可再生能源储能技术

可再生能源储能方式 中国联合工程有限公司 2018.4.28 引子 • 2017年 9月 22日，国家发展改革委、财政部、科学技术部、工业和信息化部、国家能源局 联合下发 《 关于促进储能技术与产业发展的指导意见 》 发改源 【 2017】 1701号文。 • 文 中提到目前的重点任务有五点： （一）推进储能技术装备研发示范 （二）推进储能提升可再生能源利用水平应用示范 （三）推进储能提升电力系统灵活性稳定性应用示范 （四）推进储能提升用能智能化水平应用示范 （五）推进储能多元化应用支撑能源互联网应用示范 （一）推进储能技术装备研发示范 • 集中攻关一批具有关键核心意义的储能技术和材料 。 重点 包括 变速抽水蓄能技术、大规模 新型压缩空气储能技术、化学储电的各种新材料制备技术、高温超导磁储能技术、相变储 热材料与高温储热技术、储能系统集成技术、能量管理技术 等 。 • 试验示范一批具有产业化潜力的储能技术和装备 。 重点 包括 10MW/100MWH 级超临界压 缩空气储能系统、 10MW/1000MJ 级飞轮储能阵列机组、 100MW 级锂离子电池储能系统、 大容量新型熔盐储热装置、应用于智能电网及分布式发电的超级电容电能质量调节系统 等 。 • 应用推广一批具有自主知识产权的储能技术和产品 。 重点 包括 100MW 级全钒液流电池储 能电站、高性能铅炭电容电池储能系统 等 。 • 完善储能产品标准和检测认证体系。 （二）推进储能提升可再生能源利用水平应用示范 • 鼓励可再生能源场站合理配置储能系统。 研究确定不同特性储能系统接入方式、并网适应 性、运行控制、涉网保护、信息交换及安全防护等方面的要求，对于满足要求的储能系统 ，电网应准予接入并将其纳入电网调度管理 。 • 推动储能系统与可再生能源协调运行。 鼓励储能与可再生能源场站作为联合体参与电网运 行优化，接受电网运行调度，实现平滑出力波动、提升消纳能力、为电网提供辅助服务等 功能。电网企业应将联合体作为特殊的 “ 电厂 ” 对待，在政府指导下签订并网调度协议和 购售电合同，联合体享有相应的权利并承担应有的义务 。 • 研究建立可再生能源场站侧储能补偿机制。 研究和定量评估可再生能源场站侧配置储能设 施的价值，探索合理补偿方式 。 • 支持应用多种储能促进可再生能源消纳。 支持在可再生能源消纳问题突出的地区开展可再 生能源储电、储热、制氢等多种形式能源存储与输出利用；推进风电储热、风电制氢等试 点示范工程的建设。 （三）推进储能提升电力系统灵活性稳定性应用示范 • 支持储能系统直接接入电网。 研究储能接入电网的容量范围、电压等级、并网适应性、运 行控制、涉网保护、信息交互及安全防护等技术要求。鼓励电网等企业根据相关国家或行 业标准要求结合需求集中或分布式接入储能系统，并开展运行优化技术研究和应用示范。 支持各类主体按照市场化原则投资建设运营接入电网的储能系统。鼓励利用淘汰或退役发 电厂既有线路和设施建设储能系统 。 • 建立健全储能参与辅助服务市场机制。 参照火电厂提供辅助服务等相关政策和机制，允许 储能系统与机组联合或作为独立主体参与辅助服务交易。根据电力市场发展逐步优化，在 遵循自愿的交易原则基础上，形成 “ 按效果付费、谁受益谁付费 ” 的市场机制 。 • 探索建立储能容量电费和储能参与容量市场的规则机制。 结合电力体制改革，参考抽水蓄 能相关政策，探索建立储能容量电费和储能参与容量市场的规则，对满足条件的各类大规 模储能系统给予容量补偿。 （四）推进储能提升用能智能化水平应用示范 • 鼓励在用户侧建设分布式储能系统。 研究制定用户侧接入储能的准入政策和技术标准，引 导和规范用户侧分布式电储能系统建设运行。支持具有配电网经营权的售电公司和具备条 件的居民用户配置储能，提高分布式能源本地消纳比例、参与需求响应，降低用能成本， 鼓励相关商业模式探索 。 • 完善用户侧储能系统支持政策。 