微信客服
微信公眾號
能源是人類文明發(fā)展進步的根本基石，確保能源的安全供給更是國家核心利益所在。不僅如此，能源與環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展、人民生活等議題緊密相關，因此近幾年來，能源相關的話題不僅持續(xù)得到了國家政府的關注，而且已經(jīng)受到了廣大普通民眾的極大關切。近年來，國際政治、經(jīng)濟、能源格局有了新的變化，相應的很多國家也已經(jīng)在能源轉型方面開展了行動。
1、世界范圍內(nèi)能源轉型的大背景
最為代表性的就是德國的能源轉型。德國在風電光伏部署，開發(fā)各種可再生能源技術(地熱，光熱，光伏等)，與鄰國進行能源互動(丹麥)，建設新一代能源系統(tǒng)示范區(qū)(例如BDI主導的E-Energy項目)方面取得了很多進展，改革力度很大。
美國在過去幾年中，大力推進頁巖氣革命，從石油進口國變成了出口國，這促進了油價降低，明顯改變了世界能源格局，此外美國在部署儲能和光伏(代表為加州)，推動電動汽車(代表為TESLA)，研發(fā)和推進下一代電網(wǎng)關鍵技術(代表為北卡羅來納大學的FREEDM項目)等方面的進展值得關注。
日本歷史上就是一個缺少能源資源的國家，這樣的緊迫性使其非常重視在能源材料、器件等方面的研究開發(fā)，近年來其在關鍵技術上取得了許多空出的成果，比如電力電子元件、高性能電池(代表為松下)，燃料電池汽車(豐田MIRAI)，大量部署的分布式燃料電池三聯(lián)供系統(tǒng)(代表為ENEFARM)，這些都是能源體系的發(fā)展變革的重要支撐技術和方向。
我國能源呈現(xiàn)“富煤、缺油、少氣”的格局，而近年來隨著國際能源供應形勢的變化，國內(nèi)能源環(huán)境方面遇到了越來越多的矛盾，能源系統(tǒng)面臨著前所未有的轉型升級壓力。一方面是電力供應面臨過剩，可再生能源的利用能力偏弱;另一方面卻是各地基于自身利益考慮以及現(xiàn)有體制限制，仍在大規(guī)模建設各種火電傳統(tǒng)能源，而傳統(tǒng)能源的利用清潔程度低也是導致近幾年來霧霾污染現(xiàn)象愈演愈烈的根本原因。
在以上挑戰(zhàn)、背景下，我國政府近年來非常重視能源領域的發(fā)展，大力推進能源轉型，已經(jīng)在國家戰(zhàn)略層面上開展了多項系統(tǒng)層面的研究設計任務，并頒布了一系列的文件來推進轉型示范項目的開展。國家能源局在16年頒布了《關于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見》，其中就提出了對于發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源/中國未來能源系統(tǒng)發(fā)展的愿景：“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(以下簡稱能源互聯(lián)網(wǎng))是一種互聯(lián)網(wǎng)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形態(tài)，具有設備智能、多能協(xié)同、信息對稱、供需分散、系統(tǒng)扁平、交易開放等主要特征。在全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，互聯(lián)網(wǎng)理念、先進信息技術與能源產(chǎn)業(yè)深度融合，正在推動能源互聯(lián)網(wǎng)新技術、新模式和新業(yè)態(tài)的興起。能源互聯(lián)網(wǎng)是推動我國能源革命的重要戰(zhàn)略支撐，對提高可再生能源比重，促進化石能源清潔高效利用，提升能源綜合效率，推動能源市場開放和產(chǎn)業(yè)升級，形成新的經(jīng)濟增長點，提升能源國際合作水平具有重要意義。”
2、能源互聯(lián)網(wǎng)重要特點與儲能的重要作用
與此同時，能源相關的各公司也都在積極探索能源轉型路徑(例國網(wǎng)公司的全球能源互聯(lián)網(wǎng))。雖然不同機構提出的未來能源愿景精神上有所不同，哪怕是對于同一個概念的解讀也會有差異(見《能源互聯(lián)網(wǎng)概念、關鍵技術及發(fā)展模式探索》一文)，但其實其中體現(xiàn)的精神都具有一定相通性，而且與美日德等國的能源轉型舉措相似，提煉概括主要有以下幾個方面：
淺析幾種關鍵儲能技術在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應用前景
而在以上的這6個代表方面，儲能技術都是有其獨特的角色和作用的，可以說，儲能是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一大支柱性技術。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)提高可再生能源的比例可以促進可持續(xù)發(fā)展，減少化石能源的使用和污染?？稍偕茉闯隽哂虚g隙性，會隨時間產(chǎn)生不同時間尺度上的出力變化波動。儲能技術可以平抑短時間內(nèi)的波動，幫助可再生能源向電網(wǎng)的友好接入，從而切實提高可再生能源的利用率，減少棄風棄光，從而減少化石能源的用量。而在過去幾年環(huán)境污染嚴重，可再生能源丟棄受到明顯關注的大背景下，可再生能源的有效消納必將逐漸成為國家更為重視的任務，今后在這方面的儲能的機會與需求會更多。
