储能技术种类及特点分析2023

储能技术种类及特点分析2023目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument".序言1\o"CurrentDocument".储能技术种类2\o"CurrentDocument".储能技术特点分析2\o"CurrentDocument"机械类储能2\o"CurrentDocument"3.1.1.抽水蓄能2\o"CurrentDocument"3.1.2.飞轮储能3\o"CurrentDocument"3.1.3.压缩空气储能4\o"CurrentDocument"3.2.电气类储能5\o"CurrentDocument"3.2.1.超级电容器储能5\o"CurrentDocument"3.2.2.超导储能6\o"CurrentDocument"3.3.电化学类储能6\o"CurrentDocument"3.3.1.铅酸电池7\o"CurrentDocument"3.3.2.锂离子电池7\o"CurrentDocument"3.3.3.钠硫电池8\o"CurrentDocument"3.3.4.全锐液流电池9\o"CurrentDocument"3.4.热储能9\o"CurrentDocument"3.5.化学类储能10\o"CurrentDocument".各种储能技术的性能比较11\o"CurrentDocument".各种储能技术的应用选择11\o"CurrentDocument"1.放电时间对比12\o"CurrentDocument"2.功率对比12\o"CurrentDocument"3.效率对比13\o"CurrentDocument"4.投资对比13\o"CurrentDocument"5.密度对比131.序言电能是表示电流做多少功的物理量。日常生活中使用的电能，主要来自其他形式能量的转换，包括水能、热能、风能及光能等。电能也可以转换成其他形式的能量。第1页共13页被转化回电能，也可直接利用而不再转化回电能。热储能有许多不同的技术，可进一步分为显热储存(sensibleheatstorage)和潜热储存(latentheatstorage)等。显热储存方式中，用于储热的媒质可以是液态的水，热水可直接使用，也可用于房间的取暖等，运行中热水的温度是有变化的。而潜热储存是通过相变材料(PhaseChangeMaterials,PCMs)来完成的，该相变材料即为储存热能的媒质。(2)缺点n热储能要各种高温化学热工质，应用场合比较受限。(3)应用由于热储能储存的热量可以很大，所以在可再生能源发电的利用上会有一定的作用。熔融盐常常作为一种相变材料，用于集热式太阳能热发电站中。此外，还有许多其他种类的储热技术正在开发中，它们有许多不同的作用。5.化学类储能化学类储能主要是指利用氢或合成天然气作为二次能源的载体。(1)基本原理利用待弃掉的风电制氢，通过电解水，将水分解为氢气和氧气，从而获得氢。以后可直接用氢作为能量的载体，再将氢与二氧化碳反应成为合成天然气(甲烷)，以合成天然气作为另一种二次能量载体。(2)优点采用这两种物质作能量载体的好处是储存的能量很大，可达TWh级；储存的时间也很长，可达几个月；另外氢和合成天然气除了可用于发电外，还可有其他利用方式，如交通等。(3)缺点全周期效率较低，制氢效率只有70%左右，而制合成天然气的效率60〜65%,从发电到用电的全周期效率更低，只有30%〜40%；(4)应用将氢与二氧化碳合成为甲烷的过程也被称作为P2G技术(powertogas)。德国热衷于推动此项技术，已有示范项目在德国投入运行。以天然气为燃料的第10页共13页热电联产或冷、热、电联产系统已成为分布式发电和微电网的重要组成部分，在智能配电网中发挥着重要的作用，氢和合成天然气为分布式发电提供了充足的燃料。.各种储能技术的性能比较通过调研现有储能项目并对各种储能技术的对比分析，电化学类储能在现阶段应用最为广泛。详见表lo表1各种储能技术对比表一：各种储能技术对比表类别电化学类储能机械类储能电磁储能痴t能化学类储能抽水♦能压缩空气储能飞轮储能超级电容号超导储能优点技术成熟、寿命长可靠、经济、寿命周期长、容量大、技术最成熟.运行灵活和反应快捷效率高可乐经济，寿命周期长、容曜大、技术最成然.运行灵活和反应快1长寿命、循环次数M：充放电时间快、响应速度快：效率高.少维护、运行温度葩阳广充放电诈常快.功率密度很高、极快的响应速度储存的热日可以很大储存的废收很大、时间可达几个月缺点成本高.