结合电力体制改革，允许储能通过市场化方式参与电能交 易。支持用户侧建设的一定规模的电储能设施与发电企业联合或作为独立主体参与调频、 调峰等辅助服务 。 • 支持微电网和离网地区配置储能。 鼓励通过配置多种储能提高微电网供电的可靠性和电能 质量；积极探索含储能的微电网参与电能交易、电网运行优化的新技术和新模式。鼓励开 发经济适用的储能系统解决或优化无电人口供电方式。 （五）推进储能多元化应用支撑能源互联网应用示范 • 提升储能系统的信息化和管控水平。 在确保网络信息安全的前提下，促进储能基础设施与 信息技术的深度融合，支持能量信息化技术的研发应用。逐步实现对储能的能源互联网管 控，提高储能资源的利用效率，充分发挥储能系统在能源互联网中的多元化作用。 • 鼓励 基于多种储能实现能源互联网多能互补、多源互动。 鼓励大型综合能源基地合理配置 储能系统，实现风光水火储多能互补。支持开放共享的分布式储能大数据平台和能量服务 平台的建设。鼓励家庭、园区、区域等不同层次的终端用户互补利用各类能源和储能资源 ，实现多能协同和能源综合梯级利用。 • 拓展 电动汽车等分散电池资源的储能化应用。 积极开展电动汽车智能充放电业务，探索电 动汽车动力电池、通讯基站电池、不间断电源（ UPS）等分散电池资源的能源互联网管控 和储能化应用。完善动力电池全生命周期监管，开展对淘汰动力电池进行储能梯次利用研 究。 储能技术种类 • 储能技术是通过装置或物理介质将能量 储存起来以后需要时利用的技术。储能 技术按照储存介质进行分类，可以分为 机械类储能、电气类储能、电化学类储 能、热储能和化学类储能。 • 现有的储能系统主要分为五类：机械储 能、电气储能、电化学储能、热储能和 化学储能。目前世界占比最高的是抽水 蓄能，其总装机容量规模达到了 127GW ，占总储能容量的 99%，其次 是压缩空气储能，总装机容量为 440MW ，排名第三的是钠硫电池，总 容量规模为 316MW 。 储能技术种类 储能技术种类 储能技术种类 • 根据目前储能技术应用的成熟度，可以将储能技术从 3级到 0级分为四个不同层次： • 3级：已经商业化的技术。如抽水蓄能、铅酸电池储能等。 • 2级：进入示范阶段或已部分商业化的技术。包括压缩空气储能、锂离子电池、钠基电 池、铅碳电池、全钒液流电池、锌溴液流电池、超导储能、飞轮储能、超级电容器、储热 /冷、熔融盐储热等。这些技术均已完成研发并开始产业示范。对于能量密度较低但功率 密度较高的超导储能、飞轮储能、超级电容器，在电网用先进大容量储能方面可以起到辅 助作用，配合其它能量型储能技术使用。 • 1级：技术原理通过验证但尚处于实验室研发阶段的技术。例如锂液流电池、锂浆料电 池、金属基电池等新型储能电池。此类新型储能技术在研发之初就立足于低成本、长寿 命、大容量的技术要求，起点较高，发展十分迅速，具有较大的商业潜力。 • 0级：新概念储能技术。未来会出现的一些新型储能技术，其技术原理尚未得到验证，属 于原创技术，应该予以高度关注 。 机械类储能 • 抽水储能 • 压缩空气储能 • 飞轮储能 抽水储能技术 • 抽水储能是在电力负荷低谷期将水 从下池水库抽到上池水库时将电能 转化成重力势能储存起来的形式， 综合效率在 70%到 85%之间，应用在 电力系统的调峰填谷、调频、调 相、紧急事故备用 。 • 主要用于电力系统的调峰填谷、调 频、调相、紧急事故备用等。抽水 蓄能电站的建设受地形制约，当电 站距离用电区域较远时输电损耗较 大。 抽水储能技术 • 不足之处：选址困难，及其依赖地 势 ;投资周期较大，损耗较高，包括 抽蓄损耗 +线路损耗 ;现阶段也受中 国电价政策的 制约。 压缩空气储能技术 • 压缩空气储能系统可利用低谷电、弃风电、弃光电等对空气进行压缩，并将高压空气密封 在地下盐穴、地下矿洞、过期油气井或新建储气室中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推 动透平机（气轮机、涡轮机等）发电。