儲能技術(shù)展望——新型儲能技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用分析

　　0 引言

　　能源是人類發(fā)展與社會進(jìn)步的動力，為實現(xiàn)高質(zhì)量的社會主義現(xiàn)代化國家，推動碳達(dá)峰碳中和，我國能源產(chǎn)業(yè)也將綠色低碳轉(zhuǎn)型作為高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略性任務(wù)[1-4]。其中，儲能是在此背景下催生出的新興行業(yè)。目前，我國儲能行業(yè)處于由商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展的過渡階段，在技術(shù)研發(fā)、示范項目、商業(yè)模式、政策體系等方面均快速發(fā)展，形成了以抽水蓄能為主，多種儲能技術(shù)綜合發(fā)展的整體趨勢[5-8]。

　　國內(nèi)外專家學(xué)者對現(xiàn)階段全球儲能技術(shù)的進(jìn)展及應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié)與分析。Koohi-Fayegh[9]對不同儲能技術(shù)進(jìn)行了比較，分析了不同儲能技術(shù)應(yīng)用場景和領(lǐng)域。Hameer[10]對大規(guī)模電能儲存技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了概述，并進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估。Rekioua[11]從功率、能源要求、效率、成本、可擴(kuò)展性和耐用性等角度對光伏和風(fēng)能系統(tǒng)的儲能技術(shù)進(jìn)行了概述。薛福[12]對現(xiàn)有儲能技術(shù)的類型和發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行全面分析和總結(jié)，著重分析了不同儲能技術(shù)的特點及差異性，并對其應(yīng)用場景及經(jīng)濟(jì)性做了綜合比較。陳海生等[13]通過對基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范三方面的回顧和分析，總結(jié)了2022年中國儲能領(lǐng)域的主要技術(shù)進(jìn)展，也針對抽水蓄能、電化學(xué)儲能、壓縮空氣儲能等具體儲能類型的技術(shù)也系統(tǒng)且全面地概述了其在行業(yè)內(nèi)的研究及進(jìn)展情況。

　　然而，目前的綜述往往受限于發(fā)展階段及特定行業(yè)的限制，同時沒有結(jié)合我國目前的實際發(fā)展情況進(jìn)行分析。對目前儲能技術(shù)的類型、儲能技術(shù)研究進(jìn)展情況、儲能技術(shù)特點等方面進(jìn)行全面審查、融合分析，有助于更好地了解不同新型儲能技術(shù)的發(fā)展前景。因此，本文對現(xiàn)階段我國儲能技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了梳理，總結(jié)概況國內(nèi)的儲能基礎(chǔ)研究重點，對不同儲能方式的技術(shù)特點進(jìn)行對比分析。最后總結(jié)了2023年我國儲能技術(shù)發(fā)展規(guī)模。通過本文的總結(jié)，可更加直觀了解我國儲能行業(yè)發(fā)展情況，為我國儲能技術(shù)的科學(xué)研究及相關(guān)從業(yè)者提供參考。

　　1 新型儲能技術(shù)分類

　　儲能是指利用裝置或物理介質(zhì)將能量儲存，其目的是滿足能量短缺時的需求?，F(xiàn)階段普遍將儲能按照方式分為：機械儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能、儲熱技術(shù)、氫儲能技術(shù)等，如圖1所示。

圖1 新型儲能技術(shù)分類
Fig.1 Classification of new energy storage technologies

　　2 國內(nèi)外儲能技術(shù)發(fā)展概況

　　2.1國內(nèi)儲能技術(shù)發(fā)展概況

　　隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，我國儲能已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展階段。據(jù)CNESA最新公布數(shù)據(jù)，截至2023年6月底，中國已投運電力儲能項目累計裝機規(guī)模70.2GW(包括抽水蓄能、熔融鹽儲熱和其他新型儲能)。其中，新型儲能占比30%，鋰離子電池依然是新型儲能中占比最高的類型。我國的儲能技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了四個階段。第一階段從2000年至2010年以電化學(xué)儲能技術(shù)為重點開展了一系列研究;第二階段2011年至2015年，相應(yīng)技術(shù)規(guī)范已逐漸趨于成熟，并開展了廣泛的市場試驗;第三階段2016年至2020年相關(guān)儲能技術(shù)進(jìn)入早期的商業(yè)化發(fā)展階段;第四階段從2020年至2025年，我國儲能進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化階段。

