錢建國，孔飄紅，章曉锘

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司 浙江 杭州 310007）

在“碳達峰、碳中和”目標背景下，未來能源及新型電力系統(tǒng)的研究是逐步實現(xiàn)“一次能源零碳化，二次能源電力化”的重要途徑，在未來的電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)煤電、燃氣電等發(fā)電方式將逐步被新型電力系統(tǒng)所取代。但是，在測試中心環(huán)境下對研究的驗證結(jié)果表明，新型電力系統(tǒng)的應(yīng)用同樣會面臨新的問題，其中電力儲能設(shè)計和發(fā)、損、用電的實時平衡問題最為突出。社會進步與環(huán)境保護的共同發(fā)展是中國乃至全世界能源結(jié)構(gòu)調(diào)整發(fā)展的大趨勢，是不得不面對和解決的客觀矛盾。

1 儲能設(shè)計對新型電力系統(tǒng)的影響

隨著新型電力系統(tǒng)規(guī)模的逐步擴張，目前難以擔當發(fā)電大任的風(fēng)電、光伏等將必然成為能源舞臺的主角?？v觀風(fēng)電和光伏發(fā)電的特點，其波動性、不穩(wěn)定性以及分散性是最突出的缺點，儲能設(shè)計的優(yōu)異與否必然會影響其“實時平衡、穩(wěn)定運行”。電力儲能涉及到需求側(cè)管理、電源側(cè)管理及電力供需平衡管理等一系列問題，由于儲能最具有基礎(chǔ)性，所以其系統(tǒng)設(shè)計的好壞將直接關(guān)系到新型電力系統(tǒng)能否切實解決社會的用電所需。

需求側(cè)管理是指對綜合用電負荷特性曲線進行調(diào)整干預(yù)以改善負荷用電特性，是節(jié)能降耗、改善能源使用特性的重要手段。電源側(cè)管理主要是用以改善各電源群的發(fā)電總特性，能夠解決電力的時空轉(zhuǎn)換問題，通過對電力儲能方案的設(shè)計，實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的峰、谷互補，在發(fā)電峰值期將電力儲存起來，然后在發(fā)電低谷期釋放儲存的電能以滿足正常電力供應(yīng)需求。以風(fēng)電、光伏為代表的新型電力系統(tǒng)受環(huán)境影響較大，有著十分明顯的周期性，電源側(cè)管理方案能夠顯著降低周期性發(fā)電對正常電力供應(yīng)的影響，進而使新型電力系統(tǒng)有更加廣闊的應(yīng)用空間。

2 儲能技術(shù)分類及應(yīng)用現(xiàn)狀

目前主流的儲能方式可分為機械儲能、電化學(xué)儲能、化學(xué)儲能和電磁儲能四類。機械儲能較易理解，如水能發(fā)電中利用電能將水儲存在高位，當用電高峰期時泄水發(fā)電，以此來達到儲能的目的。電化學(xué)儲能主要為電池儲能，通過電化學(xué)反應(yīng)將電能儲存起來。化學(xué)儲能主要為氫儲能，電磁儲能主要為超導(dǎo)儲能、超電容儲能等。

2.1 機械儲能

新型發(fā)電系統(tǒng)中，抽水儲能的應(yīng)用較為廣泛，不僅容易實現(xiàn)，有較強的應(yīng)用價值，而且易于控制，成本較低。抽水儲能主要針對水電，綜合轉(zhuǎn)換效率約為75%，主要實現(xiàn)原理為將電能轉(zhuǎn)化為勢能實現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)移儲存來應(yīng)用發(fā)電過剩的情況，將勢能轉(zhuǎn)化為電能來應(yīng)對發(fā)電不足的情況。抽水儲能可以錯開大規(guī)模電力系統(tǒng)的發(fā)電峰谷。

從應(yīng)用現(xiàn)狀來看，抽水儲能技術(shù)有電能循環(huán)效率較高、額定功率大、容量大、使用壽命長、運行成本易于控制、自放電率低等一系列優(yōu)勢，并且發(fā)展時間較長，技術(shù)成熟度高。除抽水儲能外，機械儲能還包括飛輪儲能、壓縮空氣儲能兩種應(yīng)用較為廣泛的儲能設(shè)計，其中飛輪儲能主要應(yīng)用于UPS不間斷供電，壓縮空氣儲能主要用于電力系統(tǒng)削峰填谷及分布式電網(wǎng)微網(wǎng)。

2.2 電化學(xué)儲能

電化學(xué)儲能為日常生活中最常見的儲能方式，主要是借助于電化學(xué)蓄電池將電能儲存起來，綜合能源轉(zhuǎn)換效率約為81%。目前最為流行的電池類型為鋰聚合物電池，如三元鋰、磷酸鐵鋰等，化學(xué)電池不僅推動了新能源汽車的發(fā)展，同時也使得電網(wǎng)儲能有了新的突破方向。

2.3 電磁儲能

無論是哪種儲能方式，都是將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量儲存起來，當需要時再經(jīng)放電或轉(zhuǎn)化產(chǎn)生電能。超導(dǎo)儲能技術(shù)是把電能轉(zhuǎn)化為電磁能加以儲存的方式，借助于超導(dǎo)線圖可以給電力持續(xù)平衡供電。從其技術(shù)原理和核心部件要求來看，超導(dǎo)材料的性能是決定能源損耗和儲能技術(shù)性能的關(guān)鍵，由于低溫環(huán)境和高溫環(huán)境都可對材料的內(nèi)阻產(chǎn)生影響，所以超低溫和超高溫都可對應(yīng)不同的超導(dǎo)材料，技術(shù)較為成熟的超導(dǎo)材料為液氨溫度下工作的超導(dǎo)材料。超導(dǎo)儲能技術(shù)主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，其中在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用十分廣泛，能夠解決新型發(fā)電技術(shù)的并網(wǎng)問題，具有響應(yīng)速度快、動態(tài)調(diào)整能力強的特點。

