基于多类型储能的新型综合能源技术路线研究_贾承宇.pdf

第1期基于多类型储能的新型综合能源技术路线研究贾承宇，王驰中，陈衡，徐钢，陈宏刚（华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206）摘要：为实现对风能、太阳能等新能源的高效利用，构建清洁低碳的能源体系，研究多类型储能的新型综合能源技术已成为迫切需要。本文通过总结包括电氢储能在内的各类新能源储能技术，并从能量特性、时空特性、经济特性对多种储能进行特点分析，得出抽水蓄能和压缩空气储能具备大规模运行的能力，氢能具有较大的发展潜力和应用前景，电池储能具有设备形态需求契合好的优势，这4 种储能方式具有一定的耦合潜力。最后，设计了2 种多类型储能的综合能源系统，以供未来研究参考。关键词：多类型储能；耦合潜力；综合能源系统；储能技术特性；技术路线中图分类号：TM61文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）01-062-05基金项目：国家自然科学基金重大项目（52090064）作者简介：贾承宇（1998），男，硕士，现就读于华北电力大学能源动力与机械工程学院，主要研究方向为多能互补及分布式能源系统。Tel：18241030983，E-mail：引用格式：贾承宇，王驰中，陈衡，等.基于多类型储能的新型综合能源技术路线研究 J.能源科技，2023，21（1）：62-66.0引言能源是一个国家的重要产业，在开发、利用和转换能源的过程中，改变能源结构，大力推广可再生能源是目前全世界的一个重要发展趋势。我国 能源生产和消费革命战略（20162030）和 中国2050：一个全面实现现代化国家的零碳图景 等报告着重对清洁能源以及储能进行了重要部署，坚持四个统筹，大力发展清洁能源1。我国明确指出到2030年，在能源消费结构中可再生能源的比例将达到25%，预计在2060 年实现碳中和时可再生能源比例达到 85%以上。但是，由于稳定性不够和能源提供易间歇的缺点，限制了新能源的大规模使用，导致新能源电力的真实利用率降低，弃风弃光现象突出等问题2。在风力、光伏电力比重日益增加的背景下，储能系统的作用便显现出来。储能可将电能与其他形式能源进行时间和空间上的转移和转换，进而解决大规模使用新能源电力的弊端3。大力发展储能技术，对推动能源绿色转型、助力我国早日实现“双碳”目标具有重要的意义。电力系统的发展十分快速，使得其组成也更加复杂，系统需要满足的条件也更加苛刻，目前没有一种储能可以满足电力系统在时间、空间和经济性上的所有要求。分析各类储能的特性，对具备耦合条件的储能形式进行系统集成，可以达到助力电力系统安全经济运行的目的4。因此，开展对多类型储能的综合能源系统的研究，为新能源高效消纳和综合能源系统优化配置提供重要参考。1储能类型与发展目前，国内对各类储能技术的重视程度和研发速度各不相同，2021年国内储能技术的发展状况可以概括为4个层级，如图1所示。抽水蓄能的规模最大，2021年我国抽水蓄能的新增装机量为8 050 MW，增长速度较快，为第一层级。在第二层级中，锂离子电池发展尤为迅速，投运规模大幅提升，2021年新增装机容量为1 843 MW，压缩空气的新增装机容量占比为1.67%，液流电池的新增装机容量为23 MW，铅蓄电池的新增装机容量为1.7 MW5。在第三层级中，钠离子电池的新增装机容量为0.2 MW，发展速度较快，装机容量大幅提升，飞轮储能的新增装机容量为2.8 MW，超级电容器的新增装机容量为2 MW。在第第21卷 第1期Vol.21No.12023年2月Feb.2023第1期四层级中，各类储能的新增装机容量占比为1%，有较大的发展空间。第一梯队第二梯队第三梯队第四梯队抽水蓄能锂离子电池钠离子电池压缩空气储能储热储冷液流电池铅蓄电池飞轮储能超级电容器液态金属金属离子电池水系电池等图1储能技术梯队1.1电氢转化储能氢能是一种优质的能源，氢气的燃烧产物只有水，十分清洁6。