　　此外，我國的儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出區(qū)域性特點，不同地域以自身地理資源為優(yōu)勢，大力發(fā)展儲能技術(shù)。華北地區(qū)風(fēng)電資源豐富，西南地區(qū)水利資源豐富，儲能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出地域性多元化的快速發(fā)展趨勢。目前，我國儲能技術(shù)呈現(xiàn)出以電化學(xué)電池、抽水蓄能為主，壓縮空氣儲能及飛輪儲能為輔的飛速發(fā)展階段。

　　2.2國外儲能技術(shù)發(fā)展概況

　　截至2023年，國外儲能產(chǎn)業(yè)相關(guān)政策逐步落地，全球整體發(fā)展高速增長。根據(jù)EIA統(tǒng)計，美國2023年儲能裝機約4.6GW，同比增長約21%，同時政府為解決電網(wǎng)設(shè)施老舊問題，推出改革措施簡化手段，有助于推動儲能項目開展。

　　歐洲市場能源不斷轉(zhuǎn)型，英國、意大利以及德國新增多個儲能項目。英國計劃將19個電化學(xué)儲能項目并網(wǎng)時間平均提前于原先協(xié)議時間四年推動項目加速。歐盟對多個國家地區(qū)發(fā)布儲能資金補助，以加快項目規(guī)劃建設(shè)進(jìn)度。

　　此外，亞非拉等發(fā)展中國家近年裝機持續(xù)增長。根據(jù)IRENA數(shù)據(jù)，2019-2022年非洲光伏與風(fēng)電裝機的復(fù)合年增長率(Compound Annual Growth Rate，CAGR)分別從9.63%增長至11.61%，東南亞國家分別從36.16%增長至52.18%

　　3 新型儲能技術(shù)進(jìn)展情況

　　3.1 抽水蓄能

　　抽水蓄能(PHES)是一種資源驅(qū)動型技術(shù)，通過使用電能將低處的水體通過管道輸送到更高的蓄水池，以水力勢能的形式儲存電能。在發(fā)電盈余時，用多余電能將水從下水庫抽至上水庫進(jìn)行蓄能，在用電高峰時釋放水體進(jìn)而增加發(fā)電量。PHES系統(tǒng)的綜合能效在75–85%之間變化，通常容量大小為1000–1500 MW 。 PHES系統(tǒng)的其他優(yōu)點是資產(chǎn)壽命長，即50至100年，以及運行和維護(hù)成本低。PHES系統(tǒng)的一些缺點是機組尺寸大、資本成本高和地形限制，即兩個水庫之間的可用高差和環(huán)境高差。目前，抽水蓄能以變速機組關(guān)鍵技術(shù)、高水頭大容量機組監(jiān)測與控制技術(shù)，以及抽水蓄能與可再生能源聯(lián)合控制技術(shù)等方面為發(fā)展方向。