(2)提高分布式能源的比例，改變傳統(tǒng)電網(wǎng)的完全垂直式的統(tǒng)治結構。中國傳統(tǒng)的電力、油氣能源系統(tǒng)體現(xiàn)出了完全的自上而下的治理結構，分布式能源占比很低。而在新形勢下，這樣的能源結構面臨著明顯問題：系統(tǒng)剛性較大，無法滿足不斷發(fā)展變化的各種用能用戶靈活多變的用能甚至產(chǎn)能需求，重復建設的電站常常來自于行政式的規(guī)劃，而電網(wǎng)的輸送能力又有限，并未足夠考慮系統(tǒng)用能側消納能力。
分布式能源建設將是接下來幾年大力發(fā)展的方向，一大核心的考慮就在于：分布式能源的建設常?？拷摵桑梢跃徒{利用，幾乎不存在消納困難而且可以減少電網(wǎng)長距離輸電的擴容的需求。此外分布式能源還可以因地制宜建設，綜合利用當?shù)氐淖匀弧⒔ㄖ确矫娴臈l件實現(xiàn)資源優(yōu)化調(diào)配(比如屋頂光伏等)，因此是目前重點發(fā)展的方向。
分布式能源大規(guī)模接入電網(wǎng)涉及到諸多技術與體制上改變的需求，而儲能對于平抑分布式能源的波動性、支持分布式能源組成局部微網(wǎng)實現(xiàn)局部自給自治(甚至可以在區(qū)域內(nèi)進行能量交易)，進而提高整個能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性是非常有用的。在這方面，集中式的儲能電站可以在區(qū)域范圍內(nèi)為分布式能源的接入提供支持，而配置在用戶終端附近的分布式儲能也可以就地提高分布式能源的利用率。
(3)增加多能互補的利用，通過多種能源的綜合利用與相互轉化提高能源利用效率。目前很多城市、園區(qū)都有冷-熱-電的綜合用能需求，很多園區(qū)的空調(diào)制冷負荷在夏天峰值時段可以占到總負荷的30~40%，制冷需求為電網(wǎng)造成了很大負擔;與此同時，很多可再生能源出力與用能需求不能完全匹配，常常只能丟棄(西南幾省棄水，西北幾省棄風光)。而如果大力開發(fā)多能互補技術，可以讓多種類能源互相轉化，融合多個能源網(wǎng)絡，提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和綜合能效，降低峰值負荷減少浪費。比如通過制氫技術可以減少棄風棄光的浪費，而基于儲冷儲熱技術可以提前儲冷，以降低峰時的制冷用電負荷。在此過程中，儲能技術可以成為多種能源互相轉化、存儲的樞紐節(jié)點，長時間、大容量、低成本的儲冷、儲熱技術，氫能的制備、存儲和高效利用技術都是多能互補領域中材料側的關鍵支撐技術。
(4)增加能源系統(tǒng)靈活性。傳統(tǒng)電網(wǎng)要求發(fā)輸配用功率時刻達到平衡，能量要即發(fā)即用，不能存儲，而這樣的特性顯然無法有效應對以能源互聯(lián)網(wǎng)為代表的未來能源轉型發(fā)展趨勢，因此需要提升系統(tǒng)的靈活性，以應對新形勢下能源系統(tǒng)發(fā)展面臨的新特點和需求。
提高能源系統(tǒng)的靈活性有很多種支持技術：比如燃煤電廠的靈活性改造，增加燃氣輪機靈活機組，開發(fā)支持能量靈活雙向流動的柔性直流輸配用電技術，以及部署儲能。很多儲能技術具有響應速度快，出力準確，可以為系統(tǒng)提供正負功率的雙向調(diào)節(jié)等一系列優(yōu)點，在增加電力系統(tǒng)靈活性方面具有很好的前景。因此，儲能在電力系統(tǒng)中的作用不僅限于削峰填谷，為系統(tǒng)提供各種綜合輔助服務可以更好地發(fā)揮其特長，而且更容易取得經(jīng)濟效益，美國PJM市場，歐洲電力輔助服務市場已經(jīng)有相當多的儲能提供綜合輔助服務的實例，證明了儲能在提供輔助服務、增加能源系統(tǒng)靈活性方面的技術和商業(yè)可行性。
(5)促進能源和信息交融，依靠信息化的支持協(xié)助能源的優(yōu)化調(diào)配。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的發(fā)輸配用環(huán)節(jié)呈現(xiàn)出高度的集中管理與剛性特性。在新形勢下，能源體系中多種業(yè)務的互動開展要求可以廣泛收集參與系統(tǒng)互動各方的信息，參考其它領域的“互聯(lián)網(wǎng)+”變革的經(jīng)驗，依靠信息來指導、協(xié)助能源的優(yōu)化配置。在此方面，儲能運行的信息數(shù)據(jù)可以接入能源信息網(wǎng)絡，為系統(tǒng)提供重要的能源消納信息。與此同時，儲能系統(tǒng)也可以接受新一代能源網(wǎng)絡的云監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)配，基于分布式資源的聚合甚至可以起到更大的作用，比如虛擬電廠(VPP)服務等。
