市场已开启 几种关键储能技术在能源互联网中的应用前景

      能源是人类文明发展进步的根本基石，确保能源的安全供给更是国家核心利益所在。不仅如此，能源与环境、经济发展、人民生活等议题紧密相关，因此近几年来，能源相关的话题不仅持续得到了国家政府的关注，而且已经受到了广大普通民众的极大关切。近年来，国际政治、经济、能源格局有了新的变化，相应的很多国家也已经在能源转型方面开展了行动。

      1、世界范围内能源转型的大背景

      最为代表性的就是德国的能源转型。德国在风电光伏部署，开发各种可再生能源技术(地热，光热，光伏等)，与邻国进行能源互动(丹麦)，建设新一代能源系统示范区(例如BDI主导的E-Energy项目)方面取得了很多进展，改革力度很大。

      美国在过去几年中，大力推进页岩气革命，从石油进口国变成了出口国，这促进了油价降低，明显改变了世界能源格局，此外美国在部署储能和光伏(代表为加州)，推动电动汽车(代表为TESLA)，研发和推进下一代电网关键技术(代表为北卡罗来纳大学的FREEDM项目)等方面的进展值得关注。

      日本历史上就是一个缺少能源资源的国家，这样的紧迫性使其非常重视在能源材料、器件等方面的研究开发，近年来其在关键技术上取得了许多空出的成果，比如电力电子元件、高性能电池(代表为松下)，燃料电池汽车(丰田MIRAI)，大量部署的分布式燃料电池三联供系统(代表为ENEFARM)，这些都是能源体系的发展变革的重要支撑技术和方向。

      我国能源呈现“富煤、缺油、少气”的格局，而近年来随着国际能源供应形势的变化，国内能源环境方面遇到了越来越多的矛盾，能源系统面临着前所未有的转型升级压力。一方面是电力供应面临过剩，可再生能源的利用能力偏弱；另一方面却是各地基于自身利益考虑以及现有体制限制，仍在大规模建设各种火电传统能源，而传统能源的利用清洁程度低也是导致近几年来雾霾污染现象愈演愈烈的根本原因。

      在以上挑战、背景下，我国政府近年来非常重视能源领域的发展，大力推进能源转型，已经在国家战略层面上开展了多项系统层面的研究设计任务，并颁布了一系列的文件来推进转型示范项目的开展。国家能源局在16年颁布了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》，其中就提出了对于发展能源互联网/互联网+智慧能源/中国未来能源系统发展的愿景：“互联网+”智慧能源(以下简称能源互联网)是一种互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态，具有设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放等主要特征。在全球新一轮科技革命和产业变革中，互联网理念、先进信息技术与能源产业深度融合，正在推动能源互联网新技术、新模式和新业态的兴起。能源互联网是推动我国能源革命的重要战略支撑，对提高可再生能源比重，促进化石能源清洁高效利用，提升能源综合效率，推动能源市场开放和产业升级，形成新的经济增长点，提升能源国际合作水平具有重要意义。”

      2、能源互联网重要特点与储能的重要作用

      与此同时，能源相关的各公司也都在积极探索能源转型路径(例国网公司的全球能源互联网)。虽然不同机构提出的未来能源愿景精神上有所不同，哪怕是对于同一个概念的解读也会有差异(见《能源互联网概念、关键技术及发展模式探索》一文)，但其实其中体现的精神都具有一定相通性，而且与美日德等国的能源转型举措相似，提炼概括主要有以下几个方面：

      而在以上的这6个代表方面，储能技术都是有其独特的角色和作用的，可以说，储能是能源互联网发展的一大支柱性技术。主要体现在以下几个方面：

      (1)提高可再生能源的比例可以促进可持续发展，减少化石能源的使用和污染。可再生能源出力具有间隙性，会随时间产生不同时间尺度上的出力变化波动。储能技术可以平抑短时间内的波动，帮助可再生能源向电网的友好接入，从而切实提高可再生能源的利用率，减少弃风弃光，从而减少化石能源的用量。而在过去几年环境污染严重，可再生能源丢弃受到明显关注的大背景下，可再生能源的有效消纳必将逐渐成为国家更为重视的任务，今后在这方面的储能的机会与需求会更多。