将电网与制氢、储氢和氢燃料电池相结合，可实现电能与氢能的协调配合，增大能量的利用效率，节省资源7。电氢转换系统由电解水装置、氢气储存装置、燃料电池发电装置与电网构成，如图2所示8。风力发电光伏发电DC/DCAC/DCDC/DCDC/DC电解槽储氢系统燃料电池图2氢储能系统当电网不足以消耗掉风力、光伏产生的电力时，将多余电力送至电解槽进行电解水产生氢气和氧气，经由储氢罐进行保存，即将电能转化为化学能进行储存。当电网用户电力需求超过风力、光伏产生的电力时，将储存罐中的氢运至燃料电池处，燃料电池将氢气作为燃料发电，输至电网，实现电能的稳定供应。电氢转换不但可以有效减少弃电率，对电力调峰填谷，稍加改动后还可将利用峰值电力多产生的氢能用于城市能源消耗，减少碳排放。1.2超级电容储能超级电容器具有充放电速率高、循环寿命长、特性变化小、功率密度高的特点9，其应用方向也十分广泛，包含储能方向、消费电子方向、动力方向等，如图3所示。由于工作温限宽，并有免维护、绿色环保等优点，且针对新能源电力的调节，超级电容储能可以平抑能量较低的高频波动，弥补综合储能系统对高频能量利用不足的缺点。电力储存智能电网轨道交通超级电容器运动控制军用设备图3超级电容器应用方向1.3压缩空气储能在压缩空气储能系统中，电网的富余电力带动压气机将气体加压储存至储气室，当电网用电需求升高时，储气室气体与燃气燃烧升温后在膨胀机组做功，进而带动发电机发电，并入电网10，压缩空气储能原理如图4所示。压缩空气储能在10 MW100 MW实际集成中有较大进展。2021 年，中国先后在山东肥城、贵州毕节以及河北张家口先后建设集成了 10 MW100 MW压缩空气储能系统，并正式发电运行。储热单元热能补热单元热能储气单元压缩空气压缩空气压缩单元空气电力膨胀/发电单元电力排气电力物料热力图4压缩空气储能原理1.4飞轮储能飞轮储能具有瞬间功率大、循环寿命长、运行损耗低、环境友好、不受地理环境限制等优点11。飞轮储能技术依靠飞轮转子以机械能的形式将电能储存起来，在用电高峰时，飞轮的机械储能通过电机转换为电能，并由电力电子转换器转换为合适的电压频率供应至电网，飞轮储能系统工作原理如图5所示。飞轮单元电动机发电机电网电力电子设备能量输入能量输出恒压调频整流电网图5飞轮储能系统工作原理1.5抽水蓄能抽水蓄能作为目前技术最为成熟，绿色清洁高效的储能方式12，在各国应用广泛，并可灵活地与火电、新能源发电等配合调峰填谷，具备极强的稳定电网安全运行的能力。我国抽水蓄能的建设极快，在运、在建的抽水蓄能处于世界前列。2021年9月，国家能源局贾承宇等：基于多类型储能的新型综合能源技术路线研究63第1期发布了 抽水蓄能中长期发展规划（20212035年）。规划 提出，到2025年，抽水蓄能投产总规模较“十三五”翻一番，达到6 200 万kW以上；到2030年，抽水蓄能投产总规模达到1.2 亿kW左右13，如图6所示，为抽水蓄能投产规模的历史发展与规划。投资规模/亿kW年份20152020202520300.230.310.621.21.61.41.210.80.60.40.20图6抽水蓄能投产规模的历史发展与规划1.6蓄电池储能金属蓄电池是目前能源行业应用较多的电池类型，蓄电池储能系统原理如图7所示。此类电池能够依靠金属的氧化还原反应实现电能与化学能的转化，材料应用成本较低，同时具有较高的转化效率，能够在短时间内完成大量化学能与电能的相互转化14。蓄电池单元逆变器控制电路变压器电网CBDCAC图7蓄电池储能系统原理2各类储能耦合潜力分析分析各类储能的特性，对具备耦合条件的储能形式进行系统集成，达到提升电网安全性和稳定性的目的。本文分析了氢能以及多种储能技术在能量特性、时空特性和经济特性方面的耦合潜力，以便确定适用的新型综合能源系统方案。2.1能量特性表1、表2为各类储能系统的能量特性总结。