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電能儲存方式與發展現狀

山東德晉新能源和大家說一下當下電能儲存方式與發展現狀。

2021-03-31 09:00:00

電能儲存方式與發展現狀
一、抽水蓄能電站
抽水電站必須配有上下兩座水庫(上下池)才能投入運行，在負荷低谷時期，抽水電站工作在電動機狀態，下游水庫的水抽到上游水庫儲存，在負荷高峰時期，抽水電站工作在發電機狀態，用上游水庫儲存的水來發電。水庫依有無自然徑流而被分為純抽水、混合抽水和調水式抽水蓄能電站，建站點力求水頭高，庫容大，滲漏少，壓力輸水管道短，離負荷中心較近。
可按一定容量建設的抽水蓄能電站，蓄能釋放時間可為數小時至數天，綜合效率70%~85%。抽水蓄能是電力系統中應用很常見的一種蓄能技術，其主要應用領域包括調峰填谷、調頻、調相、應急備用、黑啟動和提供系統備用容量等，還可提高系統火力發電廠和核電站的運行效率。
當前，我國已經形成了抽水蓄能電站設計規劃規范。該機組從早期的四機三機發展為二機型，即水泵水輪機和水輪發電電機，減少了土建和設備投資。該工程采用瀝青混凝土板防滲，HT-100強度鋼結構，斜井全斷面隧洞掘進機開挖，考慮圍巖共分壓的鋼岔管，上水庫及地下廠房信息化施工。繼續提高整體水平，向高水頭、高轉速、大容量方向發展，現已接近單級泵水輪機和空氣冷卻發電電機的制造極限，今后的重點將放在對振動、空蝕、變形、止水和磁性等特性的研究上，著重于運行的可靠性和穩定性，在水頭變幅不大，供電質量要求高的情況下，采用連續調速機組，實現頻率自動控制。加強機電設備的可靠性和自動化程度，建立統一的調度機制，推廣集中監控和無人值守管理，結合國情研究海水及地下式抽水蓄能電站的關鍵技術。
二、壓縮空氣儲能電站
壓氣蓄能電站是一種調峰燃氣輪機發電廠，它主要利用電網負荷低谷時的剩余電力來壓縮空氣，儲存在高壓密封設施中，通常壓力7.5 MPa，在用電高峰期釋放出來，從而驅動燃氣輪機發電。燃料的2/3用在燃氣輪機發電時進行空氣壓縮，燃料消耗可減少1/3，比傳統燃氣輪機消耗的氣體少40%，同時可降低投資和排放。該電站的建設投資和發電成本雖然低于抽水蓄能電站，但其能量密度較低，且受巖層等地形條件限制。該系統可冷啟動，黑啟動，反應速度快，主要用于峰谷電能回收調節，平衡負荷，調頻調制，分布式儲能及發電系統備用等。
當前，地下儲氣站主要采用廢棄礦井、海底沉降儲氣罐、洞穴、過期油氣井及新建儲氣井等方式，理想的方式是水封恒壓儲氣站，能保證輸出恒壓氣體，保證燃氣輪機穩定運行。該燃氣輪機技術比較成熟，采用渠氏超導熱管技術，系統換能效率可達90%以上。大容量量化和復合電化學將進一步降低成本。由于分布式能源系統的發展，以及儲氣庫容量的增大和氣體儲存壓力達到10~14 MPa的要求，8~12 MW微型壓縮空氣儲能系統已經成為研究熱點。
三、飛輪儲能
它是由高速飛輪、軸承支撐系統、電機/發電機、電力轉換器、電控系統、真空泵及應急備用軸承等附件組成的能量儲存系統。在低谷負荷時，飛輪儲能系統通過工頻電網提供電能，驅動飛輪高速旋轉，將能量儲存在動能中，完成了電能-機械能的轉換過程；在達到峰值負荷時，飛輪高速旋轉，以原動機拖動電機的方式發電，通過功率變換器輸出電流和電壓，完成了機械能-機械能-電能的轉換釋放過程。飛輪儲存能量的功率密度大于5 kW/kg，能量密度大于20 Wh/kg，效率在90%以上，循環壽命長達20 a，工作溫度為?40~50℃，無噪音，無污染，維護簡單，可連續工作，積木式組合后可達到 MW級，輸出時間為數 min/h，主要用于電網的調峰和頻率控制。
近幾年來，人們對飛輪轉子設計、軸承支持系統和電能轉換系統進行了了深入研究，碳素纖維及玻璃纖維材料、大功率電力電子變流、電磁及超導磁懸浮軸承等技術極大地推動了儲能飛輪的發展。機械飛輪系統已經形成了一個系列。由于磁浮軸承的應用，飛輪大型化，高速轉換，軸承負載密度的進一步提高，飛輪儲能的應用將會越來越廣。