      (2)提高分布式能源的比例，改变传统电网的完全垂直式的统治结构。中国传统的电力、油气能源系统体现出了完全的自上而下的治理结构，分布式能源占比很低。而在新形势下，这样的能源结构面临着明显问题：系统刚性较大，无法满足不断发展变化的各种用能用户灵活多变的用能甚至产能需求，重复建设的电站常常来自于行政式的规划，而电网的输送能力又有限，并未足够考虑系统用能侧消纳能力。

      分布式能源建设将是接下来几年大力发展的方向，一大核心的考虑就在于：分布式能源的建设常常靠近负荷，可以就近消纳利用，几乎不存在消纳困难而且可以减少电网长距离输电的扩容的需求。此外分布式能源还可以因地制宜建设，综合利用当地的自然、建筑等方面的条件实现资源优化调配(比如屋顶光伏等)，因此是目前重点发展的方向。

      分布式能源大规模接入电网涉及到诸多技术与体制上改变的需求，而储能对于平抑分布式能源的波动性、支持分布式能源组成局部微网实现局部自给自治(甚至可以在区域内进行能量交易)，进而提高整个能源系统的稳定性是非常有用的。在这方面，集中式的储能电站可以在区域范围内为分布式能源的接入提供支持，而配置在用户终端附近的分布式储能也可以就地提高分布式能源的利用率。

      (3)增加多能互补的利用，通过多种能源的综合利用与相互转化提高能源利用效率。目前很多城市、园区都有冷-热-电的综合用能需求，很多园区的空调制冷负荷在夏天峰值时段可以占到总负荷的30~40%，制冷需求为电网造成了很大负担；与此同时，很多可再生能源出力与用能需求不能完全匹配，常常只能丢弃(西南几省弃水，西北几省弃风光)。而如果大力开发多能互补技术，可以让多种类能源互相转化，融合多个能源网络，提高系统的运行稳定性和综合能效，降低峰值负荷减少浪费。比如通过制氢技术可以减少弃风弃光的浪费，而基于储冷储热技术可以提前储冷，以降低峰时的制冷用电负荷。在此过程中，储能技术可以成为多种能源互相转化、存储的枢纽节点，长时间、大容量、低成本的储冷、储热技术，氢能的制备、存储和高效利用技术都是多能互补领域中材料侧的关键支撑技术。

      (4)增加能源系统灵活性。传统电网要求发输配用功率时刻达到平衡，能量要即发即用，不能存储，而这样的特性显然无法有效应对以能源互联网为代表的未来能源转型发展趋势，因此需要提升系统的灵活性，以应对新形势下能源系统发展面临的新特点和需求。

      提高能源系统的灵活性有很多种支持技术：比如燃煤电厂的灵活性改造，增加燃气轮机灵活机组，开发支持能量灵活双向流动的柔性直流输配用电技术，以及部署储能。很多储能技术具有响应速度快，出力准确，可以为系统提供正负功率的双向调节等一系列优点，在增加电力系统灵活性方面具有很好的前景。因此，储能在电力系统中的作用不仅限于削峰填谷，为系统提供各种综合辅助服务可以更好地发挥其特长，而且更容易取得经济效益，美国PJM市场，欧洲电力辅助服务市场已经有相当多的储能提供综合辅助服务的实例，证明了储能在提供辅助服务、增加能源系统灵活性方面的技术和商业可行性。

      (5)促进能源和信息交融，依靠信息化的支持协助能源的优化调配。传统能源系统的发输配用环节呈现出高度的集中管理与刚性特性。在新形势下，能源体系中多种业务的互动开展要求可以广泛收集参与系统互动各方的信息，参考其它领域的“互联网+”变革的经验，依靠信息来指导、协助能源的优化配置。在此方面，储能运行的信息数据可以接入能源信息网络，为系统提供重要的能源消纳信息。与此同时，储能系统也可以接受新一代能源网络的云监控系统的统一调配，基于分布式资源的聚合甚至可以起到更大的作用，比如虚拟电厂(VPP)服务等。

      (6)促进能源市场化，还原其商品属性，依靠市场的力量协助能源系统的优化运行，平衡能源供需，并激发带动经济增长的活力。电能传统上是即发即用不能存储的，这极大的限制了电力市场的能源交易的可用业态种类。而加入储能，可以使得电能可以储存起来，在随后需要的时刻甚至地点进行利用，对于电力市场服务、商品的多样化将有至关重要的支持作用。此外，能源互联网中涉及多种能源的共同利用和互相融合，基于不同种能源互相转化、储存的技术同样可以促进能源在种类、时间段上的优化配置，通过转化存储的方法减少能源的丢弃浪费，而且在市场需要的时候再参与市场互动以获取利润。总体来说，能源互联网需要多种样的能源服务，而储能的存储转化特性可以有效地支持在需要的时间地点提供相对应的服务种类，具有良好的应用前景。