成分存在发热问期厂址的选择依蟆地理条件,有一定的难度和局限性选址次常有限能最密度低、具有•定的自放电损耗施取密度低、投资成本高、自放电损耗能量密度低、具有一定的自放电损耗应用场合比较受限效率较低作用与应用应用作常•.泛调峰、康谷、调频、调相和小故番用等.广泛应用F电力系统调峰调频行调峰功能,适企用厂大规模风场.目前只有检国和美国仃投运的压缩空气储能站可用于调频，动用于配电系统 ;透合。其他储能手段联合使用在电网中应用很少，尚处在日验性阶段在可再生能源发电的利用上会仃一定的作用可用于发电、汽乍等.乳和合成大然气为分布式发电展供了充足的燃料电化学类储能中尤以铅酸电池和锂离子电池应用最为广泛。详见表2o表2电化学类储能电池对比表二，电化学类储能电池对比表分类铅酸电池锂离子电池钠硫电池液流电池优点技术很成熟.结构简单、价格低廉、循环用命1000次、效率高比能量最高、技术很成熟,循环寿命5000次、响应快速、放电时间长、效率高比能僦最高、技术很成熟,循环寿命5000次、响应快速、放电时间长、效率嬴容量大,技术比较成熟.寿命长,循环次数可超过10000次以上•安全性高.缺点能量密度较低，寿命较短价格高，发热问题.存在安全陷患金属钠，是一种易燃物,又运行在高温下，所以存在一定的风险效率低,对环境温度要求高.价格很高（比锂离子电池高）作用q应用世界上应用最广泛的电池之一，常用于电力系统的“故电源或番用电源在电动汽车、计算机、手机等便携式、移动设备和电力系统上广泛应用，是应用最为广泛的电池在日本、德国、法国、美国等地己建行约200多处此类储能电站，主要用于负荷调平、移峰、改善电能质量和可再生能源发电,电池价格仍然较高用作电能质量、削峰填谷、调领.能"满足大规模电力储能要求.各种储能技术的应用选择第11页共13页储能技术种类繁多，他们的特点各异。实际应用时，要根据各种储能技术的特点以及对优缺点进行综合比较来选择适当的技术。供选择的主要特征包括：①能量密度（kWhorMWh）；②功率密度（kWorMW）；③响应时间（-ms,-s,-minute）；④储能效率（充放电效率）；⑤设备寿命（年）或充放电次数；⑥技术成熟度；⑦经济因素（投资成本、运行和维护费用）；⑧安全和环境方面的考虑。在实际工程项目中，要根据储能技术的上述特征，应用的目的和需求，来选择其种类、安装地点、容量以及各种技术的配合，还要考虑用户的经济承受能力。5.1.放电时间对比储能技术性能如果按放电时间划分，可分为①短放电时间（秒至分钟级），如超级电容器、超导储能、飞轮储能，②中等放电时间（分钟至小时级），如飞轮储能、各种电池等，③较长放电时间（小时至天级），如各类电池、抽水蓄能、压缩空气等，④特长放电时间（天至月级），如氢和合成天然气。上述放电时间短的，常常是功率型的，一般可用作UPS和提高电能质量。中等放电时间的，可用于电源转接。较长或特长时间的，一般是能量型的，可用于系统的能量管理。目前应用最广泛的大型抽水蓄能可以解决天级的储能要求，要满足周和月级的储能需求要依靠其他种类储能手段，如氢和合成天然气。不同储能技术的储能容量能量和放电时间的比较示于图，可以看出不同的储能技术处于图中不同的位置。5.2.功率对比大规模、永久储能的应用可分为三类：第12页共13页①电能质量要求：在该应用中，储存能量仅用于在几秒钟或更少的时间,以确保传输电能的品质。②应急能量要求：在这些应用中，贮存的能量可用几秒到几分钟，从一个电源切换到另一个电源时，以保证电能的连续性。③系统能量管理要求：在这些应用中，储能系统用于发电和消耗之间的去耦及同步。典型的应用是负载平衡，这意味着在非高峰时储存能量（能量成本低），并在高峰时段使用存储的能量（能量较高的成本）。5.3.效率对比储能的效率和寿命（循环的最大数）是两个重要参数，因为它们影响到存储的成本。下图给出不同存储技术相对于效率和寿命的特点。5.4.投资对比投资成本是一个重要的经济参数，影响能源生产的总成本。每个循环的成本可能是评估能量存储系统成本的最佳方式。下图给出投资的主要组分，考虑到耐用性和效率。5.5.密度对比存储系统的体积很重要，首先，它可能被安装在一个受限制的或昂贵的空间，例如在城市地区。其次，体积增加，则需要更多的材料和更大的施工现场，从而增加了系统的总成本。第13页共13页我国是世界上电力生产最多的国家，也是发电量增幅最大的国家。2022年我国发电量达8.85万亿kW-h。发电厂发出的电能无法直接储存，需要立即消耗掉，从而造成用电高峰期时电力需求无法满足，而用电低谷期时电力过剩。