电能储存技术概况

第一节　电能储存技术概况

一、未来电能利用面临的新问题及储能技术的作用

（一）储能技术为电力系统安全高效运行提供更有效方法

现代电力系统正在向大机组、大电网的方向发展，电网的稳定性对于电力系统的安全运行来说变得越来越重要。随着电网规模的不断扩大，其稳定性问题将表现出许多与原有电力系统不同的特点，其中，各种动态过程的强耦合性、系统运行条件的随机性等对系统稳定性的影响会更加突出。此外，特大型互联电网稳定性丧失带来的影响也越来越大。

传统的电力系统稳定控制装置所使用的控制环节较多，控制效果受系统运行状态变化的影响较大，有时难以达到满意的效果，并且还存在缺乏使用的灵活性和难于在同一个控制装置中同时实现有功和无功功率协调控制的缺点。将储能技术应用于电力系统稳定控制，可以实现一种更有效的电力系统稳定控制装置。

电力生产过程是连续进行的，发—输—配—用电必须时刻基本保持平衡，而电网中用户对电力的需求在白天和黑夜、不同的季节之间存在较大的差别，这使得电力系统必须留有很大的备用容量，系统设备运行效率低。应用储能技术可以达到削峰填谷、减少系统备用需求的作用。目前抽水储能技术已经实用化，但是其应用必须具有合适的地理条件，电站往往远离负荷中心，因此具有一定的局限性。电化学储能（可充电电池储能）可能是解决这一问题更有效的方法。

（二）储能技术有助于可再生能源的规模化利用和分布式能源系统的建立

化石能源的日渐枯竭，导致全球范围内的能源危机。可再生能源的规模化利用可以为这一问题的解决提供一条有效的途径。但是这些能源普遍具有能量密度低和平稳性差的特点，这给其规模化利用带来一定的困难，须要寻求解决这一问题的方法。储能技术将在其中发挥重要作用。

另一方面，传统的集中式大电网供电方式难以灵活应对灾难性事故的发生。单一事故引起的连锁反应，容易导致局部事故在全系统范围的扩散，形成大面积的停电事故。美国能源部吸取了大停电事故的惨痛教训，从保证国家安全的高度出发，对其未来电网制定了著名的“电网2030”计划。在这个计划中，不仅确定了“主干网＋区域电网＋微型电网（也称“微网”）”的未来美国电网基本构架，还确定了建设未来电网所采用的新技术，储能技术是其中最重要的技术之一。日本、欧盟、加拿大等也在积极开展这方面的研究。特别是欧盟，也制定了相关计划，其核心也是建立充分利用可再生能源的新型电网。更重要的是，将分布式发电与可再生能源利用相结合的微型电网可在一定程度上解决能源危机问题。但是由于微型电网容量相对较小，系统的正常运行容易受发电和用电双方随机变化因素的影响，系统的运行能力和供电质量难以得到保证，因此，必须研究可以提高这种电网运行水平和供电质量的方法。

而将大电网与分布式发电相结合的新供电方式是一种灵活、高效、安全的供电方式。储能技术也将在其中发挥重要作用。

储能技术为电力系统安全高效运行提供更有效方法

电能储备是世界性难题，储能问题一日不解决，风电的不稳定性就难以克服，其并网也将受到很大限制，只能被迫采取大范围消纳的方式。

（三）储能技术为降低电网损耗和提高电能质量提供新技术支撑

电力节能问题是关系到中国经济社会可持续发展的一个重大战略问题。2006年，中国万元GDP能耗虽然下降了1.33%，但是万元GDP电耗却上升了2．75%。电能质量不仅对电网的安全经济运行有重要的意义，而且有时还直接影响到用户用电设备能否正常工作。储能技术可以为降低电网损耗和提高电能质量提供新技术支撑。

（四）储能技术有利于绿色环保交通工具的应用

由交通和运载运输工具尾气排放引起的环境污染问题越来越受到人们的重视。为了减少大量运载工具尾气排放带来的环境污染问题，人们提出了“绿色出行”的概念，运载工具的电力驱动就是在这种情况下提出来的，例如电动汽车。在这方面，如何大幅度地提高蓄电池的储能密度和实现蓄电池的快速充电是需要认真研究的问题。另外，从能源系统的特性看，热机的能量密度大于蓄电池，而其功率密度却小于通常的蓄电池，如果将这两种动力源结合起来，使其优势互补，则可构成混合动力推进系统。在这样的系统中，储能装置如何提高充电效率、延长放电时间等都是未来交通运输和推进系统必须解决的关键技术问题。

（五）储能技术应用于高性能的武器装备

国防现代化须开发新概念武器装备，这类现代武器一般都要求通过某一独立电力系统为之提供高能量密度和灵活机动的动力保障。和大型电力系统相比，独立电力系统受质量和空间等因素的限制，电源容量有限，必须根据负荷优先等级考虑能量的高效利用和分配问题。另一方面，新型高能量密度的武器装备，如电磁/电热炮、激光武器、高功率微波武器、粒子束武器、电磁脉冲弹等，普遍具有小型化、轻型化和高功率脉冲的特点，要求电源系统在某一瞬时所能提供的负荷功率大大超过系统的额定容量，同时还要保证系统的稳定性和供电质量。储能技术的应用是解决新型高能量密度武器装备问题和实现系统能量合理分配、高效利用的唯一有效途径。

（六）储能技术支撑极端电磁物理条件的建立

为了应对国家间的高科技竞争，中国正在建设和发展多项重大科学工程及重大科技基础设施建设项目，如脉冲强磁场、加速器、正负离子对撞机、磁约束核聚变、惯性约束核聚变点火工程等，这些复杂的电磁物理装置的运行都必须在极端的电磁条件下进行。

脉冲功率技术能够提供极端电磁物理条件，在工业领域也具有广泛的应用前景。在形成极端电磁条件的过程中，电磁能量的高效存储与转换是其中关键问题。

二、电能储存技术的分类

电力的储存和释放要通过物理和化学变化来实现，因其储能可分为物理形式和化学形式，储能技术的具体分类见表4．1。

表4.1　储能技术的分类

（1）抽水蓄能：属于机械储能方式，由可逆式水轮发电机实现电能和储存于上水库中水的势能之间的转化。

（2）压缩空气储能：属于机械储能方式，通过空气压缩机和涡轮机实现电能和储存于密闭气室的空气的势能之间的转化。

（3）飞轮储能：是一种机械储能方式。通过电动机（发电机）实现电能和飞轮（惯性轮）转动动能之间的转化。

（4）超导线圈储能：属于电磁场储能，将直流电以磁场形式储存于超导螺旋管中。

（5）超级电容器储能：属于电磁场储能，利用具有超大电容的电容器来储存电场能。

（6）可充电电池储能：无论是传统的铅酸电池还是先进的锂离子电池，都发生了电化学变化，显然属于化学储能。

（7）氢储能：充放电都是氧化还原反应，也是一种化学储能。