储能技术分类概述 （一）储能的定义及分类 1.储能的定义 储能是通过特定的装臵或物理介质将不同形式的能量通过不同 方式储存起来，以便以后在需要时利用的技术。储能主要是指电能的 储存。储能又是石油油藏中的一个名词，代表储层储存油气的能力。 储能本身不是新兴的技术，但从产业角度来说却是刚刚出现，正处在 起步阶段。 广义的电力储能技术是指为实现电力与热能、化学能、机械能等 能量之间的单向或双向存储设备，所有能量的存储都可以称为储能。 传统意义的电力储能可定义为实现电力存储和双向转换的技术，包括 抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导磁储能、电池储能等，利 用这些储能技术，电能以机械能、电磁场、化学能等形式存储下来， 并适时反馈回电力网络。能源互联网中的电力储能不仅包含实现电能 双向转换的设备，还应包含电能与其他能量形式的单向存储与转换设 备。在能源互联网背景下，广义的电力储能技术可定义为实现电力与 热能、化学能、机械能等能量之间的单向或双向存储设备。如图１所 示，电化学储能、储热、氢储能、电动汽车等储能技术围绕电力供应， 实现了电网、交通网、天然气管网、供热供冷网的“互联”。其中， 电化学储能和电动汽车实现了电力双向转换，用双框线标出，其余用 单框线标出，图中箭头的方向表示能量流动的方向，ＦＣＥＶ表示燃 料电池电动汽车，ＢＥＶ表示电化学电池电动汽车。 图 1：能源互联网中的电力储能技术 除储能设备外，还包含了热电联供机组、燃料电池、热泵、制氢 等能源转换设备。储能和能源转换设备共同建立了多能源网络的耦合 关系。在实际应用中，二者常进行一体化设计，难以区分，因此本文 将具有储能能力的电力转换设备也纳入广义电力储能的范畴。图中， 通过新能源发电实现风、光、潮汐、地热等主要一次能源向电能的转 换。在电网传输和消纳能力的限制下，部分新能源发电将通过制氢、 制热等方式进行转换，部分新能源发电以电化学储能等双向电力储能 设备存储并适时返回电网。在各电力储能技术的支撑下，新能源发电 与热电联供机组、燃料电池、热泵等转换设备协调运行，实现了新能 源高效利用目标下，以电能为核心的多能源生产和消费的匹配。 2.储能按技术原理分类 按照技术原理划分，储能技术主要分为物理储能（如抽水储能、 压缩空气储能、飞轮储能等）、化学储能（如铅蓄电池、液流电池、 钠硫电池、锂离子电池）和电磁储能（如超导电磁储能、超级电容器 储能等）三大类。其中：最成熟的是抽水蓄能、铅蓄电池；正处于示 范推广阶段的是飞轮储能、压缩空气储能、锂电池；发展处于初期的 技术有铝空气电池、液流电池、钠硫电池、固态电池、燃料电池、超 导磁蓄能、超级电容等。 表 1：各类储能的特点 典型额定功 率 种类 抽 水 蓄能 机 械 储 能 电 磁 储 能 电 化 学 储 能 压 缩 空 气 储能 100~3000MW 10~300MW 额定功率 下的放电 时间 特点 应用场合 4~10h 适用于大规模储能，技 术成熟。响应慢，受地 理条件限制 调峰、日负荷调节、 频率控制，系统备 用 1~20h 适用于大规模储能，技 术成熟。