　　在變速機組關(guān)鍵技術(shù)方面，李璟延[14]提出了一種新型抽水蓄能電站，融合了變速機組技術(shù)、電化學(xué)儲能系統(tǒng)、風(fēng)能、太陽能等新能源儲能系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。陳龍翔等[15]提出了交流 勵磁變 速發(fā)電電動機、水泵水輪機、變頻器等核心裝備的研制框架和重點。陳驍[16]等推導(dǎo)了變速機組輸出功率對系統(tǒng)減速面積的靈敏度。韓璋[17]等提出了自適應(yīng)反步滑?？刂?ABSMC)的變速抽蓄機組的調(diào)速系統(tǒng)。胡超[18]等采用特征線法建立了“引水兩洞四機、尾水四機一洞”的變-定速抽水蓄能機組水力過渡過程數(shù)學(xué)模型。肖微[19]等進(jìn)行了自振特性分析。文獻(xiàn)[20-23]分別從數(shù)學(xué)模型分析、控制策略等方面優(yōu)化并改進(jìn)變速機組相關(guān)技術(shù)。

　　在高水頭大容量機組監(jiān)測與控制技術(shù)方面，張飛[24]等研究了速度信號積分為位移信號的積分方法與濾波器參數(shù)設(shè)置。劉雪芹[25]等采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)識別模型，建立大型泵站機組運行狀態(tài)聲紋樣本庫和模型庫，構(gòu)建泵站機組振動狀態(tài)的聲紋監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)大型泵站機組運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。趙衛(wèi)強[26]等通過對水泵水輪機機組振動特性曲線的趨勢分析，獲得了準(zhǔn)確 地 評估指標(biāo)及其趨勢以及異常值的識別。大部分文獻(xiàn)[27-32]對機組的振動特性開展了研究，并利用數(shù)學(xué)算法、深度學(xué)習(xí)等方法實現(xiàn)機組運行監(jiān)測與控制。

　　在可再生能源聯(lián)合控制技術(shù)方面，胡澤春[33]等以風(fēng)電—抽水蓄能聯(lián)合運行的效益最大化為目標(biāo)提出了電網(wǎng)消納風(fēng)電 出力 的新模式。荊朝霞[34]等提出了考慮負(fù)荷響應(yīng)的含風(fēng)/光/抽水蓄能的海島微網(wǎng)優(yōu)化配置模型。梁子鵬[35]等建立了考慮風(fēng)電不確定度的風(fēng)-火-水-氣-核-抽水蓄能多類型電源機組協(xié)同調(diào)度的旋轉(zhuǎn)備用優(yōu)化模型。文瑤[36]等進(jìn)行了廢棄礦山光伏-抽水蓄能電站可行性分析。

　　3.2 電化學(xué)儲能

　　電化學(xué)儲能(BES)電池使用化學(xué)反應(yīng)將儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能實現(xiàn)電能的儲存。目前已成為較常見、最多樣的儲能技術(shù)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)、家庭。BES根據(jù)發(fā)展階段與技術(shù)路線不同，分為鋰離子電池、鈉離子電池、全釩液流電池和鋅溴液流電池四種類型。其中，鋰離子電池憑借其材料特性商業(yè)化最為成功。由于電化學(xué)儲能發(fā)展歷史悠久，相應(yīng)的技術(shù)較多，本文僅簡單介紹鋰離子電池的技術(shù)研究進(jìn)展。

　　在鋰離子電池研究主要分為：正負(fù)極材料改性研究[37,38]、功能電解質(zhì)研究[39,40]、電池回收再生[41]、新型鋰電池技術(shù)[42-45]等方面。其中，新型鋰電池技術(shù)由于能量密度高、儲能量大、造價低等優(yōu)勢獲得廣泛關(guān)注。Park等[46]利用電子阻塞電池的直流極化技術(shù)系統(tǒng)分析了活性物質(zhì)的形狀和組成對離子輸運特性的影響性。Wang等[47]設(shè)計了一種Zr(OH)4涂層的離子選擇隔膜，使NCA-Gr軟包電池具有穩(wěn)定的循環(huán)性能，可循環(huán)600次，解決了高溫跳水問題。Quinn等[48]認(rèn)為在電解質(zhì)添加劑形成有效的鈍化層來改善硅負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性，可提高循環(huán)穩(wěn)定性。Cui等[49]使用激光處理可誘導(dǎo)聚偏氟乙烯黏結(jié)劑的部分分解和表面LiF相的形成，減輕了電極-電解質(zhì)副反應(yīng)。

　　3.3 壓縮空氣儲能

　　壓縮空氣儲能(CAES)是指將空氣壓縮儲存在地下洞室或廢棄礦井中。在電力富余時，利用電力驅(qū)動壓縮機，存儲于專用腔室內(nèi)，當(dāng)電力緊缺時釋放腔室內(nèi)的高壓氣體進(jìn)而帶動發(fā)電機運作。CAES技術(shù)因其運行效率高、成本相對低、系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點，現(xiàn)階段認(rèn)為其有潛力成為大規(guī)模儲能技術(shù)之一。目前國內(nèi)在CAES系統(tǒng)總體特性研究、關(guān)鍵部件內(nèi)部流動與傳蓄熱研究、壓縮機和膨脹機關(guān)鍵技術(shù)等方面開展了大量的研究。

　　在系統(tǒng)總體特性方面，周檬[50]等采用改進(jìn)粒子群算法對系統(tǒng)多個運行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。李姚旺[51]等提出了含AA-CAES電站的電力系統(tǒng)實時調(diào)度模型。鄢發(fā)齊[52]等提出了含CAES和多類型柔性負(fù)荷的電力系統(tǒng)多時間尺度電能-備用聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型。楊緒青[53]等提出一種CH-CAES與吸收式熱泵循環(huán)(AHP)集成的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(CH-CAES-AHP)，以實現(xiàn)能量的梯級利用。Huang等[54]提出了一種變速壓縮空氣儲能系統(tǒng)，使儲電過程的工況范圍拓寬了49%，且儲/釋電過程的功率動態(tài)響應(yīng)時間遠(yuǎn)小于定速系統(tǒng)。耿曉倩等[55]建立了壓縮空氣儲能系統(tǒng)的全生命周期模型，獲得了系統(tǒng)的全生命周期能效及碳排放量。

　　在關(guān)鍵部件內(nèi)部流動與傳蓄熱技術(shù)研究上，劉禎等[56]研究了吸氣溫度對渦旋膨脹機性能的影響規(guī)律及工作腔流場分布特點。肖旻逾等[57]提出了一種功熱并儲恒壓絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)在輸入功率低于壓氣機啟動功率時，儲熱系統(tǒng)運行，從而實現(xiàn)儲能功率大范圍連續(xù)可調(diào)。劉小明等[58]進(jìn)行了齒輪組裝式壓縮機在非補燃式壓縮空氣儲能項目中的應(yīng)用試驗。鄭開云等[59]提出了一種耦合抽水蓄能的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，并從研究思路、概念方案和工程可行性進(jìn)行分析。許永紅等[60]提出了氣動 馬達(dá) 并聯(lián)工作模式以提高壓縮空氣儲能系統(tǒng)的輸出功率、能量轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)濟(jì)性。

　　在壓縮機和膨脹機關(guān)鍵技術(shù)方面，王君等[61,62]根據(jù)渦旋壓縮機的流體區(qū)域變化規(guī)律，提出一種結(jié)構(gòu)化動網(wǎng)格的生成方法，實現(xiàn)了嚙合間隙處的網(wǎng)格加密。劉禎等[56]采用計算流體力學(xué) ( CFD ) 的方法對渦旋膨脹機工作過程進(jìn)行非定常數(shù)值模擬，得到膨脹機內(nèi)部溫度場、壓力場和速度場的分布。孫曉霞等[63]引入J型彎曲導(dǎo)葉，并采用三維計算流體動力學(xué)方法，對比研究進(jìn)氣室非均勻流場影響下，該結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)、損失分布特點以及對軸流渦輪性能的提升效果。劉禎等[64]研究了相同排氣背壓下外膨脹比對渦旋膨脹機非穩(wěn)態(tài)性能的影響規(guī)律及工作腔流場結(jié)構(gòu)分布。趙騰龍等[65]研究外接負(fù)載電阻對FPE-LG的運動特性、輸出性能和能量轉(zhuǎn)換效率的影響。虞啟輝等[66]以輸出功率和效率作為性能指標(biāo)對活塞式膨脹機進(jìn)行研究，分析了進(jìn)氣壓力、間隙容積、進(jìn)氣持續(xù)角對膨脹機輸出特性的影響。