研究如何将多余的电能储存起来，是非常重大的民生问题。储能技术是通过装置或物理介质将能量储存起来以便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。2.储能技术种类根据能量守恒定律，无论是电能的储存还是电能的释放，都可以借助于物理变化完成。电能储存可以根据不同的能量形式分为两类，分别是物理形式和化学形式，如图1所示。r抽水储能r机械能电磁场能,势能tr机械能电磁场能双电层电容「磁场能（超导线圈储能）1电场能（电容器储能）一双电层电容法拉第准电容阳光知理驴•化学形式•蓄电池储能阳光知理驴♦氢储能——燃料电池的一种图1储能技术的分类3.储能技术特点分析1.机械类储能机械类储能的应用形式只要有抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能。1.1.抽水蓄能（1）基本原理电网低谷时利用过剩电力将作为液态能量媒体的水从低标高的水库抽到高标高的水库，电网峰荷时高标高水库中的水回流到下水库推动水轮机发电机发第2页共13页电。(2)特点属于大规模、集中式能量储存，技术相当成熟，可用于电网的能量管理和调峰；效率一般约为65%〜75%,最高可达80%~85%；负荷响应速度快(10%负荷变化需10秒钟)，从全停到满载发电约5分钟，从全停到满载抽水约1分钟；具有日调节能力，适合于配合特种、大规模风力发电、超大规模太阳能光伏发电、以及电网调节。(3)缺点需要上池和下池；厂址的选择依赖地理条件，有一定的难度和局限性；与负荷中心有一定距离，需长距离输电。(4)应用目前，抽水蓄能机组在一个国家总装机容量中所占比重的世界平均水平为3%左右。截至2012年底，全世界储能装置总容量为128GW,其中抽水蓄能为127GW,占99%。截至2012年年底，我国共有抽水蓄能电站34座，其中，投运26座，投运容量2064.5万千瓦约占全国总装机容量11.4亿千瓦的1.8%o(另在建8座，在建容量894万千瓦)1.2.飞轮储能(1)基本原理在一个飞轮储能系统中，电能用于将一个放在真空外壳内的转子即一个大质量的由固体材料制成的圆柱体加速(达几万r/min],从而将电能以动能形式储存起来(利用大转轮所储存的惯性能量)o(2)优点寿命长(15~30年)；效率rWj(90%)；少维护、稳定性好；较高的功率密度；第3页共13页响应速度快(ms级)(3)缺点能量密度低，只可持续几秒至几分钟；由于轴承的磨损和空气的阻力，具有一定的自放电。(4)应用飞轮储能多用于工业和UPS中，适用于配电系统运行，以进行频率调节，可用作一个不带蓄电池的UPS,当供电电源故障时，快速转移电源，维持小系统的短时间频率稳定，以保证电能质量(供电中断、电压波动等)。在我国刚刚开始在配电系统中安装使用。电科院电力电子研究所曾为北京306医院安装了一套容量为250kVA,磁悬浮轴承的飞轮储能系统，能运行15秒，2008年投运。3.1.3.压缩空气储能(1)基本原理压缩空气储能采用空气作为能量的载体，大型的压缩空气储能利用过剩电力将空气压缩并储存在一个地下的结构(如地下洞穴)，当需要时再将压缩空气与天然气混合，燃烧膨胀以推动燃气轮机发电。(2)优点有调峰功能，适合用于大规模风场，因为风能产生的机械功可以直接驱动压缩机旋转，减少了中间转换成电的环节，从而提高效率。(3)缺点需要大的洞穴以存储压缩空气，与地理条件密切相关，适合地点非常有限；需要燃气轮机配合，并要一定量的燃气作燃料，适合于用作能量管理、负荷调平和削峰；以往开发的是一种非绝热(diabatic)的压缩空气储能技术。空气在压缩时所释放的热，并没有储存起来，通过冷却消散了，而压缩的空气在进入透平前还需要再加热。因此全过程效率较低，通常低于50%。(4)应用至今，只有德国和美国有投运的压缩空气储能站。德国Hundorf站于第4页共13页1978年投运，压缩功率60MW,发电功率290MW(后经改造提高到321MW),压缩时间/发电时间=4,2小时连续运行，启动过上万次，启动可靠率达97%。此外，德国正在建造绝热型压缩空气储能电站，尚未投运美国Mcintosh,Alabama阿拉巴马州，1991年投运,110MW,压缩时间/发电时间=1.6,如连续输出100MW可维持26小时，曾因地质不稳定而发生过坍塌事故。止匕外，美国正在建设几座大型的压缩空气储能电站，尚未投运。近来压缩空气储能的研究和开发热度在不断上升，国家电网公司已立项研究10MW压缩空气储能，项目负责人清华大学卢强院士。3.2.