响应慢，受地 理条件限制 调峰、调频，系统 备用，平滑可再生 能源功率波动 调峰、频率控制、 不间断电源、电能 质量控制 飞 轮 储能 0.002~3MW 1~1800s 寿命长，比功率高，无 污染 超 导 磁 储 能 0.1~100MW 1~300s 响应快，比功率高，低 温条件，成本高 输配电稳定、抑制 震荡 超 级 电 容 器 储 能 0.01~5MW 1~30s 响应快，比功率高，成 本高，比能量低 电能质量控制 铅 蓄 电池 几千瓦至几 万千瓦 几分钟至 几小时 技术成熟，成本低，寿 命短，存在环保问题 备用电源、黑启动 1~20h 寿命长，可深度放电， 备用电源，能量管 便于组合，环保性能好， 理，平滑可再生能 储能密度稍低 源功率波动 液 流 电池 0.05~100MW 钠 硫 电池 0.1~100MW 数小时 比能量与比功率高，高 温条件，运行安全问题 有待改进 电能质量控制，备 用电源，平滑可再 生能源功率波动 锂 离 子 电 池 几千瓦至几 万千瓦 几分钟至 几小时 比能量高，循环特性好， 电能质量控制，备 成组寿命有待提高，安 用电源，平滑可再 全问题有待改进 生能源功率波动 （1）物理储能 a.抽水储能 抽水蓄能电站配备上、下游两个水库，负荷低谷电能富余时，将 下游水库的水抽到上游水库保存；负荷高峰电能缺口时，利用储存在 上游水库中的水发电。抽水蓄能是目前存储大规模电力技术最成熟、 成本效益最好的储能技术，也是当前惟一广泛采用的大规模能量存储 技术，世界总装机容量已超过 150,000 MW。 图 2：抽水蓄能工作原理 抽水蓄能电站将电网负荷低时的多余电能转变为电网高峰时期 的高价值电能，适用于调频、调相，稳定电力系统的周波和电压，并 且宜为备用电源，效率较高，储能容量大。缺点是其受地理条件、转 化效率等方面的制约较大，响应时间是分钟级，应对电网负荷波动能 力较差，同时投资周期较大，抽蓄损耗和线路损耗均较大。抽水蓄能 电站能够用于黑启动、控制电网频率、提供备用容量和提高火电站和 核电站的运行效率等方面。 b.压缩空气储能 压缩空气储能是一种基于燃气轮机的储能技术，利用电网负荷低 谷时的剩余电力压缩空气，将空气高压密封在密封空间中，在需要电 能时，释放高压空气推动汽轮机发电。压缩空气储能燃料消耗比调峰 用燃气轮机组可以减少 1/3，所消耗的燃气要比常规燃气轮机少 40%， 安全系数高，使用寿命长。压缩空气储能规模大，仅次于抽水蓄能， 场地限制较小，适用于大型电站，，同时建造受地穴、矿井等特殊地 形条件的限制；建造成本和运行成本比较低，低于钠硫电池或液流电 池，也低于抽水蓄能电站，具有很好的经济性；通过维护使用寿命可 达 40-50 年，压缩空气储能使用的原料是空气，不会燃烧，没有爆炸 的危险，不会产生任何有毒有害气体，因此安全性和可靠性高。由于 其储能规模大、成本低，在全球范围内有很大的发展空间。压缩空气 储能由于能够弥补抽水蓄能的先天不足，因此将是有效解决我国大规 模储能问题的重要技术选择。压缩空气储能的缺点主要为两方面：一 是效率较低，由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，因此在压缩空气的过程中，一部分能量以热能的形 式散失，在膨胀前需要重新进行加热，且通常以天然气作为加热空气 的热源， 由此导致储能效率降低；二是依赖大型储气装臵，且依赖 燃烧化石燃料，造成污染。 图 3：压缩空气储能工作原理 目前美国正计划在俄亥俄州建造世界上最大容量的压缩空气储 能电站，总装机容量达到 2700 MW。我国于 2003 年开始压缩空气储 能的研究，哈尔滨电力部门正在利用现有的地道作为贮气室进行研究。 华北电力大学等国内高校正在进行压缩空气系统热力性能计算及其 经济分析的研究。随着分布式能量系统的发展以及减少储气库容积和 提高储气压力的需要，8~12 MW 微型压缩空气储能系统已经成为当前 研究的热点。 c.