　　3.4 儲熱技術(shù)

　　儲熱技術(shù)(TES)是指將熱量或“冷量”通過介質(zhì)進(jìn)行儲存，當(dāng)環(huán)境溫度低于(高于)介質(zhì)溫度時將熱量進(jìn)行釋放。TES技術(shù)已廣泛運用于電力、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域。儲熱方式包括三種：顯熱儲熱、相變儲熱及化學(xué)反應(yīng)儲熱。目前的主要研究方向包括儲熱材料、儲熱單元、儲熱系統(tǒng)與控制技術(shù)等。

　　在儲熱材料方面，湯立文等[67]結(jié)合納米顆粒的特殊尺寸效應(yīng)，把納米技術(shù)運用到相變儲熱材料的制備和改進(jìn)中。毛建輝等[68]利用真空快速磁感應(yīng)加熱爐制備Mg-Zn-Sn合金相變儲能材料。王燕等[69]制備了太陽鹽/鋼渣定型復(fù)合相變儲熱材料，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)緊密，化學(xué)相容性良好。文獻(xiàn)[70-72]研究了鋁基相變儲熱材料的制備及其特點。

　　在儲熱單元方面，張永學(xué)等[73]基于雪花晶體的分形結(jié)構(gòu)，提出了一種新型翅片結(jié)構(gòu)來提高填充了相變材料的潛熱儲存單元儲/放速率。李傳等[74]建立了復(fù)合材料和儲熱單元體內(nèi)部的二維傳熱模型，考察了復(fù)合材料物性和結(jié)構(gòu)尺寸及傳熱流體操作條件 ( 流體流速 ) 對單元體儲熱性能的影響。韓廣順等[75]對管翅式相變儲熱單元進(jìn)行了二維非穩(wěn)態(tài)模擬研究，對比研究了同心管翅、偏心管翅以及翅片接觸外管三種儲熱單元的傳熱特性。劉立君等[76]對偏心分形翅片管相變儲熱單元中石蠟的熔化展開了二維非穩(wěn)態(tài)模擬研究。

　　在儲熱系統(tǒng)與控制技術(shù)方面，國內(nèi)大部分研究均集中在不同的儲熱介質(zhì)上，如：水蓄熱、固體蓄熱、太陽能系統(tǒng)等方面。此外也同時開展了系統(tǒng)條件、智能系統(tǒng)優(yōu)化、自動控制與集成系統(tǒng)等方面的研究工作。

　　3.5電磁儲能

　　超導(dǎo)磁儲能(SMES)是指通過大型超導(dǎo)線圈實現(xiàn)，使用液氦或氮氣將超導(dǎo)線圈保持低溫狀態(tài)，進(jìn)而降低電阻，保存電能。SEMS的研究以系統(tǒng)線圈配置、能量容量、結(jié)構(gòu)和工作溫度為基礎(chǔ)，近些年在負(fù)載均衡、系統(tǒng)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、頻率調(diào)節(jié)、傳輸能力增強、電能質(zhì)量改善、自動發(fā)電控制和不間斷電源技術(shù)等方面的研究不斷深入。

　　在超導(dǎo)儲能線圈方面，張潤理等[77]利用熱測法實現(xiàn)對高溫超導(dǎo)YBCO線圈交流損耗的準(zhǔn)確測量，并給出了高溫超導(dǎo)YBCO線圈的理論數(shù)值計算模型。丘明等[78]提出一種基于Matlab與COMSOL聯(lián)合進(jìn)行高溫超導(dǎo)環(huán)形儲能磁體電磁優(yōu)化的設(shè)計方法。汪良等[79]提出一種應(yīng)用于超導(dǎo)儲能的DC/DC變換器電路拓?fù)洹?/p>