(6)促進能源市場化，還原其商品屬性，依靠市場的力量協(xié)助能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行，平衡能源供需，并激發(fā)帶動經(jīng)濟增長的活力。電能傳統(tǒng)上是即發(fā)即用不能存儲的，這極大的限制了電力市場的能源交易的可用業(yè)態(tài)種類。而加入儲能，可以使得電能可以儲存起來，在隨后需要的時刻甚至地點進行利用，對于電力市場服務、商品的多樣化將有至關重要的支持作用。此外，能源互聯(lián)網(wǎng)中涉及多種能源的共同利用和互相融合，基于不同種能源互相轉化、儲存的技術同樣可以促進能源在種類、時間段上的優(yōu)化配置，通過轉化存儲的方法減少能源的丟棄浪費，而且在市場需要的時候再參與市場互動以獲取利潤?？傮w來說，能源互聯(lián)網(wǎng)需要多種樣的能源服務，而儲能的存儲轉化特性可以有效地支持在需要的時間地點提供相對應的服務種類，具有良好的應用前景。
3、幾種關鍵儲能技術在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應用前景分析
儲能技術有很多種，在本文中我們將重點關注已經(jīng)具有一定成熟度的技術，分析其技術發(fā)展方向和在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應用前景。筆者將幾種儲能技術在能源互聯(lián)網(wǎng)領域中應用時需要關注的核心指標進行了整理匯總，如下表所示，并將對每種技術做分別介紹：
(1)鋰離子電池
在眾多儲能技術中，鋰離子電池的突出優(yōu)點是能量密度、功率密度都比較高，對于輔助可再生能源消納，提供系統(tǒng)需要的靈活性等多種用途都能勝任。目前鋰離子電池已經(jīng)有了中大規(guī)模(MW級)電站應用的實例，但是相比之下因為其能量密度高，占地面積小，在中小規(guī)模儲能、分布式應用領域可能會更有優(yōu)勢。另外鋰離子電池較強的功率爬升(ramprate)特性使得其在調(diào)頻等輔助服務領域具有良好綜合效果，廣泛參與輔助服務是其重要的發(fā)展方向，并且很有可能率先實現(xiàn)商業(yè)模式，達成良好的經(jīng)濟效益。
在此方面，鋰離子電池發(fā)展的迫切需求是進一步降低成本，提高壽命，以提升該技術的經(jīng)濟性。此外，即將到來的大量動力電池的退役也將為儲能領域帶來機遇和挑戰(zhàn)，提升電池品質(zhì)，研發(fā)物聯(lián)網(wǎng)技術追蹤電池使用歷史，開發(fā)標準化模組以降低梯次利用難度，開展園區(qū)-電池企業(yè)-電動汽車-能源服務企業(yè)四方合作的模式，開發(fā)碎片化能量管理技術等可能是解決電池梯次利用的主要解決方案。
(2)鈉硫電池
鈉硫電池技術在世界范圍內(nèi)的裝機比例較高，但是近年來增長略顯乏力。導致該現(xiàn)象的部分原因是鈉硫電池技術具有較高的壟斷性，主要被日本NGK掌握。該技術主要適合MW級的儲能，在可再生能源發(fā)電側并網(wǎng)方面應用實例很多，但該技術占地大，運行溫度高，具有一定的危險性，從本質(zhì)上并不太適合小規(guī)模分布式用電及用戶側的需求。因此對于建設中等規(guī)模的儲能電站，為能源系統(tǒng)提供綜合服務支撐方面，該類技術具有良好的應用前景。
(3)鉛酸電池
鉛酸電池是電化學儲能領域中的老兵，其成本低廉性價比高，一直是儲能領域的重要支柱，只是在近年才被風頭更盛的鋰離子電池超過。鉛酸電池能量和體積密度低于鋰離子電池，因此在最為看重空間和承重條件的用戶側末端不如鋰離子電池適合，但是在規(guī)模稍大的場合(MW左右)以及有條件進行維護保養(yǎng)的情況下，其性價會更高。
該類技術發(fā)展的主要方向是進一步基于鉛碳電池的技術，提高其壽命和可用能量部分(支持深度放電)，以減少實際電池的用量。此外，進一步規(guī)范鉛酸電池的回收利用，減少回收過程中尤其是不規(guī)范小作坊帶來的污染，對于全社會都具有重要的意義。
(4)釩液流電池
釩液流電池體積能量密度較低，能量轉換效率大約為70%左右，但是支持深度放電，安全性好，容量和功率可以分開設計，循環(huán)壽命很長，電池回收較為簡單，而且近年來隨著產(chǎn)業(yè)鏈的成熟其成本還有望進一步下探，國內(nèi)也產(chǎn)生了像大連融科、北京普能這樣的優(yōu)秀企業(yè)，因此該類技術在中大規(guī)模(MW級)應用方面，不論是作為獨立電站為電網(wǎng)提供綜合服務，還是在大規(guī)模新能源發(fā)電站處提供平滑、消納服務都具有良好的應用前景。
該類技術的主要發(fā)展方向是進一步完善產(chǎn)業(yè)鏈，降低成本，并提高系統(tǒng)效率。此外，開發(fā)新一代的液流電池技術(比如鋅溴、有機體系等)對于擴展該類技術的適應面，提升技術的綜合水平也是很有意義的。
(5)飛輪
飛輪儲能技術具有很快的響應速率能力，相比于電池儲能技術適應電力系統(tǒng)瞬時功率波動的能力更強，在平滑不穩(wěn)定出力曲線，提供短時一次調(diào)頻方面其性能具有很好的競爭力。但是其問題在于能量密度很低而且自放電程度很高，因此無法適應任何能量體量稍大的場合。該類技術主要適合與能量型儲能器件進行配合，為其平抑波動，延長其應用的壽命，或者直接用于發(fā)電側調(diào)頻需求以及可再生能源的平滑輸出。該類技術的主要發(fā)展方向還是在于發(fā)展高性能的復合材料，以進一步提高該類技術的性價比。
