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儲能技術應用領域與發展趨勢分析

 儲能技術是實現可再生能源大規模接入,提高電力系統效率、安全性和經濟性的關鍵技術,也是提高清潔能源發電比率,推動霧霾治理的有效手段。截至2015年底,全球儲能裝機總量約167GW,約占全球電力總裝機的2.9%;我國儲能裝機為22.8GW,約占全國電力總裝機的1.7%。預計到2050年,我國儲能裝機將達200GW,市場規模將達2萬億元以上。目前已有的儲能技術主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能、鉛酸電池、鋰電池、鈉硫電池、液流電池及超級電容器等。不同的儲能技術適用于不同的應用場合和領域,根據系統功率與放電時間,可以將儲能技術的主要應用領域分為能源管理、電力橋接和電能品質管理三部分。未來儲能市場的發展將集中在分布式儲能、分布式光伏+儲能、微網等配網側和用戶側等領域。近年來中國儲能產業在項目規劃、政策支持和產能布局等方面均加快了發展的腳步,未來幾年隨著可再生能源行業的快速發展,儲能市場亦將迎來快速增長。不過我國儲能產業還處于發展的初級階段,尚以示范應用為主,儲能商業化應用面臨著儲能成本偏高、電力交易市場化程度不健全、儲能技術路線不成熟、缺乏儲能價格有效激勵等各方面的問題,可謂機遇與挑戰共存。

1前言

儲能是指通過介質或設備把能量存儲起來,在需要時再釋放出來的過程。儲能技術是解決可再生能源大規模接入和棄風、棄光問題的關鍵技術;是分布式能源、智能電網、能源互聯網發展的必備技術;也是解決常規電力削峰填谷,提高常規能源發電與輸電效率、安全性和經濟性的重要支撐技術。儲能技術可提高清潔能源發電比率,進而實現化石能源清潔高效利用,有效減少污染物的排放,對霧霾等環境問題的治理和改善人居環境將起到極大的推動作用。同時,儲能技術的發展關系到能源、交通、電力等多個重要行業的發展,尤其在當今能源枯竭日益加劇、能源消費供求不平衡的大環境下,儲能能夠突破傳統能源模式時間與空間的限制,其重要作用日益凸顯,已成為主要發達國家競相發展的戰略性新興產業。

我國能源體量大,但能源結構復雜且具有一定的特殊性,西北部地區能源存量豐富,但需求較低,東南部人口密集,能源需求量較大,能源與需求存在地域上的錯位。而儲能產業是能源結構轉型的關鍵和推手,加快儲能產業的發展,對推動經濟發展和建設健康的能源產出與消費體系具有重要意義。在現階段,社會各界對儲能技術與產業的認識及重視程度逐漸深入,越來越多的專業技術與商業投資人士都認為,儲能行業的發展對國民經濟各行各業的發展至關重要。同時,政府部門也通過科技創新和多種鼓勵政策來推動儲能技術與產業的發展,通過部署多個資助項目和示范項目,逐步培育和推動儲能技術的商業應用。

2主要的儲能技術

目前已有的儲能技術主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能、鉛酸電池、鋰電池、鈉硫電池、液流電池及超級電容器等。

①抽水蓄能電站在用電低谷時通過水泵將水從低位水庫送到高位水庫,從而將電能轉化為水的勢能存儲起來;在用電時,水的重力勢能驅動水輪機發電。

②壓縮空氣儲能系統的原理是在用電低谷將空氣壓縮并存于儲氣室中,使電能轉化為空氣的內能存儲起來;在用電高峰,高壓空氣從儲氣室釋放驅動透平發電。

③飛輪儲能是將能量以飛輪的轉動動能的形式存儲起來,充電時飛輪由電機帶動飛速旋轉,放電時相同的電機作為發電機由旋轉的飛輪帶動產生電能。

④超導儲能是將電流導入環形電感線圈,由于該環形電感線圈由超導材料制成,因此電流在線圈內可以無損失地不斷循環,直到導出為止,進而達到儲能的目的。

⑤鉛酸電池的工作原理是放電時,正極的二氧化鉛與硫酸反應生成硫酸鉛和水,負極的鉛與硫酸反應生成硫酸鉛;充電時,正極的硫酸鉛轉化為二氧化鉛,負極的硫酸鉛轉化為鉛。

⑥鋰電池的工作原理是在充電時鋰原子變成鋰離子,通過電解質向碳極遷移,在碳極與外部電子結合后作為鋰原子儲存;放電時整個過程逆轉。

⑦液流電池內的正、負極電解液由離子交換膜隔開,電池工作時,電解液中的活性物質離子在惰性電極表面發生價態的變化,進而完成充放電。

⑧鈉硫電池放電時鈉離子通過電解質,而電子通過外部電路流動產生電壓;充電時整個過程逆轉,多硫化鈉釋放正鈉離子,反向通過電解質重新結合為鈉。

⑨超級電容是基于多孔炭電極/電解液界面的雙電層電容,或者基于金屬氧化物或導電聚合物表面快速、可逆的法拉第反應產生的準電容來實現能量的儲存。

各類儲能技術的原理如圖1所示,主要技術參數對比見表1。

3儲能關鍵技術及發展趨勢

不同的儲能技術在概念與原理上差異很大,因而其關鍵科學問題與技術難點也有所不同,表2給出了不同儲能技術的關鍵技術和發展趨勢。我國各種儲能技術的成熟度也有所不同,均處于不同的發展階段(見表3)。


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