      3、几种关键储能技术在能源互联网中的应用前景分析

      储能技术有很多种，在本文中我们将重点关注已经具有一定成熟度的技术，分析其技术发展方向和在能源互联网中的应用前景。笔者将几种储能技术在能源互联网领域中应用时需要关注的核心指标进行了整理汇总，如下表所示，并将对每种技术做分别介绍：

      (1)锂离子电池

      在众多储能技术中，锂离子电池的突出优点是能量密度、功率密度都比较高，对于辅助可再生能源消纳，提供系统需要的灵活性等多种用途都能胜任。目前锂离子电池已经有了中大规模(MW级)电站应用的实例，但是相比之下因为其能量密度高，占地面积小，在中小规模储能、分布式应用领域可能会更有优势。另外锂离子电池较强的功率爬升(ramprate)特性使得其在调频等辅助服务领域具有良好综合效果，广泛参与辅助服务是其重要的发展方向，并且很有可能率先实现商业模式，达成良好的经济效益。

       在此方面，锂离子电池发展的迫切需求是进一步降低成本，提高寿命，以提升该技术的经济性。此外，即将到来的大量动力电池的退役也将为储能领域带来机遇和挑战，提升电池品质，研发物联网技术追踪电池使用历史，开发标准化模组以降低梯次利用难度，开展园区-电池企业-电动汽车-能源服务企业四方合作的模式，开发碎片化能量管理技术等可能是解决电池梯次利用的主要解决方案。

      (2)钠硫电池

      钠硫电池技术在世界范围内的装机比例较高，但是近年来增长略显乏力。导致该现象的部分原因是钠硫电池技术具有较高的垄断性，主要被日本NGK掌握。该技术主要适合MW级的储能，在可再生能源发电侧并网方面应用实例很多，但该技术占地大，运行温度高，具有一定的危险性，从本质上并不太适合小规模分布式用电及用户侧的需求。因此对于建设中等规模的储能电站，为能源系统提供综合服务支撑方面，该类技术具有良好的应用前景。

      (3)铅酸电池

      铅酸电池是电化学储能领域中的老兵，其成本低廉性价比高，一直是储能领域的重要支柱，只是在近年才被风头更盛的锂离子电池超过。铅酸电池能量和体积密度低于锂离子电池，因此在最为看重空间和承重条件的用户侧末端不如锂离子电池适合，但是在规模稍大的场合(MW左右)以及有条件进行维护保养的情况下，其性价会更高。

      该类技术发展的主要方向是进一步基于铅碳电池的技术，提高其寿命和可用能量部分(支持深度放电)，以减少实际电池的用量。此外，进一步规范铅酸电池的回收利用，减少回收过程中尤其是不规范小作坊带来的污染，对于全社会都具有重要的意义。

      (4)钒液流电池

      钒液流电池体积能量密度较低，能量转换效率大约为70%左右，但是支持深度放电，安全性好，容量和功率可以分开设计，循环寿命很长，电池回收较为简单，而且近年来随着产业链的成熟其成本还有望进一步下探，国内也产生了像大连融科、北京普能这样的优秀企业，因此该类技术在中大规模(MW级)应用方面，不论是作为独立电站为电网提供综合服务，还是在大规模新能源发电站处提供平滑、消纳服务都具有良好的应用前景。

      该类技术的主要发展方向是进一步完善产业链，降低成本，并提高系统效率。此外，开发新一代的液流电池技术(比如锌溴、有机体系等)对于扩展该类技术的适应面，提升技术的综合水平也是很有意义的。

      (5)飞轮

      飞轮储能技术具有很快的响应速率能力，相比于电池储能技术适应电力系统瞬时功率波动的能力更强，在平滑不稳定出力曲线，提供短时一次调频方面其性能具有很好的竞争力。但是其问题在于能量密度很低而且自放电程度很高，因此无法适应任何能量体量稍大的场合。该类技术主要适合与能量型储能器件进行配合，为其平抑波动，延长其应用的寿命，或者直接用于发电侧调频需求以及可再生能源的平滑输出。该类技术的主要发展方向还是在于发展高性能的复合材料，以进一步提高该类技术的性价比。