(6)超級電容
超級電容的外特性與飛輪有相似之處，都是主要適合快速功率響應，但是能量密度較低，自放電偏高。從理論上說，超級電容技術能量密度雖然有進一步提高的可能，但是難以達到鋰離子電池的水平，因此其仍然比較適合短時急速充放電的場合，因此其主要可以與電池聯(lián)用，進行調(diào)頻與輸出功率平滑方面。此外，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在很多領域都要建成局部的微型能源互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)，很多情況下都有瞬時吸納和放出大量能量的要求，此時超級電容就可以用來在短時間內(nèi)為系統(tǒng)提供能量緩存(Cache)，可以有效降低瞬時大負荷為系統(tǒng)帶來的消極影響，比起電池更符合要求。
(7)壓縮空氣
壓縮空氣儲能技術在近幾年一直在不斷的進步，清華大學與中科院工程熱物理所的團隊在此方面取得了很多研究與應用進展。該技術常常需要依靠地理條件(比如巖洞等)，更為適合中大規(guī)模應用用途，而且其要想取得良好的綜合能量效率，需要進行冷熱電三聯(lián)供。該技術的主要局限是如果不進行三聯(lián)供能效較低，而且響應速度較慢，不適合功率劇烈變化?？紤]到以上特色，該類儲能技術特別適合在有地理條件，可再生能源供應豐沛而且有冷熱電綜合應用需求的地方提供穩(wěn)定的能源儲存和供應服務。
(8)儲熱與冷熱電三聯(lián)供技術
隨著能源系統(tǒng)的發(fā)展深化，冷-熱-電-氣等網(wǎng)絡的界限將逐漸打通，各個能源網(wǎng)絡將進行交融。實際上，冬天制熱、夏天制冷的用能需求在我國一直十分突出，而冷熱電三聯(lián)供技術可以配合燃料電池、壓縮空氣儲能技術使用，顯著提高這幾類技術的綜合能效并最終提升經(jīng)濟效益。而把一部分供冷熱的需求利用儲熱技術來滿足，可以明顯降低用電、用能峰值時刻的電網(wǎng)負擔，并且為很多電網(wǎng)傳統(tǒng)運行的方案“松綁”(比如北方的熱電聯(lián)產(chǎn)用于冬季供暖時產(chǎn)生的最小發(fā)電功率導致的大量棄風)，從而為能源系統(tǒng)優(yōu)化運行提供新的解決方案。儲熱技術的突出優(yōu)點為：1)按熱值核算儲能成本遠低于電化學儲能技術，2)有希望支持長時間(甚至是跨季節(jié))的儲能，因此在儲熱與多能融合互補的未來能源系統(tǒng)架構中將會有很大的發(fā)展。
(9)氫相關與燃料電池相關技術
氫與燃料電池相關技術被譽為是人類能源的一大可能的最終解決方案，主要原因是因為：1)燃料電池系統(tǒng)可以實現(xiàn)比較高的比能量輸出，在冷熱電聯(lián)供情景下可以實現(xiàn)很高的綜合能效而且排放物只有水;2)電解水制氫可以將電、氣網(wǎng)耦合起來，提供余電的消納方案;3)燃料電池的應用則可以聯(lián)系交通網(wǎng)(燃料電池汽車)、冷熱網(wǎng)(三聯(lián)供)、電網(wǎng)與氣網(wǎng)(余電制氫，電池發(fā)電)。
可見該類技術可以成為幾大核心用能領域的溝通橋梁，一旦技術成熟就可以提供普適性的技術解決方案，而且不論是分布式領域(PEMFC)還是在大規(guī)模儲能和應用(SOFC)方面都具有自己良好的適應性，可以說除了功率特性略有短板外，能為能源互聯(lián)網(wǎng)的所有能量型應用場景提供普適性的解決方案。
但是該類技術的主要問題在于從制氫、儲氫到燃料電池的低成本、長壽命化方面都還有很長的路要走，這需要從基礎材料方面研發(fā)進行突破。中國近年來產(chǎn)生了大量的棄風、水、光的現(xiàn)象，而如果采取政策優(yōu)先推動氫相關技術在這些方面的應用，對氫技術解決消納可再生能源進行探索與應用示范，有可能以應用刺激研發(fā)需求，促進技術進步。
4.結論+展望：
儲能對是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展愿景中的支撐技術。近年來，隨著電力行業(yè)市場化進程的提速，我國儲能市場正在徐徐開啟。根據(jù)中關村儲能產(chǎn)業(yè)技術聯(lián)盟公開數(shù)據(jù)顯示，從2015年7月到2016年12月，不包含抽水蓄能和儲熱在內(nèi)的新增規(guī)劃儲能項目，總裝機量達到740MW。未來的兩三年內(nèi)，我國儲能的累計安裝量，或將實現(xiàn)七到十倍的增長。另一面，我國儲能技術也獲得了巨大的突破。國內(nèi)鋰離子電池、鉛炭電池、液流電池、鈉硫電池、超臨界壓縮空氣儲能、超級電容等主流儲能技術的成本已經(jīng)有了大幅降低。
不久前國家能源局公布了首批首批“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項目評選結果，其中絕大多數(shù)都需要儲能技術為能源互聯(lián)網(wǎng)建設運行提供支持。能源互聯(lián)網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)的示范是我國能源體制改革的重要嘗試和探索，而這也為儲能技術尋找推廣機會，參與能源體制改革，探索新的運營機制提供絕佳的機會與廣闊的舞臺。
