中國大規(guī)模儲能研發(fā)和應用綜述

文／美國電氣制造商協(xié)會北京代表處　溫珊林／

　　從目前世界上各類大規(guī)模儲能技術(shù)的成熟度及發(fā)展現(xiàn)狀來看，物理儲能，如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能屬于成熟技術(shù)，已有一定規(guī)模的商業(yè)應用。而化學儲能，如鋰離子電池、液流電池、超級電容器等作為大規(guī)模儲能設備或汽車動力，尚處于研發(fā)或商業(yè)應用初級階段。

　　1.儲能技術(shù)分類及應用范圍

　　儲能是指通過介質(zhì)或設備，利用化學或者物理的方法把電能存儲起來，并能根據(jù)需要把存儲的能量以特定形式釋放的過程。

　　儲能按照工作原理可以分為3類：物理儲能、化學儲能以及其他形式的儲能。

　　物理儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等；

　　化學儲能主要包括鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池、鎳鎘電池等電池形式的儲能以及超級電容器儲能等；其他形式的儲能包括超導電磁儲能等。

  在目前已經(jīng)獲得實際應用或者第三方測試驗證的各種大規(guī)模儲能技術(shù)中，抽水蓄能和壓縮空氣儲能適合100MW以上級別儲能系統(tǒng)；鈉硫電池、釩電池、鋰電池和飛輪儲能電池有可能用于MW級別的儲能系統(tǒng)；在百千瓦及以下級別的應用中，大多數(shù)儲能技術(shù)都有可能滿足需求。

　　2.中國儲能產(chǎn)業(yè)的市場

　　隨著我國電網(wǎng)容量的不斷擴大，峰谷差不斷增加，可再生能源、分布式供能和智能電網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，對大規(guī)模發(fā)展儲能產(chǎn)業(yè)的需求也越來越大。目前，儲能已成為可再生能源和智能電網(wǎng)大規(guī)模發(fā)展的主要瓶頸，因此大規(guī)模儲能技術(shù)已被列入國家“十二五”能源規(guī)劃。

　　2010年全國電網(wǎng)發(fā)電裝機容量為962GW，預計到2015年全國發(fā)電裝機容量將為1430GW，到2020年將達到1640GW。在已發(fā)表文獻中，預測到2020年電網(wǎng)調(diào)峰儲能將占國家發(fā)電裝機容量的最大比例為16%，則到時我國電網(wǎng)調(diào)峰儲能產(chǎn)業(yè)的規(guī)模將達到262.4GW。

　　在可再生能源方面，截止到2010年底，我國風力發(fā)電總裝機容量為44.7GW，太陽能發(fā)電總裝機容量為0.86GW；到2015年和2020年我國風電總裝機容量將分別達到130GW和200GW，太陽能發(fā)電總裝機將分別達到10GW和50GW。由于可再生能源的間歇性和不穩(wěn)定性，對大規(guī)模儲能的要求也更高。預測到2020年我國儲能系統(tǒng)裝機容量需占風能發(fā)電裝機容量比例為34%，則到時我國風力發(fā)電儲能系統(tǒng)的裝機容量規(guī)模將達到68GW；同樣，對于太陽能，假如我國2020年儲能系統(tǒng)占太陽能發(fā)電裝機容量比例為34%，則到2020年我國太陽能發(fā)電儲能系統(tǒng)的裝機容量規(guī)模將達到17GW。

　　在分布式供能方面，截止到2010年底，我國天然氣分布式發(fā)電總裝機容量為5GW，到2015年和2020年我國天然氣分布式發(fā)電總裝機容量將分別達到8GW和50GW。假如我國2020年儲能系統(tǒng)占分布式發(fā)電裝機容量比例為34%，則到2020年我國分布式發(fā)電儲能系統(tǒng)的裝機容量規(guī)模將達到17GW。

　　3.中國儲能技術(shù)研發(fā)和應用

　　從目前世界上各類大規(guī)模儲能技術(shù)的成熟度及發(fā)展現(xiàn)狀來看，物理儲能，如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能屬于成熟技術(shù)，已有一定規(guī)模的商業(yè)應用。而化學儲能，如鋰離子電池、液流電池、超級電容器等作為大規(guī)模儲能設備或汽車動力，尚處于研發(fā)或商業(yè)應用初級階段?，F(xiàn)將上述儲能技術(shù)在中國的應用簡介如下。

　　物理蓄能

　　2011年，深圳抽水蓄能電站工程項目申請報告順利通過了國務院審議同意。該電站由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群及開關(guān)站、永久道路等部分組成。上水庫正常蓄水位526.81米，有效庫容825.24萬立方米，下庫正常蓄水位80米，有效庫容825.24萬立方米；下水庫正常蓄水位80米，有效庫容825.24萬立方米。電站以220千伏一級電壓接入廣東電網(wǎng)。預計2016年首臺機組發(fā)電。