飞轮储能 飞轮储能的原理是将电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储 存起来，供电时，将飞轮的动能通过发电机转化为电能输出到外部负 载。飞轮转子是飞轮储能系统中的核心部件之一。飞轮转子材料一般 选用强度很高的玻璃纤维或碳纤维等复合材料，在低速时也可选用高 强度钢和铝合金。飞轮转子的设计力求提高转子的极限角速度， 减 轻转子质量，最大限度地增大储能量。轴承系统用于支撑飞轮转子， 是制约飞轮转速的关键因素之一。轴承系统的性能直接影响飞轮储能 系统的可靠性、效率和寿命。目前，轴承系统一般主要采用永磁轴承、 电磁轴承、超导悬浮轴承等非接触式磁轴承或其它低摩擦功耗轴承支 承飞轮， 并对轴承进行机械保护。 图 4：飞轮储能工作原理 飞轮储能的主要优点是高充放电率，高循环次数，响应速度快， 无污染，维护简单，寿命一般为 20 年，使用寿命不受充放电深度的 影响；相较于其它储能技术飞轮储能几乎无摩擦损耗、风阻小，比功 率可达 8 kW/kg 以上，远远高于传统电化学储能技术；工况环境适 应性好，在-20～50 ℃温度下都能正常工作。 缺点是成本高、能量密度较低，保证系统安全性方面的费用很高， 储能损耗较高，不适合用于能量的长期存储。空载下的相对能量损失 大，每小时超过 2.5%；飞轮储能理论能量密度高达 200～400 Wh/kg， 但是在实际应用过程中，受限于材料因素， 安全稳定运行的飞轮储 能密度通常不高于 100 Wh/kg；价格昂贵也是影响飞轮储能大规模推 广的重要因素之一。 受益于电力电子技术、磁悬浮技术和高强度碳素纤维技术的进步， 飞轮储能技术近年来发展迅速。据文献国际先进的飞轮储能系统储能 效率已经达到了 99.4%，可储能 100 kWh。2004 年，巴西实现了利用 超导与永磁悬浮轴承的飞轮储能，用于电压补偿。 2011 年，世界最 大的飞轮储能系统完成安装，容量 20 MW，采用了当前世界最先进的 碳纤维复合飞轮转子技术，吸收并释放 1 MW 的电能仅需 15 分钟。我 国飞轮储能研究起步较晚，目前还只是从事系统基础研究及小容量试 点。飞轮储能技术的发展正朝着大功率、高效率、低损耗和安全可靠 的方向发展。 （2）化学储能 a.铅蓄电池储能 铅蓄电池是世界上最广泛应用的电池之一。 铅蓄电池储能具有成本较低，储能综合效率较高，占地面积较小， 循环次数较好，整体应用成本较为低廉；技术成熟， 安全性较高； 循环次数可达 1 000 次左右；效率可达 80%～90%，性价比高等优点； 同时具有能量密度较低；寿命较短；深度、快速、大功率放电时可用 容量大幅下降等不足之处。目前， 铅蓄电池一般主要用于电力系统 的事故电源或备用电源， 以及汽车起动电源和低速车动力电源领域。 图 5：铅蓄电池工作原理 b.液流电池 在液流电池中， 能量储存在溶解于液态电解质的电活性物中， 而液态电解质则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，将电能转换为化学能，或将化学 能转换为电能。 液流电池的核心优点是寿命长， 循环次数可超过 10 000 次。 液流电池的充放电原理是基于化合价的变化，而非普通电池的物理变 化，因此其使用寿命极长。但是另一方面， 液流电池的能量密度和 功率密度相对较低，而且响应速度较慢。 液流电池有较多体系， 其中全钒液流电池目前最受关注。这种 电池技术最早由澳大利亚新南威尔士大学发明， 当前在国内外的一 些试点工程项目中获得了应用。 图 6：液流电池工作原理 液流电