1、世界范圍內(nèi)能源轉型的大背景
最為代表性的就是德國的能源轉型。德國在風電光伏部署，開發(fā)各種可再生能源技術(地熱，光熱，光伏等)，與鄰國進行能源互動(丹麥)，建設新一代能源系統(tǒng)示范區(qū)(例如BDI主導的E-Energy項目)方面取得了很多進展，改革力度很大。
美國在過去幾年中，大力推進頁巖氣革命，從石油進口國變成了出口國，這促進了油價降低，明顯改變了世界能源格局，此外美國在部署儲能和光伏(代表為加州)，推動電動汽車(代表為TESLA)，研發(fā)和推進下一代電網(wǎng)關鍵技術(代表為北卡羅來納大學的FREEDM項目)等方面的進展值得關注。
日本歷史上就是一個缺少能源資源的國家，這樣的緊迫性使其非常重視在能源材料、器件等方面的研究開發(fā)，近年來其在關鍵技術上取得了許多空出的成果，比如電力電子元件、高性能電池(代表為松下)，燃料電池汽車(豐田MIRAI)，大量部署的分布式燃料電池三聯(lián)供系統(tǒng)(代表為ENEFARM)，這些都是能源體系的發(fā)展變革的重要支撐技術和方向。
我國能源呈現(xiàn)“富煤、缺油、少氣”的格局，而近年來隨著國際能源供應形勢的變化，國內(nèi)能源環(huán)境方面遇到了越來越多的矛盾，能源系統(tǒng)面臨著前所未有的轉型升級壓力。一方面是電力供應面臨過剩，可再生能源的利用能力偏弱;另一方面卻是各地基于自身利益考慮以及現(xiàn)有體制限制，仍在大規(guī)模建設各種火電傳統(tǒng)能源，而傳統(tǒng)能源的利用清潔程度低也是導致近幾年來霧霾污染現(xiàn)象愈演愈烈的根本原因。
在以上挑戰(zhàn)、背景下，我國政府近年來非常重視能源領域的發(fā)展，大力推進能源轉型，已經(jīng)在國家戰(zhàn)略層面上開展了多項系統(tǒng)層面的研究設計任務，并頒布了一系列的文件來推進轉型示范項目的開展。國家能源局在16年頒布了《關于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見》，其中就提出了對于發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源/中國未來能源系統(tǒng)發(fā)展的愿景：“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(以下簡稱能源互聯(lián)網(wǎng))是一種互聯(lián)網(wǎng)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形態(tài)，具有設備智能、多能協(xié)同、信息對稱、供需分散、系統(tǒng)扁平、交易開放等主要特征。在全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，互聯(lián)網(wǎng)理念、先進信息技術與能源產(chǎn)業(yè)深度融合，正在推動能源互聯(lián)網(wǎng)新技術、新模式和新業(yè)態(tài)的興起。能源互聯(lián)網(wǎng)是推動我國能源革命的重要戰(zhàn)略支撐，對提高可再生能源比重，促進化石能源清潔高效利用，提升能源綜合效率，推動能源市場開放和產(chǎn)業(yè)升級，形成新的經(jīng)濟增長點，提升能源國際合作水平具有重要意義。”
2、能源互聯(lián)網(wǎng)重要特點與儲能的重要作用
與此同時，能源相關的各公司也都在積極探索能源轉型路徑(例國網(wǎng)公司的全球能源互聯(lián)網(wǎng))。雖然不同機構提出的未來能源愿景精神上有所不同，哪怕是對于同一個概念的解讀也會有差異(見《能源互聯(lián)網(wǎng)概念、關鍵技術及發(fā)展模式探索》一文)，但其實其中體現(xiàn)的精神都具有一定相通性，而且與美日德等國的能源轉型舉措相似，提煉概括主要有以下幾個方面：
淺析幾種關鍵儲能技術在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應用前景
而在以上的這6個代表方面，儲能技術都是有其獨特的角色和作用的，可以說，儲能是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一大支柱性技術。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)提高可再生能源的比例可以促進可持續(xù)發(fā)展，減少化石能源的使用和污染?？稍偕茉闯隽哂虚g隙性，會隨時間產(chǎn)生不同時間尺度上的出力變化波動。儲能技術可以平抑短時間內(nèi)的波動，幫助可再生能源向電網(wǎng)的友好接入，從而切實提高可再生能源的利用率，減少棄風棄光，從而減少化石能源的用量。而在過去幾年環(huán)境污染嚴重，可再生能源丟棄受到明顯關注的大背景下，可再生能源的有效消納必將逐漸成為國家更為重視的任務，今后在這方面的儲能的機會與需求會更多。
