“新型”储能系统的分类、特点及发展趋势

储能即能量的存储,指通过特定的装置或物理介质将能量存储起来以便在需要时利用。根据能量存储方式的不同,储能可以分为机械储能、电气储能、电化学储能、热储能和化学储能五大类。
新型储能是指除抽水蓄能以外以输出电力为主要形式的储能技术,是构建以新能源为主体新型电力系统的重要支撑技术。
1、新型储能VS 抽水储能
新型储能具有选址灵活、建设期短、调节灵活等主要特点,能够为电力系统提供多时间尺度、全过程的平衡能力、支撑能力和调控能力。
抽水蓄能电站建设周期通常为6至8年,而新型储能中的电化学储能项目建设周期只需要3至6个月,新型压缩空气储能项目建设周期则一般为1.5至2年。
抽水蓄能电站选址往往需要找地势落差较大的地方,但容量效益强、单站规模大,适宜电网侧大规模、系统级应用;新型储能单站体量可大可小,环境适应性强,能够灵活部署于电源、电网和用户侧等各类应用场景,可以作为抽水蓄能的增量补充。
2、新型储能主要技术分类
截止2022年底,抽水蓄能仍是中国装机规模最大的储能技术,占比约为77%。除去抽水蓄能外,在中国新型储能中技术中,锂离子电池储能技术仍占据主导地位,占比高达93.7%;从2022年新增装机技术分类来看,抽水蓄能新增8.8GW,新型储能技术中,锂离子电池新增储能装机项目占比约为94%,是目前主流的储能技术,值得注意的是,压缩空气、液流电池等新型储能技术新增占比也有所增长,占比分别达到1.14%、0.88%。
3、电化学储能技术
电池储能技术是目前应用最广泛的新型储能技术之一。根据电池的化学成分和工作原理不同,电池储能技术可以分为多种类型,如锂离子电池、钠离子电池、固态电池等。电池储能技术具有高能量密度、长循环寿命、低自放电等优点,而且可以进行大规模的储能和输出。
4、热储能技术
热储能技术包括盐蓄热技术、热泵技术等。热储能技术利用热量的传递和转化来进行能量的储存和释放,具有高效、稳定、安全等特点。热储能技术可以在热源充足的情况下,为建筑、工业、交通等领域提供热能。
5、机械储能技术
机械储能技术包括压缩空气储能、飞轮储能等。机械储能技术利用机械能的转化和储存来实现能量的储存和输出,具有高效、安全、长寿命等优点。机械储能技术可以为可再生能源和电力系统提供储能和平衡能力。
6、新型储能装机量统计
据EESA统计,2022年中国新增新型储能装机7.16GW/15.94GWh,是2021年新增装机量(2.11GW/4.43GWh)的3.6倍。按照目前的储能装机量增速计算,中国将在2025年超美国,成为全球最大的新型储能市场。
7、新型储能技术发展趋势
(1)锂离子电池
新型储能中储能锂电池占据主导地位。无论是国际市场还是我国市场,储能锂电池累计装机量均在新型储能总装机量中占据主导地位。国际方面,2021年国际储能锂电池累计装机容量占新型储能的比例为90.9%。国内方面,2021年我国储能锂电池累计装机容量占新型储能的比例为89.7%。
预计到2030年,锂电池储能系统的平准化成本可以降到0.2~0.3元/千瓦时,在灵活性调节资源中逐步具有竞争力。在技术突破方面,锂离子电池需要解决适应高安全、低成本、大容量应用需求的电池体系和材料、工艺及设备国产化问题;研究锂电池储能系统的故障机理、安全设计、成套设备及智能运维;锂矿资源高效开采、提炼及锂资源循环利用技术。
(2)钠离子电池
钠离子电池是一种依靠钠离子在正负极间移动来完成充放电工作的二次电池。钠离子电池工作原理与锂离子电池“摇椅式”原理相似,充电时,钠离子从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极;放电时则相反,与锂离子电池的工作原理相似。
目前仅处于研发初级发展阶段,未来商业化应用后其平准化成本预计比锂离子电池低20%左右,有望在固定式储能领域替代锂离子电池。重点需要突破以下技术方向:开发综合性能优异的正极材料,低成本、长循环、高能量密度、高倍率、无毒无害、加工简单是正极材料主要追求的性能;开发综合性能优异负极材料,同时如何兼顾合金或转换类的高容量与循环稳定性也是未来的发展方向;不断提高电池的能量密度,除了要提高材料本身性能之外,还需要在锂离子电池制造工艺的基础上探索适合于钠离子电池特点的制造工艺。
(3)液流电池
液流电池目前有:全钒液流电池、铁铬液流电池、锌溴液流电池、锌铁液流电池、全铁液流电池、多硫化钠溴液流电池、锂离子液流电池、锌镍液流电池等多种技术。
全钒液流电池是其中最为成熟、最可能实现大规模商业化的技术路线。
未来全钒液流电池最具发展前景的方向是构建商用液流电池系统电站。预计到2030年平准化成本达到0.2~0.3元/千瓦时,将出现一定规模的商业化应用,随后将随着产业规模扩大成本进一步下降,并在长时、大容量储能中占据一定的份额。未来研究和开发将集中在:使用无腐蚀性、安全、低成本氧化还原活性的有机材料;通过开发氧化还原活性材料增加电池能量密度;通过电极表面改性修饰,提高电极表面电流密度;利用高度可逆的氧化还原电偶增加电池寿命;通过扩大活性物质的浓度以及降低电解液沉淀实现整个电池系统能效的提高。
(4)压缩空气储能
压缩空气储能是一种以空气为储能介质的物理储能方式。为最具发展潜力的大规模物理储能技术,到2030年先进压缩空气储能将在长时储能领域成为抽水蓄能的重要补充,并且每千瓦时装机成本预计将在目前的0.25~0.3元基础上再降低20%~30%。未来发展趋势包括:积极研究开发人造洞室、金属材料及复合材料储气等新型储气形式,摆脱压缩空气储能系统对地理条件的依赖,促进其大规模推广应用;开展精准热力学模型、地下洞穴稳定性评价和复合材料储气结构特性等方面的研究,为压缩空气储能系统储气装置的选型与应用提供理论指导依据;开发热塑性复合材料以取代金属材料用于压缩空气储能系统。
(5)重力储能
重力储能,是利用建筑物、山体、地形等高度差,通过将“重物”运上运下,实现电能和重力势能之间的转换,进而储电与发电。目前重力储能形式有:“搬砖储能”、矿井储能、活塞式储能、轨道机车储能、缆车储能等。目前,重力储能技术正处于探索发展阶段,大规模投入生产应用的项目案例鲜有报道。未来研究重点主要包括:大功率电动/发电机及其运行控制,发电机连接轴承研制和其他转动方法开发;重力储能电站上下仓布置方法,重物输送系统节能增效;重力储能系统集群运行与控制,重力储能系统的稳定性和全天候适应性;重物材料及来源的可循环性等。