按照运行原理，压缩空气储能系统可以分为补燃式 和非补燃式两类 。 • 自 1949年 STALLAVAL提出利用压缩空气储能以来，国内外学者进行了大量的研究。目前世 界上已有两座大型传统的压缩空气储能电站投入运营。 1978年，第一台商业运行的压缩 空气储能机组在德国的亨托夫（ HUNTORF）诞生。 [1] 1991年 5月第二座电站在美国 阿拉巴马州麦金托夫市（ MCINTOSH）投入运行。 • 目前关于压缩空气储能系统的形式也是多种多样，按照工作介质、存储介质与热源可以分 为：传统压缩空气储能系统（需要化石燃料燃烧）、带储热装置的压缩空气储能系统、液 气压缩储能系统。 压缩空气储能技术 • 压缩空气技术在电网负荷低谷期将电 能用于压缩空气，将空气高压密封在 报废矿井、沉降的海底储气罐、山 洞、过期油气井或新建储气井中，在 电网负荷高峰期释放压缩的空气推动 汽轮机发电。压缩空气主要用于电力 调峰和系统备用，压缩空气储能电站 的建设受地形制约，对地质结构有特 殊要求 。 压缩空气储能技术 • 典型应用场景 • 1）削峰填谷。集中式的大型 CAES电站的单机容量可达百兆瓦量级，发电时间可达数小时，可在电力系统 负荷低谷时消纳富余电力，在负荷高峰时向电网馈电，起到 “ 削峰填谷 ” 的作用，从而促进电力系统的经 济运行。 • 2）消纳新能源。分散式 CAES电站的容量配置为几兆瓦到几十兆瓦，可与光伏电站、风电场、小水电站等 配套建设，将间歇性的可再生能源储存起来，在用电高峰期释放，缓解当前的弃风、弃光和弃水困局。 • 3）构建独立电力系统。 CAES还可用于沙漠、山区、海岛等特殊场合的电力系统。该类地区对储能系统的 寿命、环保等方面有特殊需求。在此情况下，若配合风力发电、光伏发电、潮汐发电等清洁能源，结合非 补燃 CAES的冷热电联供特点，则有望构建低碳环保的冷热电三联供独立电力系统。 • 4）紧急备用电源。由于非补燃 CAES技术不受外界电网、燃料供应等条件的限制，对于电网出现突发情况 如冰灾造成的断网等，该技术的应用将能确保重要负荷单位如政府机关、军事设施、医院等的正常运行。 • 5）辅助功能。压缩空气储能具有功率和电压均可调节的同步发电系统，且响应迅速，其大量应用可以增 加整个电力系统的旋转备用和无功支撑能力，提高系统电能品质和安全稳定水平。 压缩空气储能技术 • 不足 之处：一大缺陷在于效率较低。 原因在于空气受到压缩时温度会升高 ，空气释放膨胀的过程中温度会降 低。在压缩空气过程中一部分能量以 热能的形式散失，在膨胀之前就必须 要重新加热。通常以天然气作为加热 空气的热源，这就导致蓄能效率降 低。还有可以想到的不足就是需要大 型储气装置、一定的地质条件和依赖 燃烧化石燃料。 飞轮储能技术 • 飞轮储能系统是由高速飞轮、磁轴承系 统、永磁电动 /发电机、能量转换控制系 统以及附加设备组成，它是以高速旋转的 飞轮质体作为机械能量储存的介质，利用 电动发电机和能量转换控 制系统来控制 能量的输入和输出，达到充电和放电的目 的。 飞轮储能能量示意图 飞轮储能技术 • 飞轮储能与传统化学电池相比，具备有以下优点： • 1）充放电迅速。从收到电网侧的调节信号到飞轮储能系统做出反应，时间极短，并且在之后 数分钟时间内能够完成整个系统的充 /放电过程，符合电网的短时响应与调节需求，相比于蓄 电池、抽水 蓄能、压缩空气等，具有较快的充 /放电时间。 • 2）工作效率高。一般的飞轮储能系统工作效率可以达到 90%左右，相比于抽水蓄能的 60%以 及蓄电池储能的 70%，具有明显的优势，而且采用磁悬浮轴承的飞轮储能系统，其工作效率更 高，接近 95%。 • 3）使用寿命长。飞轮储能系统虽价格昂贵，但是设计良好，其年平均维护费用极低，充放电 次数明显优于蓄电池储能等，其达到了百万数量级，且一般免维护的时间是在 10A以上。 • 4）环保无污染。由于机械储能的缘故，飞轮储能不会排放出污染环境的物质，其是一种环境 友 好型的绿色储能技术。此外，飞轮储能系统还具有模块性、建设时间短、事故后果影响低 等优点 。 飞轮储能技术 • 飞轮储能技术的 应用 • 1） UPS不间断电源 。目前 UPS逐渐倾向于使用飞轮储能装置等新型储能设备，既减少了环 境污染，延长了使用寿命，同时也提高了工作效率 。 • 2）节能 。 飞轮储能系统可以单独或与其他动力装置一起混合用于电动汽车上，能够改善 电动汽车的经济性和动力性，间接减少尾气排放和对环境的污染程度 。 采用飞轮储能装置 ，依靠动能回收 系统进行 能量回收与释放，相对于使用锂电池，飞轮储能系统效果更优 。 • 3）传统电力系统。飞轮储能技术应用于传统电力系统，其能够较 好地调节有功功率，削 峰填谷， 增大功率因数 ，稳定电压和频率，并对改善电能质量和稳定负荷具有良好的作 用 。 飞轮储能技术 • 飞轮储能技术的 应用 • 4）微网。目前，微网 (MICROGRID)作为一个小型发配电系统，能够实现自我监控、自我调 节，既可以并网运行，也能独立运行。因此，相对于传统大电网而言，微网由于分布式电 源多、位置灵活、分散等特点，需要有储能系统的支撑做保障。在微网能量充足时，飞轮 储能系统将多余的能量存储起来，稳定端电压；当微网发生故障，或出现功率性缺额现象 时，将存储的能量释放出去，增强了局部供电可靠性，维持了微网的频率稳定。 • 5）可再生能源的并网。飞轮储能技术的一个关键应用领域是可再生能源的并网 。 飞轮储 能系统作为一个可灵活调控的有功源，能稳定并网频率和电压，减小可再生能源的波动性 ，削峰填谷，降低对电网的冲击，有效地改善可再生能源并网过程中产生的电能质量问题 ，确保安全性和可靠性。 飞轮储能技术 • 飞轮储能技术的 应用 飞轮储能在不同应用领域中开展项目的数量占比 飞轮储能在不同应用领域中开展项目的装机容量占比 电气类储能 • 超导电容器储能 • 超导储能 超导电容器储能技术 • 超级电容器根据电化学双电层理论研制 而成，可提供强大的脉冲功率，充电时 处于理想极化状态的电极表面，电荷将 吸引周围电解质溶液中的异性离子，使 其附于电极表面，形成双电荷层，构成 双电层电容。电力系统中多用于短时 间、大功率的负载平滑和电能质量峰值 功率场合，如大功率直流电机的启动支 撑、态电压恢复器等，在电压跌落和瞬 态干扰期间提高供电水平。 超导电容器储能技术 • 不足之处：和电池相比，其能量密度导致同等重量下储能量相对较低，直接导致的就是续 航能力差，依赖于新材料的诞生，比如石墨烯。 超导储能技术 • 超导储能系统 (SMES)利用超导体制成的线 圈储存磁场能量，功率输送时无需能源形 式的转换，具有响应速度快 (MS 级 )，转 换效率高 (≥96%)、比容量 (1-10 WH/KG)/ 比功率 (104-105KW/KG) 大等优点，可以实 现与电力系统的实时大容量能量交换和功 率补偿。 SMES 可以充分满足输配电网电 压支撑、功率补偿、频率调节、提高系统 稳定性和功率输送能力的要求。 超导储能技术 • 超导储能（ SMES）： 利用超导体的电阻为 零特性制成的储存电能的装置。超导储能 系统大致包括超导线圈、低温系统、功率 调节系统和监控系统 4大部分。超导材料技 术开发是超导储能技术的重中之重。超导 材料大致可分为低温超导材料、高温超导 材料和室温超导材料。 • 不足之处：超导储能的成本很高（材料和 低温制冷系统），使得它的应用受到很大 限制。可靠性和经济性的制约，商业化应 用还比较远 。 电化学类储能 • 各种二次电池 电化学储能技术 • 电化学储能包括铅酸电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池等等。液流电池具有大规模 储能的潜力，但目前使用最广泛的还是铅酸电池。 钠硫电池 锂离子电池 铅酸电池 全钒液流电池