电气类储能电气类储能的应用形式只要有超级电容器储能和超导储能。3.2.1.超级电容器储能(1)基本原理根据电化学双电层理论研制而成的，又称双电层电容器，两电荷层的距离非常小(一般0.5mm以下)，采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍的增加，从而产生极大的电容量。(2)优点长寿命、循环次数多；充放电时间快、响应速度快；效率高；少维护、无旋转部件；运行温度范围广，环境友好等。(3)缺点超级电容器的电介质耐压很低，制成的电容器一般耐压仅有几伏，储能水平受到耐压的限制，因而储存的能量不大；能量密度低；投资成本高；有一定的自放电率。(4)应用超级电容器储能开发已有50多年的历史，近二十年来技术进步很快，使第5页共13页它的电容量与传统电容相比大大增加，达到几千法拉的量级，而且比功率密度可达到传统电容的十倍。超级电容器储能将电能直接储存在电场中，无能量形式转换，充放电时间快，适合用于改善电能质量。由于能量密度较低，适合与其他储能手段联合使用。3.2.2.超导储能(1)基本原理超导储能系统是由一个用超导材料制成的、放在一个低温容器(cryogenicvessel)(杜瓦Dewar)中的线圈、功率调节系统(PCS)和低温制冷系统等组成。能量以超导线圈中循环流动的直流电流方式储存在磁场中。(2)优点由于直接将电能储存在磁场中，并无能量形式转换，能量的充放电非常快(几ms至几十ms),功率密度很高；极快的响应速度，可改善配电网的电能质量。(3)缺点超导材料价格昂贵；维持低温制冷运行需要大量能量；能量密度低(只能维持秒级)；虽然已有商业性的低温和高温超导储能产品可用，但因价格昂贵和维护复杂，在电网中应用很少，大多是试验性的。(4)应用超导储能适合用于提高电能质量，增加系统阻尼，改善系统稳定性能，特别是用于抑制低频功率振荡。但是由于其格昂贵和维护复杂，虽然已有商业性的低温和高温超导储能产品可用，在电网中应用很少，大多是试验性的。SMES在电力系统中的应用取决于超导技术的发展(特别是材料、低成本、制冷、电力电子等方面技术的发展)。3.3.电化学类储能电化学类储能主要包括各种二次电池，有铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池等，这些电池多数技术上比较成熟，近年来成为关注的重点，并且还获得许多实际应用。第6页共13页3.3.L铅酸电池（1）基本原理铅酸电池是世界上应用最广泛的电池之一。铅酸电池内的阳极（PbO2）及阴极（Pb）浸到电解液（稀硫酸）中，两极间会产生2V的电势，这就是铅酸电池的原理。经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化：（阳极）（电解液）（阴极）PbC）2+2H2s04+Pb—>PbS04+2H20+PbS04（放电反应）（过氧化铅）（硫酸）（海绵状铅）（阳极）（电解液）（阴极）PbS04+2H20+PbS（）4—〉PbC）2+2H2sCU+Pb（充电反应）（硫酸铅）（水）（硫酸铅）（2）优点技术很成熟，结构简单、价格低廉、维护方便；循环寿命可达1000次左右；效率可达80%至90%,性价比高。（3）缺点深度、快速、大功率放电时，可用容量下降；能量密度较低，寿命较短。（4）应用铅酸电池常常用于电力系统的事故电源或备用电源，以往大多数独立型光伏发电系统配备此类电池。目前有逐渐被其他电池（如锂离子电池）替代的趋势。3.3.2.锂离子电池（1）基本原理锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态；放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。第7页共13页(2)优点锂离子电池的效率可达95%以上；放电时间可达数小时；循环次数可达5000次或更多，响应快速；锂离子电池是电池中比能量最高的实用型电池，有多种材料可用于它的正极和负极(钻酸锂锂离子电池、镒酸锂锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池、钛酸锂锂离子电池等)。(3)缺点锂离子电池的价格依然偏高；有时会因过充电而导致发热、燃烧等安全问题，有一定的风险，所以需要通过过充电保护来解决。(4)应用由于锂离子电池在电动汽车、计算机、手机等便携式和移动设备上的应用，所以它目前几乎已成为世界上应用最为广泛的电池。锂离子电池的能量密度和功率密度都较高，这是它能得到广