表1各类储能系统能量特性总结1技术类型抽水蓄能压缩空气储能飞轮储能锂电池氢储能超级电容器集成功率等级/MW100200015100300170.0051.5150.001100190.0011 000200.01117能量转化效率/%658516607018809516859519305021859022表2各类储能系统能量特性总结2技术类型抽水蓄能压缩空气储能飞轮储能锂电池氢储能超级电容体积功率密度/（kWm-3）0.10.2200.52231 0002 000231 50010 000166002040 000120 00020体积能量密度/（kWh）m-3）0.51.5233623208023200500230.22020103023由于各类储能的能量密度与功率密度不同，在面对不同工况时应采用相符合的储能方式配合。在短时间内需要较大的功率供应时，则需采用功率密度较大的储能方式。在需要较大的能量供应时，则需采用能量密度较高的储能方式。由此可知，抽水蓄能和压缩空气储能的规模容量较大；飞轮储能的功率密度高，但是储能密度低，所以更适合短时间的功率支撑；蓄电池储能普遍能量转化率较高，但集成功率等级相较于抽水蓄能、压缩空气和氢储能较小；氢储能热值高，但能量转化率较低；超级电容储能体积储能密度较大，但能量密度较低。2.2时空特性储能的作用在于可以跨越时间和空间向电力系统输送电力，因此研究各类储能的时空特性势在必行。表3为各类储能的时空特性总结。表3各类储能的时空特性总结技术类型抽水蓄能压缩空气储能飞轮储能锂电池氢储能超级电容持续放电时间124 h19124 h1915 s15 min19min1 h19s24 h191 ms1 min19响应速度min21min16mss21mss19smin21ms21循环寿命/a30602120601615202152016203021152021由表3可知，抽水蓄能、压缩空气储能、蓄电池储能和氢能的持续放电时间较长，适合长时间供能。飞轮储能及超级电容储能的持续时间相对较短，更适合暂态支撑，进行强功率供电。抽水蓄能系统的建设对地理条件要求较高，在不适宜的环境会消耗更多的应用成本，该技术在风力资源丰富的西北地区缺少应用的环境基础。2.3经济特性由于各类储能系统的建设投资成本、运行维护以及效益有较大区别，除了考虑安全稳定性，还应考虑经济适用性，是否满足商业应用的需求，因此总结各类储能经济特性很有必要。表4为各类储能的经济特性总结。64第1期表4各类储能的经济特性总结技术类型抽水蓄能压缩空气储能飞轮储能锂电池氢储能超级电容价格/（$kW-1）6002 000214002 00021250350211 2004 000161 9006 3001610036021价格/$（kWh）-15100212200213802 500166002 500168001 200163002 00021维护量较大20小20较大20小20小20很小20由表4可知，抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能的成本较低、使用寿命长、技术更加成熟。蓄电池储能的成本相对较高，氢储能的基础设施投入大、成本高。在各类储能中，电池储能系统能够灵活应用到电力系统中，与其他储能方式配合应用于电网的效果较好。综上分析可知，抽水蓄能和压缩空气储能具备大规模运行的能力，氢能前景广阔，成本有很大的降低空间，电池储能的设备协调能力较强，因此有较大的耦合潜力。3新型综合能源系统的设计由于目前还没有哪一种储能可以满足电力系统在时间、空间和经济性上的所有要求，因此将特性互补的储能形式耦合提升电网安全性和稳定性是很有必要的。3.1电氢、压缩空气和蓄电池协同的综合能源储能系统如图8所示，第一种综合能源储能系统由电氢转化储能、压缩空气储能以及蓄电池储能耦合构成。电氢耦合转换不但可以将风力、光伏剩余电力转换为氢通过燃料电池反供应给电网进行调峰，在经济特性上为城市提供的氢源作为一方面经济收入，提高综合能源系统的经济性。由于风力发电和光伏发电具有不稳定性和波动性，系统中的储能单元需要有调峰填谷的能力来平衡发电和负荷之间的用电关系，及时对功率波动变化做出响应。基于以上要求，储能单元需要具备能量密度大、循环使用寿命长、大规