　　在功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)方面，張智鑫等[80]設(shè)計了一種同時兼作并聯(lián)型有源電力濾波器和功率調(diào)節(jié)器的超導(dǎo)儲能控制器。姜惠蘭等[81]提出一種聯(lián)合雙饋風(fēng)機與超導(dǎo)儲能協(xié)調(diào)控制改善電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的方法。陳孝元等[82]建立了軸向氣隙優(yōu)化型超導(dǎo)儲能磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計模型，初步形成了規(guī)?；瑢?dǎo)儲能概念設(shè)計方案。彭思思等[83]分析氧化釔鋇銅高溫超導(dǎo)帶材在超導(dǎo)儲能裝置的應(yīng)用情況。

　　4 新型儲能技術(shù)應(yīng)用分析

　　如表1所示，為不同新型儲能技術(shù)的特點分析。

　　表1 不同新型儲能技術(shù)的特點

　　5 結(jié)論與展望

　　儲能技術(shù)是現(xiàn)階段我國能源行業(yè)發(fā)展的主推方向之一?？v觀2023年，我國儲能產(chǎn)業(yè)機遇與挑戰(zhàn)并存，一方面市場規(guī)模不斷壯大，新型儲能技術(shù)項目落地進(jìn)展迅速。另一方面儲能行業(yè)產(chǎn)能相對過剩，行業(yè)成熟度還有待提高。

　　(1)電力儲能項目穩(wěn)態(tài)增長。

　　據(jù)CNESA DataLink全球儲能數(shù)據(jù)庫的不完全統(tǒng)計，截至2023年6月底，中國已投運電力儲能項目累計裝機規(guī)模70.2GW，同比增長44%，其中，抽水蓄能累計裝機首次低于80%。新型儲能繼續(xù)呈現(xiàn)高速發(fā)展的態(tài)勢，正在規(guī)劃、建設(shè)和運行的新型儲能項目達(dá)850個，遠(yuǎn)超去年新增規(guī)模。

　　(2)新型儲能技術(shù)高速發(fā)展。

　　2023年我國新型儲能技術(shù)相關(guān)項目數(shù)量超2500個，同比增長46%。其中2023年功率規(guī)模達(dá)34.5GW，能量規(guī)模達(dá)74.4GWh。相比2022年功率規(guī)模增加21.5GW，能量規(guī)模增加46.6GWh。

　　(3)電化學(xué)儲能商業(yè)化市場不斷擴(kuò)大。

　　2023年中國企業(yè)在全球市場的儲能鋰電池出貨量達(dá)206GWh，同比增長58%。全球儲能鋰電池出貨225GWh，同比增長50%。中國出貨量占全球總出貨量的91.5%。

　　綜上所述，現(xiàn)階段我國在儲能技術(shù)集成示范和產(chǎn)業(yè)化過程中成為世界上最活躍的國家。雖然抽水蓄能技術(shù)增幅不明顯，但我國未來的方向還是以抽水蓄能為主多種儲能技術(shù)并行的發(fā)展模式。此外，電化學(xué)儲能技術(shù)中鋰離子電池儲能技術(shù)因其成本低、安全性高、壽命長的特點是目前的主流方向。我國還正在不斷發(fā)展壓縮空氣儲能、超級電容器儲能、超導(dǎo)儲能等新型儲能技術(shù)。未來隨著產(chǎn)業(yè)政策的不斷完善、技術(shù)的不斷成熟，我國的“碳達(dá)峰、碳中和” 、 “可持續(xù)發(fā)展”等偉大目標(biāo)將進(jìn)一步實現(xiàn)。