，放电时相同的电机作为发电机由旋转的飞轮带动产生电能。④超导储能是将电流导入环形电感线圈，由于该环形电感线圈由超导材料制成，因此电流在线圈内可以无损失地不断循环，直到导出为止，进而达到储能的目的。⑤铅酸电池的工作原理是放电时，正极的二氧化铅与硫酸反应生成硫酸铅和水，负极的铅与硫酸反应生成硫酸铅;充电时，正极的硫酸铅转化为二氧化铅，负极的硫酸铅转化为铅。⑥锂电池的工作原理是在充电时锂原子变成锂离子，通过电解质向碳极迁移，在碳极与外部电子结合后作为锂原子储存;放电时整个过程逆转。⑦液流电池内的正、负极电解液由离子交换膜隔开，电池工作时，电解液中的活性物质离子在惰性电极表面发生价态的变化，进而完成充放电。⑧钠硫电池放电时钠离子通过电解质，而电子通过外部电路流动产生电压;充电时整个过程逆转，多硫化钠释放正钠离子，反向通过电解质重新结合为钠。⑨超级电容是基于多孔炭电极/电解液界面的双电层电容，或者基于金属氧化物或导电聚合物表面快速、可逆的法拉第反应产生的准电容来实现能量的储存。各类储能技术的原理如图1所示，主要技术参数对比见表1。3储能关键技术及发展趋势不同的储能技术在概念与原理上差异很大，因而其关键科学问题与技术难点也有所不同，表2给出了不同储能技术的关键技术和发展趋势。我国各种储能技术的成熟度也有所不同，均处于不同的发展阶段(见表3)。4储能技术应用领域分析不同的储能技术有着不同的性能特点，适用于不同的应用场合和领域。美国能源部发布的《储能规划报告》(EnergyStoragePlanningDocument)中对储能技术适用领域进行了分析，根据不同储能技术的系统功率与放电时间，可以将储能技术的主要应用领域分为能源管理、电力桥接和电能品质管理三部分，如图2所示。其中抽水蓄能和压缩空气储能是公认的能够适用于较大规模(10MW级以上)的储能技术，可应用于电网侧，以取代昂贵的调峰电站，达到能源管理的目的。同时，一些储能技术在电网其他方面的应用也有一定的潜力，如铅酸电池、锂电池、液流电池、钠硫电池和高能超级电容等化学储能技术，系统功率范围一般为千瓦级至10MW级，且放电时间多为分钟级，因此主要用于电力桥接领域，如短时的电力系统调峰和能量调度。飞轮、超级电容和超导储能技术因其具有较快的响应且系统功率与放电时间均较小，具有很好的灵活性，一般用于电能品质管理领域，例如辅助服务与电压支持等。具体来说，储能技术在电力行业发、输、配、用的各个环节均有不同的应用，见表4。在发电端，传统发电领域可以进行辅助动态运行、取代或延缓新建机组;在可再生能源发电领域主要用于削峰填谷、跟踪计划出力和爬坡率控制;在输配电领域的主要应用包括无功支持、环节线路阻塞、延缓输配电扩容升级以及作为变电站直流电源;在电网辅助服务领域的主要应用包括调频、电压支持、调峰和作为备用容量;同时，储能技术在用户侧可以用于分时电价与容量费用管理，提高电力可靠性和电能质量等。5储能产业发展现状与发展趋势我国储能产业还处于发展的初级阶段，以示范应用为主，与发达国家的产业化进程相比还有一定的差距。截至2015年底，全球储能装机总量约为167GW，约占全球电力总装机的2.9%;我国储能装机为22.8GW，约占全国电力总装机的1.7%。根据国际能源署(IEA)的预计，到2050年全球储能装机将达到800GW以上，占电力总装机的比例将提高到10%～15%，市场规模将达数万亿美元。而我国到2050年储能装机将达到200GW，市场规模将达2万亿元以上，我国对储能的需求巨大且迫切。在物理储能领域，抽水蓄能和压缩空气储能是发展最快的两种储能技术。抽水蓄能是全球装机规模最大的储能技术，占全球总储能容量的98%，日本、中国、美国的装机位列全球前三位。抽水蓄能的单机规模已达300MW级，是目前发展最为成熟的一种储能技术。压缩空气储能目前已在德国(Huntorf321MW)和美国(McIntosh110MW，Ohio9×300MW，Texas4×135MW和Iowa200MW项目等)得到了规模化商业应用。