四、超導磁儲能系統
超導磁存儲系統利用超導線圈存儲磁場能量，在傳輸功率時不需進行能源形式的轉換，具有響應速度快(ms級)，轉換效率高(≥96%)，比容量(1~10 Wh/kg)/比功率(104~105 kW/kg)大，可與電力系統進行實時大容量能量交換和功率補償。該系統在技術上比較簡單，不存在旋轉機械零件和動態密封的問題。它能充分滿足輸配電網對電壓支持、功率補償、調頻、提高系統穩定性和輸送能力等方面的要求。
基于高溫超導涂層導體研究開發適用于液氮溫區的 MJ級系統是 SMES的發展重點，它解決了高磁場磁體繞組力學支承問題，并與柔性傳輸技術相結合，進一步降低投資和運行成本，同時結合實際系統探討了分布式 SMES及其有效的控制和保護策略。
五、超級電容儲能
根據電化學雙電層原理研制的超級電容器，可以提供強大的脈沖能量，充電時電極表面處于理想的極化態，電荷會吸引周圍電解液中的異性離子，使之附著在電極上，形成雙電荷層，形成雙電層電容。因為電荷層間距離很小(一般小于0.5 mm)，加上特殊的電極結構，電極表面積增大到萬分之一，從而產生很大的電流容量。但是由于介質的耐壓性能差，且存在漏電流，存儲能量和維持時間有限，因此必須串聯使用，增加充放電控制電路和系統的體積。
經過三代和幾十年的發展，超級電容器已經形成了電容量為0.5~1000 F，工作電壓為12~400 V，放電電流為400~2000 A的系列產品，其能量儲存系統儲存能量可達30 MJ。但是超級電容器價格較貴，在電力系統中多用于短時、大功率負載平穩運行和高電能質量的高峰功率場合，如大功率直流電機的起動支承、動態電壓恢復器等，以改善電壓跌落和瞬時干擾時的供電。基于活性碳雙層電極和鋰離子插入電極的第四代超級電容器正在研制中。
六、電池儲存系統
蓄電池能量儲存系統主要是利用蓄電池正、負極的氧化還原反應進行充放電。
鉛酸電池在高溫下壽命縮短，與鎳鎘電池相似，比能量低，比功率高，但價格低廉，建造成本低，可靠性高，技術成熟，在電力系統中得到了很普遍的應用，目前其儲能容量達到20 MW。當電力系統正常工作時，鉛酸電池為斷路器提供合閘電源，在發電廠、變電站供電中斷時，起到單獨電源的作用，為保護裝置、拖動電機、通訊和事故照明提供電力。但其循環壽命較短，生產過程中存在著一定的環境污染。
鎳鉻電池效率高，循環壽命長，但隨著充電和放電次數的增加，電池容量會降低，但電荷保持能力仍有待提高，而且由于重金屬污染問題，已被歐盟機構限制使用。鋰離子電池比能量比功率大，自放電少，對環境友好，但由于工藝和環境溫度差異等原因，其系統指標往往不能達到單體的水平，其壽命比單體縮短幾倍甚至十幾倍。大規模集成的技術困難和生產維護費用使這類電池難以在較長一段時間內實現大規模應用。
鈉硫液流電池是一種新興的高效率、大容量儲能電池，具有廣闊的發展前景。其能量儲存密度為140 kWh/m3，體積減至普通鉛酸蓄電池的1/5，系統效率高達80%，單體使用壽命已達15 a，循環使用壽命超過6000次，便于模塊化生產、運輸和安裝，施工周期短，可按用途和規模分期安裝，非常適合城市變電站和特殊負荷。
液體電池已經形成了釩-溴、全釩、多硫化鈉-溴等多種體系，高性能離子交換膜的出現促進了這方面的研究。液體電池電化學極化小，能100%深度放電，貯存壽命長，額定功率和容量互不相關，可通過增加電解液量或提高電解液濃度來達到增加電池容量的目的，并可根據所設位置，自由設計貯存形式，任意選擇形狀。鈉硫和液流蓄電池已進入商業運行， MW級鈉硫和100 kW級液流蓄電池的儲能系統也進入了實驗示范階段。由于容量和規模的擴大，綜合技術的日益成熟，儲能系統的成本將進一步降低，通過安全可靠的長期試驗，預計將在提高風能/太陽能可再生能源系統的穩定性、平滑用戶側負荷以及應急電源方面發揮重要作用。