　　山東擬建更多抽水蓄能電站應對風電負荷。2011年，山東省電力公司對外透露，為了應對不穩(wěn)定的發(fā)電對電網(wǎng)安全運行的沖擊，山東省除了借助已經(jīng)建成的泰安抽水蓄能電站外，還將建設更多的抽水蓄能電站，通過“風水輪轉(zhuǎn)”應對日益增多的風電負荷。

　　中國核工業(yè)西南物理研究院80MW飛輪脈沖發(fā)電機組已運行多年。

　　中國科學院工程熱物理研究所目前正開展兆瓦級以上超臨界液態(tài)壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)與工程示范工作。

　　化學儲能鋰離子電池

　　南方電網(wǎng)公司2011年宣布，該公司兆瓦級電池儲能站成功并網(wǎng)，這標志著中國大容量電池儲能集成應用技術(shù)取得重大技術(shù)突破。南方電網(wǎng)兆瓦級電池儲能站位于深圳市龍崗區(qū)，總?cè)萘?0MW，第一期為5MW，預計2011年年內(nèi)投產(chǎn)。該項目是我國第一個兆瓦級電池儲能站，集科研和商用于一體。工程全部投產(chǎn)后，將成為世界上最大的鋰電子電池儲能站。

　　2011年11月10日，國內(nèi)首批大容量電池儲能站標準——《大容量電池儲能站運行導則》、《大容量電池儲能站設備交接試驗標準》和《大容量電池儲能站安健環(huán)設施標準》通過南方電網(wǎng)公司評審。

　　該三項標準可用于電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)大容量電池儲能站的設計、工程建設和運行管理，將進一步促進電池儲能站電氣設備交接試驗新技術(shù)的推廣和應用。

　　張北國家風光儲輸示范項目是中國首個大型儲能示范項目，也是目前世界上規(guī)模最大，集風電、光伏發(fā)電、儲能及輸電工程四位一體的可再生能源項目。此項目由財政部、科技部和國家電網(wǎng)公司共同啟動，總投資約150億元的示范項目，其占地面積約200平方公里，開發(fā)規(guī)模為500兆瓦風電、100兆瓦太陽能光伏發(fā)電、110兆瓦化學儲能。招標公告由共包括五個包，其中四個是磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)，分別為：6MW×6h、4MW×4h、3MW×3h和1MW×2h。最后一個包是采購2MW×4h的液流電池系統(tǒng)。

　　中國電力科學研究院自2010年下半年起在張北國家風電研究檢測中心電池儲能實驗室開展1MW鋰離子儲能電池系統(tǒng)和0.5MW全釩液流儲能電池系統(tǒng)與風電機組的聯(lián)合運行實驗。

　　釩電池

　　2011年9月9日，北京普能世紀科技有限公司獲國家電網(wǎng)公司在河北省張北縣建設的國家風光儲示范工程一期液流電池儲能系統(tǒng)訂單，雙方已在北京正式簽約。此次普能在國家風光儲項目中安裝的為2MW×4h的液流電池系統(tǒng)，是國內(nèi)最大規(guī)模的釩電池儲能應用案例。

　　2011年11月26日，歐洲液流儲能電池標準會啟動大會在德國柏林召開。作為國際液流電池標準提案國的中國和美國兩個非歐盟國家代表也出席了會議，中科院大連化物所潔凈能源國家實驗室（籌）張華民研究員應邀參加了歐洲液流儲能電池標準制定工作。

　　全球最大釩電池項目落戶江蘇泰州。投資2.98億美元的釩電池項目正式簽約落戶泰州市新能源產(chǎn)業(yè)園。據(jù)悉，該項目由香港中策資本集團投資建設，一期將在明年投產(chǎn)，可形成25億元的銷售額，2013年力爭上市。

　　鈉硫電池

　　上海有望建鈉硫電池兆瓦級儲能示范電站。2011年，上海電氣集團、上海電力公司、中國科學院上海硅酸鹽研究所三方簽約，共同投資組建鈉硫電池產(chǎn)業(yè)化公司。據(jù)悉，公司成立后，上海鈉硫電池產(chǎn)業(yè)有望形成從研發(fā)到生產(chǎn)到應用的產(chǎn)業(yè)鏈，兆瓦級儲能示范電站有望在滬運營。

　　鋅空電池

　　全國首輛鋅空氣電池純電動車在漢川下線。2011年中，由湖北泓元鋅空氣電池有限公司和武漢東風揚子江汽車有限責任公司聯(lián)合生產(chǎn)的全國首輛鋅空氣電池純電動城市公交車在漢川市成功下線。該鋅空氣電池純電動城市公交車每充一次電可行駛約300公里，最高時速可達每小時80公里。

　　日前，中航國際（香港）集團有限公司和北京長力聯(lián)合能源技術(shù)有限公司合作開展的鋅空氣電池產(chǎn)業(yè)化項目簽約。據(jù)悉，中航國際香港公司將與北京長力將共同投資5億元人民幣，成立中航長力聯(lián)合能源有限公司，在未來三年內(nèi)，致力于實現(xiàn)“鋅空氣電池產(chǎn)業(yè)化”的目標。

