PDF《能源革命中的物理储能技术》

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2019 年.

第34 卷.第4期能源革命中的物理储能技术 陈海生1,2? 凌浩恕1 徐玉杰1,2

1 中国科学院工程热物理研究所 北京

100190 2 中国科学院大学 北京

100049 摘要 促进储能技术与产业的健康发展,对于提高可再生能源比例、保障能源安全、提高能源利用效率、推 动能源革命具有重大的战略意义.物理储能作为最重要的一种储能方式,得到了国内外广泛关注.文章剖析 了物理储能技术的重大需求,总结了国内外物理储能技术与产业发展现状与趋势,比较了国内外物理储能技 术发展水平,明确了物理储能技术发展问题与挑战,并提出了相应发展建议,旨在为我国物理储能技术和产 业的研究与发展提供详实的参考. 关键词 储能,物理储能,抽水蓄能,压缩空气储能,飞轮储能,超导储能,物理储热 DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2019.04.010 *通讯作者 资助项目:中国科学院战略性先导科技专项(XDA21070200),

973 计划(2015CB251302),中国科学院前沿科学重点研究项 目(QYZDB-SSW-JSC023),英国皇家学会牛顿高级学者项目(NA170093) 修改稿收到日期:2019年4月1日 低碳多能融合发展 Integrated Development of Low Carbon Multiple Energy Resources

1 物理储能技术的重大战略需求 新一轮的世界能源技术革命正在兴起,推动着能 源结构的转型,重塑着能源的格局[1] .构建绿色、低碳、清洁、高效、安全的能源体系是世界能源发展理 念和主要方向[2] .我国能源生产和消费总量均已居世 界前列,但仍存在能源结构不合理、能源利用效率不 高、可再生能源利用比例低、能源安全利用水平有待 进一步提高等问题.因此,推进能源改革,发展 绿色、低碳、清洁、高效、安全 的能源技术势在必 行.2014 年6月,习近平总书记在中央财经领导小组 第六次会议上提出了推动能源消费革命、能源供给革 命、能源技术革命、能源体制革命和全方位加强国际 合作的 四个革命、一个合作 的五方面要求[3] ,确 立了我国能源安全发展的行动纲领. 促进储能技术与产业的健康发展,对提高能源利 用效率、增加可再生能源利用比例、保障能源安全、 推动能源革命具有重大的战略意义[4] .2017 年10 月, 国家发展改革委等五部门联合印发《关于促进储能技 术与产业发展的指导意见》[5] ,指出: 储能是智能 电网、可再生能源高占比能源系统、'

互联网+'

智 慧能源的重要组成部分和关键支撑技术.储能可为电 网运行提供调峰、调频、备用、黑启动、需求响应支 院刊

451 撑等多种服务,是提升传统电力系统灵活性、经济性 和安全性的重要手段;

储能可显著提高风、光等可再 生能源的消纳水平,支撑分布式电力及微网,是推动 主体能源由化石能源向可再生能源更替的关键技术;

储能可促进能源生产消费开放共享和灵活交易、实现 多能协同,是构建能源互联网,推动电力体制改革和 促进能源新业态发展的核心基础. 物理储能一般包括物理储电和物理储热两大类, 具体的储能技术如图

1 所示[6-10] .物理储能具有规模 大、成本低、寿命长、环保等特点,具有广阔的应用 领域和巨大的发展潜力[11] .我国对物理储能的发展非 常重视,科学技术部、国家能源局、中国科学院以及 各级地方政府等均对物理储能的发展进行了重要部署 (表1).由此可见,物理储能技术与产业的研究发 展具有重要战略意义.

2 国内外物理储能技术发展现状 据中关村储能产业技术联盟(CNESA)项目库 统计[12] ,截至

2018 年,全球已投运储能系统累计装 机规模为 180.9 GW,相比

2017 年增长 3%.其中:抽 水蓄能的累计装机规模最大,为170.7 GW,同比增 长1.0%;

熔融盐储热的累计装机规模为 2.8 GW,同比 增长 8%(图2a).截至

2018 年,中国已投运储能系 统累计装机规模为 31.2 GW,相比

2017 年底增长 8%. 其中:抽水蓄能的累计装机占比最大,为96%,同比 增长 5%;

熔融盐储热的累计装机规模为

220 MW,占 比为 0.7%(图2b). 图1物理储能种类 表1我国物理储能相关的战略规划与指导意见 名称 重点任务

1 国家能源局《关于促进储能技术与产业发 展的指导意见》

10 MW/100 MWh级超临界压缩空气储能系统、10 MW/1000 MJ级飞轮储能阵列机组、

100 MW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

2 国家能源局《能源技术革命创新行动计划 (2016―2030年)》 太阳能光热高效利用高温储热技术、分布式能源系统大容量储热(冷)技术,面向电网 调峰提效、区域供能应用的物理储能技术,面向可再生能源并网、分布式及微电网、电 动汽车应用的储能技术

3 国家能源局《能源技术创新 十三五 规划》

10 MW/100 MWh 先进压缩空气储能系统示范、2.5 MW/5 MJ 高温超导储能装置研制、 新型高效储能材料技术开发

4 国家能源局《能源生产和消费革命战略 (2016―2030)》 发展可变速抽水蓄能技术,推进飞轮、高参数高温储热、相变储能、新型压缩空气等物 理储能技术的研发应用

5 《 十三五 规划100个重大项目表》 发展储能与分布式能源

6 国家重点研发计划 智能电网技术与装 备 重点专项

10 MW级先进压缩空气储能技术,海水抽水蓄能电站前瞻技术研究,MW级先进飞轮储 能关键技术研究

7 《北京市科技计划 十三五 规划》重大 课题

10 MW超临界压缩空气储能系统(已立项)

8 《中国科学院 十三五 发展规划纲要》 有望实现创新跨越60项重大突破:压缩空气储能 物理储能 物理储电 抽水蓄能 压缩空气储能 飞轮储能 超导储电 显热储热 潜热储热 物理储热

452 2019 年.第34 卷.第4期2.1 物理储能技术发展现状与趋势 2.1.1 抽水蓄能 抽水蓄能利用电能和水势能的相互转化进行能量 存储,具有效率高、容量大、寿命长、储能周期不受 限制等优点,是目前技术最成熟、应用最广泛的电力 储能技术[13] .但是,由于抽水蓄能需要建造水库和水 坝,其应用受地理条件的限制[14] .表2为抽水蓄能技 术特征,典型抽水蓄能电站规模为 100―3000 MW, 主要适用于电力系统调频、调峰填谷、能量管理、备 用等方面. 抽水蓄能技术自从

1882 年国际第一座抽水蓄能 电站在瑞士使用以来,已经发展近

130 多年,技术 已经成熟.目前世界上在运营的最大抽水蓄能电站 是1985 年投入运行的美国巴斯康蒂抽水蓄能电站,装 机容量达到 30.03 MW[15] . 我国的抽水蓄能技术研发与建设起步较晚,1968 年首次在河北省岗南水电站引进

2 台日本制造的单机

11 MW 混合式抽水蓄能机组.经过

50 余年的发展,我 国抽水蓄能已从引进、吸收消化阶段转变为自主研发 阶段.2016 年6月投入商业运行的浙江仙居抽蓄电站 机组是我国真正意义上第一台完全自主设计、自主生 产、自主安装运营的设备,也标志着我国打破国外的 技术垄断,完整掌握大型抽水蓄能电站核心技术. 总体来说,抽水蓄能技术正朝着大容量、高水 头、高效率、智能化方向发展,具体关键技术包括: 高水头大功率水泵水轮机、高转速大功率发电机、变 速调节控制、无人化智能控制与集中管理、信息化施 工、隧道掘进机开挖技术、新型钢材和沥青混凝土技 术等. 2.1.2 压缩空气储能系统 传统压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术,利 用电能和空气内能进行能量储存的系统.传统压缩 空气储能系统具有容量较大、周期长、寿命长、投 资相对小等优点,但由于其不是一项独立的技术,必 须同燃气轮机电站配套使用,依赖燃烧化石燃料提供 热源,且依赖大型储气室,如岩石洞穴、盐洞、废弃 矿井等,因此应用也受到地理条件的限制[16] .表3为压缩空气储能技术特征,可见,压缩空气储能系统与 抽水蓄能技术特性相似,其应用领域与抽水蓄能也相 同. 传统压缩空气储能技术自从

1949 年Stal Laval 提 出利用地下洞穴实现压缩空气储能以来,国际上只 有两座大规模传统压缩空气储能电站投入商业运行, 图2储能装机构成 (a)全球;

(b) 中国;

数据来源:CNESA 项目库,2019 年表2抽水蓄能技术特征 技术成熟度 功率(MW) 寿命(年) 效率(%) 响应速度 功率成本(元/kW) 能量成本(元/kWh) 能量密度(Wh/L) 商用 100―3

000 40―60 65―75 分钟级

3 000―5

000 500―1

000 0.2―2 表3压缩空气储能技术特征 技术名称 技术成熟度 功率 (MW) 寿命 (年) 效率 (%) 响应速度 功率成本 (元/kW) 能量成本 (元/kWh) 能量密度(Wh/L) 传统压缩空气 商用 1―300 30―50 40―54 分钟级

6 000―8

000 1000―2500 3―10 新型压缩空气 示范-商用 1―100 30―50 40―70 分钟级

6 000―8

000 1000―2500 3―100 a b 抽水蓄能 94.39% 压缩空气储能 0.23% 压缩空气储能 0.04% 熔融盐储能 1.55% 熔融盐储能 0.70% 飞轮储能 0.25% 电化学储能 3.58% 电化学储能 3.24% 抽水蓄能 96.02% 院刊

453 分别是德国的

290 MW Huntorf 电站和美国的

110 MW McIntosh 电站[17] .此外,日本建设

2 MW 传统压缩空 气储能示范电站.我国只进行了传统压缩空气储能技 术相关理论研究. 传统压缩空气储能系统存在依赖大型储气洞穴、 依赖化石燃料两大技术瓶颈,严重限制了其推广应 用.近年来,为解决上述技术瓶颈,国内外学者开 发了多种新型压缩空气储能系统.目前国际上已经 实现 MW 级示范的系统包括:美国 SustainX 公司等 温压缩空气........