超級電容本質(zhì)上是性能十分強大的電容器件，由于電容值大，所以能夠儲存更多的電能，利用超級電容儲能技術(shù)可以解決電能的高效存儲和動態(tài)存儲問題，其最大的特點是維護簡單、工作狀態(tài)穩(wěn)定以及壽命較長等。由于超級電容有著很低的內(nèi)阻，所以相較于電化學(xué)儲能技術(shù)有著充放電循環(huán)次數(shù)多的先天性優(yōu)勢，并且耐熱性能好，抗過充電能力同樣十分強大。超級電容與常規(guī)電容相比，其介電常數(shù)更高、表面積更大，擁有更強的耐壓性能，在未來儲能應(yīng)用中有十分優(yōu)良的發(fā)展前景。

3 氫儲能設(shè)計與運行

3.1 氫儲能技術(shù)的運行特點

氫能雖然不是能源，但是其可應(yīng)用于電能儲能領(lǐng)域，是重要的儲能方式之一。由于氫在自然界無法獨立存在，所以在制氫的過程中必然會造成能耗，其主要優(yōu)勢是排碳量低。從雙碳背景和技術(shù)背景來分析，綠氫擁有最為廣闊的發(fā)展前景，其技術(shù)路徑為“綠色能源——電能——綠氫——電能”，在此四次轉(zhuǎn)化的過程中每一次轉(zhuǎn)化都會造成能源損耗，所以其經(jīng)濟性較差，應(yīng)劃入需求側(cè)，在特定場景需求下使用。

在雙碳背景下，氧儲能的優(yōu)勢慢慢展現(xiàn)，但是由于目前技術(shù)條件所限，以當前的技術(shù)水平，電能制氫轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率僅為50%～55%，遠低于其他儲能手段。即使隨著技術(shù)的發(fā)展，其轉(zhuǎn)換效率有望達到80%左右，氫儲能仍然會面臨很大的技術(shù)難度挑戰(zhàn)。特別是在零碳儲能背景下，電氫儲能所付出的能耗為所有儲能技術(shù)最高，經(jīng)濟性也不占優(yōu)勢。

即使如此，電力系統(tǒng)儲能中氫儲能技術(shù)路線仍然不可忽視，特別是以新型能源發(fā)電——氫燃料電池儲能——驅(qū)動新能源汽車為技術(shù)路線的研究，是實現(xiàn)零碳電能的重要研究方向。新能源發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電情況不穩(wěn)定是主要難題之一，儲能技術(shù)的應(yīng)用則主要用于平衡用電高峰期與用電低峰期的電力調(diào)配問題，無論哪種儲能技術(shù)其應(yīng)用原理都是在發(fā)電高峰期將電能儲存起來，在發(fā)電低谷期將電能釋放，以此來穩(wěn)定電能輸出。氫儲能技術(shù)不但可以給予新型發(fā)電系統(tǒng)解決發(fā)電不穩(wěn)定的方案，同時也更加有利于實現(xiàn)雙碳目標。

3.2 技術(shù)路線原理及技術(shù)難點

氫儲能的技術(shù)路線原理為：新能源發(fā)電系統(tǒng)輸出的電力經(jīng)電力電子變換器進入制氫機構(gòu)，制氫原料為水，在電解槽中發(fā)生電解反應(yīng)制造氫氣達成儲能的目的。然后氫氣作為燃料用來發(fā)電，實現(xiàn)化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)化。氫儲能技術(shù)從容量上來講比電化學(xué)儲能容量更大，大型系統(tǒng)容量可達GW級別。隨著技術(shù)的發(fā)展，其經(jīng)濟性和建設(shè)成本也將得到改善。此外，氫儲能技術(shù)路線中的氫氣可被運輸，極大增強了儲能的靈活性。

氫儲能的技術(shù)難點主要有三個方面，一是在制氫過程中產(chǎn)生的能損過高，二是儲氫窗口的結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計，因為需要在低溫絕熱容器中才能讓氫保持液態(tài)，而液化過程同樣會產(chǎn)生損耗。在儲氫問題上，也可利用氫氣與儲氫材料之間的物理或化學(xué)反應(yīng)，將氫氣轉(zhuǎn)化為固溶體或氫化物，降低氫能的儲存難度和運輸難度，目前這種安全性高的儲氫方式已經(jīng)被應(yīng)用于很多場景，特別是航天領(lǐng)域應(yīng)用最為成熟。氫儲能技術(shù)的最大優(yōu)勢在于比傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電更高的發(fā)電效率，并且在轉(zhuǎn)換為電能的過程中不會對環(huán)境造成污染，是達成“雙碳”目標的重要路徑之一。

4 結(jié)語

隨著新型電力系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)將會逐步退出舞臺，而在這一過程中如何解決新型發(fā)電技術(shù)發(fā)電不穩(wěn)定、不持續(xù)的問題將是目前及至未來很長一段時間最主要的科研攻關(guān)方向之一。利用儲能技術(shù)可以有效調(diào)節(jié)發(fā)電峰谷之間的平衡關(guān)系，使電力輸出更加穩(wěn)定，擴大新型電力系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢。