新型电能储能技术概述

新型电能储能技术概述,储能技术是一种重要的能源管理工具，它允许将电能或其他形式的能量在非高峰时段存储起来，然后在需求高峰时段释放使用。这种技术不仅可以提高能源利用效率，还能平衡电力供需，减少对传统化石燃料的依赖，并支持可再生能源的更广泛整合。

新型电能储能技术概述

• 一、 储能的概念
  • 储能
    • 储能即能量存储，具体是指通过某种介质或设备，将一种能量用相同或不同形式的能量存储起来，在某一时刻再根据需要以特定的形式进行释放的过程
  • 储能技术
    • 储能技术是一种重要的能源管理工具，它允许将电能或其他形式的能量在非高峰时段存储起来，然后在需求高峰时段释放使用。这种技术不仅可以提高能源利用效率，还能平衡电力供需，减少对传统化石燃料的依赖，并支持可再生能源的更广泛整合
  • 储能的基本特性
    • 存储容量
      • 是指储能系统所能存储的有效能量主要用于描述储能系统对能量的存储能力
    • 实际使用能量
      • 是指储能系统在应用过程中所能释放的有效能量，主要用于描述储能系统对能量的释放能力
    • 能量转换效率
      • 是指储能系统在完成某次充放电循环后，所能释放的有效能量与所能存储的有效能量的比值。由于能量在存储过程中会产生损耗，能量转换效率小于1
    • 能量密度
      • 从质量或体积的角度，能量密度可分为质量能量密度与体积能量密度，分别对应单位质量或体积的储能系统所能存储的有效能量
    • 功率密度
      • 与能量密度类似，功率密度可分为质量功率密度与体积功率密度，分别对应单位质量或体积的储能系统所能输出的最大功率。受储能材料限制，储能系统通常难以兼具较高的能量密度和功率密度。比如，抽水蓄能系统的能量密度较大，但功率密度较小;蓄电池的功率密度普遍较高，但能量密度往往偏小
    • 自放电率
      • 是指储能系统在单位时间内的自放电量，主要用以反映储能系统对所存储的能量的保持能力
    • 循环寿命
      • 储能系统每经历一个完整的能量存储和释放过程，便称为一个循环。储能系统在寿命周期内所能实现的最大循环次数，称为循环寿命
    • 其它指标
      • 常用的储能技术指标还包括技术成熟度兼容性、可移植性、安全性、可靠性和环保性等
• 二、 储能的作用
  • 储能是可再生能源规模化发展的重要支撑
    • 一方面，储能可以提高可再生能源并网消纳率。另一方面，储能可以提高可再生能源电力系统的安全性及电能质量，从根本上促进可再生能源的开发利用。
  • 储能电池是新能源汽车的核心部件
    • 未来电动汽车中的电池系统可以作为一个存储单元与电网进行互动，从而降低用电成本。另一方面，储能电池系统还能在汽车减速制动过程中将汽车的部分动能转化为电能并存储起来，降低能耗。
  • 储能是现代电网的重要组成部分
    • 储能作为最具代表性的灵活调节资源，可以提高现代电网的安全稳定性，电网也将由“源-网荷”的传统运行模式逐渐过渡到“源-网-荷-储”的协调运行模式。
  • 储能是构建能源互联网的关键支撑技术
    • 储能包括电化学储能、压缩空气储能、储热和储氨等不同形式的能源储存方式，可以建立多种能源之间的耦合关系，发挥能量中转、匹配和优化等作用，是构建能源互联网的关键支撑技术。
• 三、 储能的类型
  • 1. 类型
    • （1） 机械储能
      • 1||| 抽水储能
      • 2||| 压缩空气储能
      • 3||| 飞轮储能
    • （2） 电气储能
      • 1||| 超导储能
      • 2||| 超级电容储能
    • （3） 电化学储能
      • 1||| 锂离子电池
      • 2||| 液流电池
      • 3||| 钠硫电池
    • （4） 氢储能
      • 1||| 储氢技术
• 四、 储能的原理及应用
  • 抽水储能
    • 原理
      • 抽水蓄能是以水为能量载体的一种储能技术。在电力系统负荷低谷时，通过电动机机械做功，把将下游水库的水抽到上游水库，将过剩的电能转换成水体势能的形式储存起来;在负荷高峰时，通过发电机将存储在上游水库的水体势能转换成电能以供应电力系统的尖峰电量。
    • 应用
      • 抽水蓄能具有调峰、调频、调相、紧急事故备用和黑起动等功能，在电力系统中的应用最为广泛；
      • 中国河北省的丰宁抽水蓄能电站是目前世界上装机容量最大的抽水蓄能电站，总装机容量为360万千瓦。这个电站在用电低谷时将水从下水库抽到上水库储存能量，而在用电高峰时释放水流发电，有效调节电网负荷。
  • 压缩空气储能
    • 原理
      • 压缩空气储能是以压缩空气为载体的一种储能技术。储能时，电能或机械能驱动压缩机从环境中吸取空气将其压缩至高压状态并存入储气装置，即将电能或机械能转化为压缩空气的内能和势能:释能时，储气装置中存储的压缩空气进入空气透平中膨胀做功发电，压缩空气中蕴含的内能和势能重新转化为电能或机械能。
    • 应用
      • 压缩空气储能可广泛用于电源侧、电网侧和用户侧，发挥调峰、调频、容量备用、无功补偿和黑启动等作用。
      • 山东肥城的盐穴先进压缩空气储能调峰电站于2021年成功并网发电。该电站利用盐洞储存高压空气，并在需要时释放压缩空气推动涡轮机发电，具有快速响应和高可靠性的特点
  • 飞轮储能
    • 原理
      • 飞轮储能系统是电能与飞轮机械能的一种转换装置。储能时，电机驱动飞轮高速旋转，将电能转化为机械能存储起来;释能时电机工作在发电机状态，使飞轮减速，将机械能转化为电能。
    • 应用
      • 飞轮储能寿命长，充电时间短，功率密度大，转换效率高，污染低，维护少，但其储能密度低，自放电率较高。飞轮储能适用于电能质量控制、不间断电源等对储能调节速率要求高、但储能时间短的场景。
      • 在河北省邯郸市，邯长铁路新固镇牵引变电站安装了兆瓦级飞轮储能装置。这套系统利用列车进站刹车时产生的电能加速飞轮旋转储存能量，出站时释放能量辅助列车提速，显著提高了电能利用效率
  • 超级电容储能
    • 原理
      • 超级电容由活性炭多孔电极和电解质构成，其电容值达法拉级以上。超级电容在储能过程中遵循电化学双电层理论，通过电极与电解液形成的界面双电层来收藏电荷，从而将电能储存于电场中。
    • 应用
      • 超级电容储能充电速度快，功率密度高，对环境温度适应力强，对环境友好，但其续航能力较差，且依赖新材料的发展。目前，超级电容储能通常应用于提高电能质量等场合。
      • 西安合容新能源技术有限公司开发的超级电容混合储能系统在风电场中得到了应用。该系统结合锂电池和超级电容的优点，提供高效的能量管理，适用于频繁充放电的场景
  • 超导储能
    • 原理
      • 超导储能利用超导线圈将电能通过整流逆变器转换成电磁能的形式存储起来在需要时再通过整流逆变器将电磁能转换为电能释放出来。
    • 应用
      • 超导储能具有响应速度快(ms级)，比功率大(10“~10°kW/kg)，储能密度大(10°J/m3)，转换效率高(≥95%),易于控制，且几乎无污染，但目前主要处于示范应用阶段，离大规模应用仍有较大距离。
      • 美国、欧洲和亚洲的一些国家正在开发超导磁储能（SMES）技术，用于改善电网的稳定性和电能质量。例如，美国超导公司ASC制造安装的SMES装置被用于解决工业电能质量问题
  • 锂离子电池
    • 原理
      • 锂离子电池是一种二次电池(充电电池)主要依靠锂离子在正极和负极之间的移动进行能量存储与释放。充电时，正极的锂原子变为锂离子，通过电解质向负极移动，在负极与外部电子结合后还原回锂原子进行存储;放电过程正好与此相反。
    • 应用
      • 锂离子电池的能量密度高，自放电率低，寿命长，且无记忆效应，易于快充快放，但成本偏高。随着技术的发展以及成本的下降，近年来锂离子的应用规模越来越大，前景被广泛看好。
      • 特斯拉在其电动汽车和固定式储能产品中使用锂离子电池技术，例如特斯拉的Powerwall家用储能系统和大型的公用事业级储能项目。这些系统能够存储太阳能发电产生的能量，供无阳光时使用
  • 液流电池
    • 原理
      • 液流电池全称为氧化还原液流电池，其工作原理是:先将活性物质溶解于正负储液罐的溶液中，利用送液泵使电解液不断循环并在正负极发生氧化还原反应，从而实现电池的充电和放电。
    • 应用
      • 液流电池具有寿命长、自放电率低、环境友好和安全性高等优点，缺点是能量效率和能量密度都不高。目前，全钒液流电池、锌溴液流电池等已初步实现了商业化应用。
      • 在美国的一些风电场中，液流电池被用来平衡风力发电的间歇性，确保稳定供电
  • 钠硫电池
    • 原理
      • 钠硫电池是一种以熔融金属钠为负极以熔融态的硫为正极和以陶瓷管为电解质隔膜的熔融盐二次电池。通过钠与硫的化学反应将电能储存起来;用能时再将化学能转化成电能并释放出去。
    • 应用
      • 钠硫电池具有体积小、容量大、寿命长、效率高和稳定性较强等优点，但其运行温度在300℃以上，需满足严格的操作和维护要求。目前，钠硫电池主要应用于电网削峰填谷和大规模可再生能源并网、辅助电源等领域。
      • 日本在钠硫电池技术方面处于领先地位，这种高温操作的电池主要用于工业和电力基础设施领域，特别是在需要高能量密度和耐高温环境的应用中
  • 储氢技术
    • 原理
      • 氢储能的基本原理是将水电解得到氢气，并以高压气态、低温液态和固态等形式进行存储。
    • 应用
      • 氢气具有燃烧热值高、大规模存储便捷、可转化形式广和环境友好等优点，受到了能源行业的高度重视，具有极大的发展潜力。其缺点是能量转换率相对较低，且目前的氧储能技术的成本仍然比较高，这也在一定程度上阻碍了氢储能技术的规模化应用。
      • 安徽六安兆瓦级氢能综合利用示范站：这是国内首座兆瓦级电解纯水制氢、储氢及氢燃料电池发电系统，首次实现了全链条贯通。位于安徽省六安市平安经济开发区，占地10.7亩，采用了具有自主知识产权的兆瓦级质子交换膜纯水电解制氢设备和兆瓦级燃料电池设备。
        • 该示范站验证了制氢、储氢及氢发电完整的技术链条，并研究了氢储能电站利用峰谷电价差盈利的可行性。
        • 每年可节约标准煤约1091吨，减少二氧化碳排放约1889吨，为构建以新能源为主体的新型电力系统、助力“双碳”目标的实现具有重要意义
• 五、 储能技术发展简史
  • 发展简史
    • 18世纪末-20世纪上半叶
      • 初步探索期
        • 电化学储能和抽水蓄能的发展相对较快
        • 多种储能技术得到了初步的探索
      • • 1979
          • 第一个一次电池——伏特电池
          • 1839
            • 燃料电池
          • 1859
            • 铅酸电池
          • 1866
            • 锌锰电池
          • 1899
            • 镍镉电池
          • 电化学储能
        • 1879
          • 杜瓦斯开拓了氢储能新途径
        • 1882
          • 第一座抽水畜能电站
          • 十九世纪末-二十世纪上半叶
          • 发展相对缓慢，主要用于调节常规水电站发电的季节不平衡性
        • 1889
          • 提出双电层概念超级电容储能的开端
    • 20世纪中叶20世纪末
      • 多元发展期
        • 电化学储能和抽水蓄能等电力储能技术有了新的发展
        • 压缩空气储能、超导磁储能、热储能等储能技术初登历史舞台
      • • 1949
          • 提出压缩空气储能概念
        • 1952
          • 氢的大规模液化和存储获得成功
        • 1957
          • 双电层电容器
        • 1960
          • 抽水蓄能开启黄金时期
        • 1969
          • 提出超导储能的概念
        • 1970
          • 飞轮储能
    • 21世纪以来
      • 高速发展期
        • 电化学储能和抽水蓄能蓬勃发展
        • 超级电容和超导储能应用潜力巨大
        • 飞轮储能与压缩空气储能迎来新发展
        • 热储能和氢储能发展活力充足
      • 近年来，随着新能源规模化接入电网、电力削峰填谷、参与调压调频、发展微电网等方面的需求不断增加，储能技术在电力系统中的角色日益重要。新型储能技术如电化学储能、机械储能、电磁储能等得到了快速发展，并在多个领域实现了应用
• 六、 未来技术趋势
  • 1. 新型储能技术的持续创新
    • 未来，新型储能技术将继续得到深入研究和发展。例如，固态电池、水系电池、多电子二次电池（如镁离子电池、铝离子电池等）、金属空气电池和液态金属电池等前沿电池机制和技术方案正在积极探索中。这些新型储能技术有望在未来实现突破性进展，为电力系统提供更加高效、安全、环保的储能解决方案
  • 2. 新型储能技术的持续创新
    • 智能化与数字化深度融合：随着人工智能、大数据、云计算等先进技术的快速发展，储能系统将更加注重与数字化、智能化技术的深度融合。这种融合将使储能系统具备更强的精准控制、快速响应和灵活配置能力，能够更好地满足电力系统的需求
  • 3. 多元化应用场景拓展
    • 未来，储能技术将在更多领域得到应用。除了传统的电力系统外，储能技术还将在智能电网、分布式能源、电动汽车充电站、数据中心等多个领域发挥重要作用。同时，随着氢能等清洁能源的发展，储氢技术也将成为未来储能领域的重要研究方向
  • 4. 成本降低与商业化加速
    • 随着技术的不断进步和产业链的完善，储能系统的制造成本将逐渐降低。这将有助于推动储能技术的商业化应用进程，使其在更广泛的领域得到应用。同时，政府政策的支持和市场需求的增长也将为储能技术的发展提供有力保障。