(2)提高分布式能源的比例，改變傳統(tǒng)電網(wǎng)的完全垂直式的統(tǒng)治結構。中國傳統(tǒng)的電力、油氣能源系統(tǒng)體現(xiàn)出了完全的自上而下的治理結構，分布式能源占比很低。而在新形勢下，這樣的能源結構面臨著明顯問題：系統(tǒng)剛性較大，無法滿足不斷發(fā)展變化的各種用能用戶靈活多變的用能甚至產(chǎn)能需求，重復建設的電站常常來自于行政式的規(guī)劃，而電網(wǎng)的輸送能力又有限，并未足夠考慮系統(tǒng)用能側消納能力。
分布式能源建設將是接下來幾年大力發(fā)展的方向，一大核心的考慮就在于：分布式能源的建設常?？拷摵桑梢跃徒{利用，幾乎不存在消納困難而且可以減少電網(wǎng)長距離輸電的擴容的需求。此外分布式能源還可以因地制宜建設，綜合利用當?shù)氐淖匀弧⒔ㄖ确矫娴臈l件實現(xiàn)資源優(yōu)化調(diào)配(比如屋頂光伏等)，因此是目前重點發(fā)展的方向。
分布式能源大規(guī)模接入電網(wǎng)涉及到諸多技術與體制上改變的需求，而儲能對于平抑分布式能源的波動性、支持分布式能源組成局部微網(wǎng)實現(xiàn)局部自給自治(甚至可以在區(qū)域內(nèi)進行能量交易)，進而提高整個能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性是非常有用的。在這方面，集中式的儲能電站可以在區(qū)域范圍內(nèi)為分布式能源的接入提供支持，而配置在用戶終端附近的分布式儲能也可以就地提高分布式能源的利用率。
(3)增加多能互補的利用，通過多種能源的綜合利用與相互轉化提高能源利用效率。目前很多城市、園區(qū)都有冷-熱-電的綜合用能需求，很多園區(qū)的空調(diào)制冷負荷在夏天峰值時段可以占到總負荷的30~40%，制冷需求為電網(wǎng)造成了很大負擔;與此同時，很多可再生能源出力與用能需求不能完全匹配，常常只能丟棄(西南幾省棄水，西北幾省棄風光)。而如果大力開發(fā)多能互補技術，可以讓多種類能源互相轉化，融合多個能源網(wǎng)絡，提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和綜合能效，降低峰值負荷減少浪費。比如通過制氫技術可以減少棄風棄光的浪費，而基于儲冷儲熱技術可以提前儲冷，以降低峰時的制冷用電負荷。在此過程中，儲能技術可以成為多種能源互相轉化、存儲的樞紐節(jié)點，長時間、大容量、低成本的儲冷、儲熱技術，氫能的制備、存儲和高效利用技術都是多能互補領域中材料側的關鍵支撐技術。
(4)增加能源系統(tǒng)靈活性。傳統(tǒng)電網(wǎng)要求發(fā)輸配用功率時刻達到平衡，能量要即發(fā)即用，不能存儲，而這樣的特性顯然無法有效應對以能源互聯(lián)網(wǎng)為代表的未來能源轉型發(fā)展趨勢，因此需要提升系統(tǒng)的靈活性，以應對新形勢下能源系統(tǒng)發(fā)展面臨的新特點和需求。
提高能源系統(tǒng)的靈活性有很多種支持技術：比如燃煤電廠的靈活性改造，增加燃氣輪機靈活機組，開發(fā)支持能量靈活雙向流動的柔性直流輸配用電技術，以及部署儲能。很多儲能技術具有響應速度快，出力準確，可以為系統(tǒng)提供正負功率的雙向調(diào)節(jié)等一系列優(yōu)點，在增加電力系統(tǒng)靈活性方面具有很好的前景。因此，儲能在電力系統(tǒng)中的作用不僅限于削峰填谷，為系統(tǒng)提供各種綜合輔助服務可以更好地發(fā)揮其特長，而且更容易取得經(jīng)濟效益，美國PJM市場，歐洲電力輔助服務市場已經(jīng)有相當多的儲能提供綜合輔助服務的實例，證明了儲能在提供輔助服務、增加能源系統(tǒng)靈活性方面的技術和商業(yè)可行性。
(5)促進能源和信息交融，依靠信息化的支持協(xié)助能源的優(yōu)化調(diào)配。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的發(fā)輸配用環(huán)節(jié)呈現(xiàn)出高度的集中管理與剛性特性。在新形勢下，能源體系中多種業(yè)務的互動開展要求可以廣泛收集參與系統(tǒng)互動各方的信息，參考其它領域的“互聯(lián)網(wǎng)+”變革的經(jīng)驗，依靠信息來指導、協(xié)助能源的優(yōu)化配置。在此方面，儲能運行的信息數(shù)據(jù)可以接入能源信息網(wǎng)絡，為系統(tǒng)提供重要的能源消納信息。與此同時，儲能系統(tǒng)也可以接受新一代能源網(wǎng)絡的云監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)配，基于分布式資源的聚合甚至可以起到更大的作用，比如虛擬電廠(VPP)服務等。
(6)促進能源市場化，還原其商品屬性，依靠市場的力量協(xié)助能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行，平衡能源供需，并激發(fā)帶動經(jīng)濟增長的活力。電能傳統(tǒng)上是即發(fā)即用不能存儲的，這極大的限制了電力市場的能源交易的可用業(yè)態(tài)種類。而加入儲能，可以使得電能可以儲存起來，在隨后需要的時刻甚至地點進行利用，對于電力市場服務、商品的多樣化將有至關重要的支持作用。此外，能源互聯(lián)網(wǎng)中涉及多種能源的共同利用和互相融合，基于不同種能源互相轉化、儲存的技術同樣可以促進能源在種類、時間段上的優(yōu)化配置，通過轉化存儲的方法減少能源的丟棄浪費，而且在市場需要的時候再參與市場互動以獲取利潤?？傮w來說，能源互聯(lián)網(wǎng)需要多種樣的能源服務，而儲能的存儲轉化特性可以有效地支持在需要的時間地點提供相對應的服務種類，具有良好的應用前景。
3、幾種關鍵儲能技術在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應用前景分析
儲能技術有很多種，在本文中我們將重點關注已經(jīng)具有一定成熟度的技術，分析其技術發(fā)展方向和在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應用前景。筆者將幾種儲能技術在能源互聯(lián)網(wǎng)領域中應用時需要關注的核心指標進行了整理匯總，如下表所示，并將對每種技術做分別介紹：
(1)鋰離子電池
在眾多儲能技術中，鋰離子電池的突出優(yōu)點是能量密度、功率密度都比較高，對于輔助可再生能源消納，提供系統(tǒng)需要的靈活性等多種用途都能勝任。目前鋰離子電池已經(jīng)有了中大規(guī)模(MW級)電站應用的實例，但是相比之下因為其能量密度高，占地面積小，在中小規(guī)模儲能、分布式應用領域可能會更有優(yōu)勢。另外鋰離子電池較強的功率爬升(ramprate)特性使得其在調(diào)頻等輔助服務領域具有良好綜合效果，廣泛參與輔助服務是其重要的發(fā)展方向，并且很有可能率先實現(xiàn)商業(yè)模式，達成良好的經(jīng)濟效益。
在此方面，鋰離子電池發(fā)展的迫切需求是進一步降低成本，提高壽命，以提升該技術的經(jīng)濟性。此外，即將到來的大量動力電池的退役也將為儲能領域帶來機遇和挑戰(zhàn)，提升電池品質(zhì)，研發(fā)物聯(lián)網(wǎng)技術追蹤電池使用歷史，開發(fā)標準化模組以降低梯次利用難度，開展園區(qū)-電池企業(yè)-電動汽車-能源服務企業(yè)四方合作的模式，開發(fā)碎片化能量管理技術等可能是解決電池梯次利用的主要解決方案。
(2)鈉硫電池
鈉硫電池技術在世界范圍內(nèi)的裝機比例較高，但是近年來增長略顯乏力。導致該現(xiàn)象的部分原因是鈉硫電池技術具有較高的壟斷性，主要被日本NGK掌握。該技術主要適合MW級的儲能，在可再生能源發(fā)電側并網(wǎng)方面應用實例很多，但該技術占地大，運行溫度高，具有一定的危險性，從本質(zhì)上并不太適合小規(guī)模分布式用電及用戶側的需求。因此對于建設中等規(guī)模的儲能電站，為能源系統(tǒng)提供綜合服務支撐方面，該類技術具有良好的應用前景。
(3)鉛酸電池
鉛酸電池是電化學儲能領域中的老兵，其成本低廉性價比高，一直是儲能領域的重要支柱，只是在近年才被風頭更盛的鋰離子電池超過。鉛酸電池能量和體積密度低于鋰離子電池，因此在最為看重空間和承重條件的用戶側末端不如鋰離子電池適合，但是在規(guī)模稍大的場合(MW左右)以及有條件進行維護保養(yǎng)的情況下，其性價會更高。
該類技術發(fā)展的主要方向是進一步基于鉛碳電池的技術，提高其壽命和可用能量部分(支持深度放電)，以減少實際電池的用量。此外，進一步規(guī)范鉛酸電池的回收利用，減少回收過程中尤其是不規(guī)范小作坊帶來的污染，對于全社會都具有重要的意義。
(4)釩液流電池
釩液流電池體積能量密度較低，能量轉換效率大約為70%左右，但是支持深度放電，安全性好，容量和功率可以分開設計，循環(huán)壽命很長，電池回收較為簡單，而且近年來隨著產(chǎn)業(yè)鏈的成熟其成本還有望進一步下探，國內(nèi)也產(chǎn)生了像大連融科、北京普能這樣的優(yōu)秀企業(yè)，因此該類技術在中大規(guī)模(MW級)應用方面，不論是作為獨立電站為電網(wǎng)提供綜合服務，還是在大規(guī)模新能源發(fā)電站處提供平滑、消納服務都具有良好的應用前景。
該類技術的主要發(fā)展方向是進一步完善產(chǎn)業(yè)鏈，降低成本，并提高系統(tǒng)效率。此外，開發(fā)新一代的液流電池技術(比如鋅溴、有機體系等)對于擴展該類技術的適應面，提升技術的綜合水平也是很有意義的。
(5)飛輪
飛輪儲能技術具有很快的響應速率能力，相比于電池儲能技術適應電力系統(tǒng)瞬時功率波動的能力更強，在平滑不穩(wěn)定出力曲線，提供短時一次調(diào)頻方面其性能具有很好的競爭力。但是其問題在于能量密度很低而且自放電程度很高，因此無法適應任何能量體量稍大的場合。該類技術主要適合與能量型儲能器件進行配合，為其平抑波動，延長其應用的壽命，或者直接用于發(fā)電側調(diào)頻需求以及可再生能源的平滑輸出。該類技術的主要發(fā)展方向還是在于發(fā)展高性能的復合材料，以進一步提高該類技術的性價比。
(6)超級電容
超級電容的外特性與飛輪有相似之處，都是主要適合快速功率響應，但是能量密度較低，自放電偏高。從理論上說，超級電容技術能量密度雖然有進一步提高的可能，但是難以達到鋰離子電池的水平，因此其仍然比較適合短時急速充放電的場合，因此其主要可以與電池聯(lián)用，進行調(diào)頻與輸出功率平滑方面。此外，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在很多領域都要建成局部的微型能源互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)，很多情況下都有瞬時吸納和放出大量能量的要求，此時超級電容就可以用來在短時間內(nèi)為系統(tǒng)提供能量緩存(Cache)，可以有效降低瞬時大負荷為系統(tǒng)帶來的消極影響，比起電池更符合要求。
(7)壓縮空氣
壓縮空氣儲能技術在近幾年一直在不斷的進步，清華大學與中科院工程熱物理所的團隊在此方面取得了很多研究與應用進展。該技術常常需要依靠地理條件(比如巖洞等)，更為適合中大規(guī)模應用用途，而且其要想取得良好的綜合能量效率，需要進行冷熱電三聯(lián)供。該技術的主要局限是如果不進行三聯(lián)供能效較低，而且響應速度較慢，不適合功率劇烈變化?？紤]到以上特色，該類儲能技術特別適合在有地理條件，可再生能源供應豐沛而且有冷熱電綜合應用需求的地方提供穩(wěn)定的能源儲存和供應服務。
(8)儲熱與冷熱電三聯(lián)供技術
隨著能源系統(tǒng)的發(fā)展深化，冷-熱-電-氣等網(wǎng)絡的界限將逐漸打通，各個能源網(wǎng)絡將進行交融。實際上，冬天制熱、夏天制冷的用能需求在我國一直十分突出，而冷熱電三聯(lián)供技術可以配合燃料電池、壓縮空氣儲能技術使用，顯著提高這幾類技術的綜合能效并最終提升經(jīng)濟效益。而把一部分供冷熱的需求利用儲熱技術來滿足，可以明顯降低用電、用能峰值時刻的電網(wǎng)負擔，并且為很多電網(wǎng)傳統(tǒng)運行的方案“松綁”(比如北方的熱電聯(lián)產(chǎn)用于冬季供暖時產(chǎn)生的最小發(fā)電功率導致的大量棄風)，從而為能源系統(tǒng)優(yōu)化運行提供新的解決方案。儲熱技術的突出優(yōu)點為：1)按熱值核算儲能成本遠低于電化學儲能技術，2)有希望支持長時間(甚至是跨季節(jié))的儲能，因此在儲熱與多能融合互補的未來能源系統(tǒng)架構中將會有很大的發(fā)展。
(9)氫相關與燃料電池相關技術
氫與燃料電池相關技術被譽為是人類能源的一大可能的最終解決方案，主要原因是因為：1)燃料電池系統(tǒng)可以實現(xiàn)比較高的比能量輸出，在冷熱電聯(lián)供情景下可以實現(xiàn)很高的綜合能效而且排放物只有水;2)電解水制氫可以將電、氣網(wǎng)耦合起來，提供余電的消納方案;3)燃料電池的應用則可以聯(lián)系交通網(wǎng)(燃料電池汽車)、冷熱網(wǎng)(三聯(lián)供)、電網(wǎng)與氣網(wǎng)(余電制氫，電池發(fā)電)。
可見該類技術可以成為幾大核心用能領域的溝通橋梁，一旦技術成熟就可以提供普適性的技術解決方案，而且不論是分布式領域(PEMFC)還是在大規(guī)模儲能和應用(SOFC)方面都具有自己良好的適應性，可以說除了功率特性略有短板外，能為能源互聯(lián)網(wǎng)的所有能量型應用場景提供普適性的解決方案。
但是該類技術的主要問題在于從制氫、儲氫到燃料電池的低成本、長壽命化方面都還有很長的路要走，這需要從基礎材料方面研發(fā)進行突破。中國近年來產(chǎn)生了大量的棄風、水、光的現(xiàn)象，而如果采取政策優(yōu)先推動氫相關技術在這些方面的應用，對氫技術解決消納可再生能源進行探索與應用示范，有可能以應用刺激研發(fā)需求，促進技術進步。
4.結論+展望：
儲能對是能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展愿景中的支撐技術。近年來，隨著電力行業(yè)市場化進程的提速，我國儲能市場正在徐徐開啟。根據(jù)中關村儲能產(chǎn)業(yè)技術聯(lián)盟公開數(shù)據(jù)顯示，從2015年7月到2016年12月，不包含抽水蓄能和儲熱在內(nèi)的新增規(guī)劃儲能項目，總裝機量達到740MW。未來的兩三年內(nèi)，我國儲能的累計安裝量，或將實現(xiàn)七到十倍的增長。另一面，我國儲能技術也獲得了巨大的突破。國內(nèi)鋰離子電池、鉛炭電池、液流電池、鈉硫電池、超臨界壓縮空氣儲能、超級電容等主流儲能技術的成本已經(jīng)有了大幅降低。
不久前國家能源局公布了首批首批“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項目評選結果，其中絕大多數(shù)都需要儲能技術為能源互聯(lián)網(wǎng)建設運行提供支持。能源互聯(lián)網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)的示范是我國能源體制改革的重要嘗試和探索，而這也為儲能技術尋找推廣機會，參與能源體制改革，探索新的運營機制提供絕佳的機會與廣闊的舞臺。
0 條