　　鎳氫電池

　　2011年，由山東淄博齊盛新能源科技有限公司研發(fā)的“高性能鎳氫動力電容電池”項目通過了由山東省科技廳組織的科技成果鑒定。該項目在以下三個關(guān)鍵方面取得重要突破：一是與其他動力電源相比，安全性能實現(xiàn)重要突破。該電容電池采用獨特結(jié)構(gòu)設計和無機電解液，從根本上解決了電池爆燃的問題。二是充電速度實現(xiàn)重要突破。該電容電池5至10分鐘快速充電，大巴車可行駛50至60公里，是公交車的理想電源。三是使用壽命實現(xiàn)重要突破。經(jīng)電動車運行數(shù)據(jù)證明：淺充淺放，充放電次數(shù)可達到一萬次以上，城市公交車可行駛50萬公里。

　　超級電容器

　　2011年，“低內(nèi)阻超級電容器極片制備新技術(shù)”科技成果鑒定會在長沙舉行。利用該極片制作的3000法拉超級電容器經(jīng)國家授權(quán)機構(gòu)檢測，性能已達到國際先進水平。

　　2011年，由深圳納諾材料科技研究所研發(fā)，孝義市衛(wèi)鴻機焦有限公司投資的超級納米電容器項目正式落地孝義市。項目預計總投資319億元，分三期進行，從2012年開始投資31億元，上馬年產(chǎn)量達1000萬只的生產(chǎn)線，第二期達產(chǎn)5000萬只，到2015年最終達產(chǎn)1億只。

　　2011年，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室低維材料摩擦學研究組宣布在石墨烯-離子液體基超級電容器研究方面取得新進展，并根據(jù)實驗結(jié)果篩選出了性能優(yōu)異的離子液體/有機電解液。石墨烯在離子液體/有機電解液1500次循環(huán)后，容量保持率為初始容量的120.8%，并表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

　　燃料電池

　　新源動力股份有限公司承擔的“國家“863”計劃節(jié)能與新能源汽車重大專項——國產(chǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池電堆及關(guān)鍵材料的研制開發(fā)項目日前通過驗收。據(jù)介紹，課題組以國產(chǎn)關(guān)鍵材料為基礎研發(fā)出的電堆重量比功率和體積比功率分別為814W/kg、1043W/L，成本降低約50%，壽命超過4000小時。

　　國家燃料電池汽車及動力系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心通過驗收。該中心已新增了硬件在環(huán)仿真開發(fā)、動力系統(tǒng)匹配、PCU綜合測試環(huán)境和帶環(huán)境艙的燃料電池發(fā)動機測試4個研發(fā)平臺，完成了燃料電池汽車集成與匹配、燃料電池汽車及動力系統(tǒng)控制和試驗、燃料電池汽車高壓氫氣供應3項關(guān)鍵共性技術(shù)研發(fā)等。

　　超導儲能系統(tǒng)

　　中國科學院電工研究所正在開展兆瓦級以上超導儲能系統(tǒng)方面的研究

　　中國科技大學微尺度物質(zhì)科學國家實驗室發(fā)現(xiàn)稠環(huán)芳香烴類有機超導體。實驗表明，通過施加1萬個大氣壓的壓力，可以使該超導體的超導轉(zhuǎn)變溫度提高20%。

　　電動車充電站

　　電動汽車充電設施162項標準初步形成。據(jù)國家能源局官員介紹，國家能源局和國標委成立了一個充電設施的工作組，由國家能源局牽頭開展工作。目前該標準體系已經(jīng)搭建完成，相關(guān)的企業(yè)、專家研究人員已經(jīng)形成了162項標準國家電網(wǎng)2011年內(nèi)計劃完成75個電動汽車充電站、6209個充電樁的建設。根據(jù)規(guī)劃，國家電網(wǎng)公司將于2015年建成1700座公共充電站和300個交流充電樁。

　　4.技術(shù)挑戰(zhàn)

　　目前儲能技術(shù)，特別是化學儲能技術(shù)尚處于研發(fā)或商業(yè)應用初級階段，有些關(guān)鍵問題還沒有真正解決，例如：

　　從環(huán)保角度，氫燃料電池從理論上說是最清潔的。但現(xiàn)在的氫燃料電池需要使用較大量的鉑。不降低鉑的用量或找到其它替代物，氫燃料電池很難大規(guī)模應用。

　　鋰電池的安全性一直備受質(zhì)疑，多起電動車自燃也使這項技術(shù)頗受爭議。儲能電池如果是用鋰電池的話，需要幾十萬塊放在一起才能形成一個模塊，如果這些電池的一致性和可靠性達不到要求，那么安全就是大問題了。

　　液流電池循環(huán)壽命長，很適合風電場。但從能量密度看，鋰電池的能量密度最高，每千克約在170瓦時，磷酸鐵鋰電池約在110~120瓦時，液流電池僅為28瓦時。因此液流電池能量密度低的難關(guān)有待攻克。

　　鑒于包括上述在內(nèi)的諸多技術(shù)問題有待解，因此，儲能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應用估計還須一段較長時間。