      （6）超级电容

        超级电容的外特性与飞轮有相似之处，都是主要适合快速功率响应，但是能量密度较低，自放电偏高。从理论上说，超级电容技术能量密度虽然有进一步提高的可能，但是难以达到锂离子电池的水平，因此其仍然比较适合短时急速充放电的场合，因此其主要可以与电池联用，进行调频与输出功率平滑方面。此外，随着能源互联网的发展，在很多领域都要建成局部的微型能源互联网园区，很多情况下都有瞬时吸纳和放出大量能量的要求，此时超级电容就可以用来在短时间内为系统提供能量缓存(Cache)，可以有效降低瞬时大负荷为系统带来的消极影响，比起电池更符合要求。

      (7)压缩空气

      压缩空气储能技术在近几年一直在不断的进步，清华大学与中科院工程热物理所的团队在此方面取得了很多研究与应用进展。该技术常常需要依靠地理条件(比如岩洞等)，更为适合中大规模应用用途，而且其要想取得良好的综合能量效率，需要进行冷热电三联供。该技术的主要局限是如果不进行三联供能效较低，而且响应速度较慢，不适合功率剧烈变化。考虑到以上特色，该类储能技术特别适合在有地理条件，可再生能源供应丰沛而且有冷热电综合应用需求的地方提供稳定的能源储存和供应服务。

      (8)储热与冷热电三联供技术

      随着能源系统的发展深化，冷-热-电-气等网络的界限将逐渐打通，各个能源网络将进行交融。实际上，冬天制热、夏天制冷的用能需求在我国一直十分突出，而冷热电三联供技术可以配合燃料电池、压缩空气储能技术使用，显著提高这几类技术的综合能效并最终提升经济效益。而把一部分供冷热的需求利用储热技术来满足，可以明显降低用电、用能峰值时刻的电网负担，并且为很多电网传统运行的方案“松绑”(比如北方的热电联产用于冬季供暖时产生的最小发电功率导致的大量弃风)，从而为能源系统优化运行提供新的解决方案。储热技术的突出优点为：1)按热值核算储能成本远低于电化学储能技术，2)有希望支持长时间(甚至是跨季节)的储能，因此在储热与多能融合互补的未来能源系统架构中将会有很大的发展。

      (9)氢相关与燃料电池相关技术

      氢与燃料电池相关技术被誉为是人类能源的一大可能的最终解决方案，主要原因是因为：1)燃料电池系统可以实现比较高的比能量输出，在冷热电联供情景下可以实现很高的综合能效而且排放物只有水；2)电解水制氢可以将电、气网耦合起来，提供余电的消纳方案；3)燃料电池的应用则可以联系交通网(燃料电池汽车)、冷热网(三联供)、电网与气网(余电制氢，电池发电)。

     可见该类技术可以成为几大核心用能领域的沟通桥梁，一旦技术成熟就可以提供普适性的技术解决方案，而且不论是分布式领域(PEMFC)还是在大规模储能和应用(SOFC)方面都具有自己良好的适应性，可以说除了功率特性略有短板外，能为能源互联网的所有能量型应用场景提供普适性的解决方案。

      但是该类技术的主要问题在于从制氢、储氢到燃料电池的低成本、长寿命化方面都还有很长的路要走，这需要从基础材料方面研发进行突破。中国近年来产生了大量的弃风、水、光的现象，而如果采取政策优先推动氢相关技术在这些方面的应用，对氢技术解决消纳可再生能源进行探索与应用示范，有可能以应用刺激研发需求，促进技术进步。

      4.结论+展望：

      储能对是能源互联网发展愿景中的支撑技术。近年来，随着电力行业市场化进程的提速，我国储能市场正在徐徐开启。根据中关村储能产业技术联盟公开数据显示，从2015年7月到2016年12月，不包含抽水蓄能和储热在内的新增规划储能项目，总装机量达到740MW。未来的两三年内，我国储能的累计安装量，或将实现七到十倍的增长。另一面，我国储能技术也获得了巨大的突破。国内锂离子电池、铅炭电池、液流电池、钠硫电池、超临界压缩空气储能、超级电容等主流储能技术的成本已经有了大幅降低。

      不久前国家能源局公布了首批首批“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目评选结果，其中绝大多数都需要储能技术为能源互联网建设运行提供支持。能源互联网/互联网的示范是我国能源体制改革的重要尝试和探索，而这也为储能技术寻找推广机会，参与能源体制改革，探索新的运营机制提供绝佳的机会与广阔的舞台。