在新型压缩空气储能方面，国际上只有中国科学院工程热物理研究所(1.5MW超临界压缩空气储能、10MW先进压缩空气储能)、美国GeneralCompression公司(2MW蓄热式压缩空气储能)、美国SutainX公司(1.5MW等温压缩空气储能)和英国HighviewPower公司(兆瓦级液态空气储能)4家机构具备了兆瓦级的生产设计能力。在国内压缩空气储能技术研发与产业化方面，中国科学院工程热物理研究所处于绝对领先地位。该研究所于2013年建成国际首套1.5MW示范系统，实现了产业化;2016年建成国际上唯一一套10MW级研发平台。同时还获批建设国家能源大规模物理储能技术研发中心，相关成果获得北京市科学技术奖一等奖、联合国工业发展组织全球可再生能源领域最具投资价值领先技术“蓝天奖”等。在化学储能领域，铅酸电池因其技术成型早、材料成本低等优势，是目前为止发展最为成熟的一种化学电池，截至2015年，全球铅蓄电池的储能应用规模达到了111.1MW。中国是铅酸电池的第一大生产国和使用国。锂电池在全球范围内已成为最具竞争力的化学储能技术，几年来发展势头迅猛，2013～2015年锂电池全球装机翻倍，是应用规模增速最快的化学储能技术。目前锂离子电池用于储能电站的单一电站容量已达到64MW˙h的水平。近年来液流电池的发展较为平稳，全钒液流电池和锌溴液流电池的应用较多，主要应用于大规模可再生能源并网领域。国际上主要的液流电池研发机构包括大连融科、住友电工、UniEnergyTechnologies、ImergyPowerSystems等，其中日本住友电工2016年在日本Hokkaido投运的15MW/60MW˙h液流电池储能示范电站，是目前投运的规模最大的液流电池储能项目。钠硫电池近三年的发展速度较为缓慢，日本NGK公司是唯一实现钠硫电池产业化的机构。2015年NGK公司的钠硫电池储能系统发生火灾事件后，NGK公司逐步改进了电池结构并加强安全性研发，目前仍然引领着全球钠硫电池的发展。中科院上海硅酸盐研究所在中国钠硫电池领域一直处于领先水平，近年来也逐步改进电池材料，研发新一代的钠硫电池，在国际钠硫电池研发领域具有很强的竞争力。近年来，中国储能产业在项目规划、政策支持和产能布局等方面均加快了发展的脚步，可以说中国储能产业已渐露春意，正蓄势待发。中国抽水蓄能行业发展相对缓慢，而电化学储能市场的增速明显高于全球市场，光热储能目前尚处于起步阶段。得益于技术进步和成本减低，在目前无补贴的情况下，储能在峰谷价差套利、辅助服务市场及可再生能源限电解决方案上已经实现了有条件的商业化运行。据中关村储能产业技术联盟(CNESA)项目库的统计，2016年有多个大型项目规划或投运，中国新增投运储能项目规模28.5MW，储能装机规模保持持续快速增长态势。同时，能源政策密集出台，储能已逐步成为规划布局的重点领域，地方政府也随之布局储能项目与示范，助推当地产业转型升级。在未来几年里，随着可再生能源行业的快速发展，储能市场亦将迎来快速增长。6结语伴随着化石能源的日益枯竭和能源需求的加速增长，以可再生能源与新能源技术为代表的新一轮科技革命和产业变革正在兴起，并将持续改变世界能源格局。全球范围内的能源结构调整已成为能源领域面临的重要问题。可再生能源与新能源技术在当前形势下，不仅代表着一种新兴技术的发展，同时在全球范围内对现有传统经济与能源发展模式、新的制造体系等一系列传统发展格局都有着深远的影响。未来储能市场的发展将主要集中在分布式储能、分布式光伏+储能、微网等配网侧和用户侧等领域。国家能源局在2016年4月发布的《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》中表示，到2020年示范推广10MW/100MW˙h超临界压缩空气储能系统、1MW/1000MJ飞轮储能阵列机组、100MW级全钒液流电池储能系统、10MW级钠硫电池储能系统和100MW级锂离子电池储能系统等一批趋于成熟的储能技术。伴随电力体制改革的不断深入，储能也将收获更多的市场机会。不过我国储能产业距离整体健康发展还有一定的距离，储能商业化应用面临着储能成本偏高、电力交易市场化程度不健全、储能技术路线不成熟、缺乏储能价格有效激励等各方面的问题。因此，当前储能产业的发展可谓机遇与挑战共存。(刘英军 刘畅 王伟 胡珊 郝木凯 徐玉杰 刘嘉 吴艳)来源:《中外能源》