隨著全球電力系統(tǒng)脫碳進(jìn)程加快，風(fēng)電、光伏等新能源裝機(jī)容量和用電比例不斷提高，電力系統(tǒng)對(duì)可靠電力支持的需求不斷增加。近年來(lái)，長(zhǎng)期儲(chǔ)能開(kāi)始進(jìn)入公眾視線，并迅速引發(fā)了技術(shù)研究和資本投資的熱潮。

 

什么是長(zhǎng)期儲(chǔ)能？

到目前為止，長(zhǎng)期儲(chǔ)能仍然是一個(gè)新事物，全球范圍內(nèi)對(duì)長(zhǎng)期儲(chǔ)能還沒(méi)有統(tǒng)一的定義。近年來(lái)，長(zhǎng)期儲(chǔ)能開(kāi)始進(jìn)入公眾視線，并迅速引發(fā)了技術(shù)研究和資本投資的熱潮。，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的《問(wèn)題簡(jiǎn)報(bào)——長(zhǎng)期儲(chǔ)能》認(rèn)為，長(zhǎng)期儲(chǔ)能是一種連續(xù)放電時(shí)間不少于4小時(shí)的儲(chǔ)能技術(shù)。

最近兩年，美國(guó)能源部將發(fā)布一份關(guān)于支持長(zhǎng)期儲(chǔ)能的報(bào)告，該報(bào)告將長(zhǎng)期儲(chǔ)能定義為連續(xù)放電時(shí)間不少于10小時(shí)、使用壽命為15-20年的儲(chǔ)能技術(shù)。越來(lái)越多的學(xué)者在期刊上發(fā)表文章，將長(zhǎng)期儲(chǔ)能定義為從一天到一季的儲(chǔ)能技術(shù)。為了區(qū)別于目前國(guó)內(nèi)正在大規(guī)模建設(shè)的2小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，一些從業(yè)者還將4小時(shí)及以上的儲(chǔ)能技術(shù)歸類為長(zhǎng)期儲(chǔ)能。

 

為什么要開(kāi)發(fā)長(zhǎng)期儲(chǔ)能？

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，我們必須首先從為什么要發(fā)展儲(chǔ)能說(shuō)起。沒(méi)有儲(chǔ)能的電力系統(tǒng)是相對(duì)不穩(wěn)定的。但目前，以火電為主的電力系統(tǒng)仍有可靠的電力支持，因?yàn)榘葱璋l(fā)電的火電保證了電力系統(tǒng)的運(yùn)行。然而，隨著未來(lái)二氧化碳減排政策的深入實(shí)施，高揮發(fā)性可再生能源（主要是太陽(yáng)能和風(fēng)能）的比例將在一定程度上增加，在沒(méi)有風(fēng)和光的夜晚電力將短缺。

為了提高電力系統(tǒng)的可靠性，開(kāi)發(fā)配套儲(chǔ)能勢(shì)在必行。那么，為什么要發(fā)展長(zhǎng)期儲(chǔ)能呢？例如，如果水電站只調(diào)節(jié)水庫(kù)的蓄水量?jī)蓚€(gè)小時(shí)，那么后半夜仍將在黑暗中度過(guò)；即使水庫(kù)的蓄水量足夠十個(gè)小時(shí)，我們也要祈禱第二天會(huì)是晴天?；蛘吖物L(fēng)，如果無(wú)風(fēng)的陰天持續(xù)兩三天，我們就得準(zhǔn)備一個(gè)更大的水庫(kù)，也就是長(zhǎng)期儲(chǔ)能。當(dāng)然，未來(lái)的電力系統(tǒng)也將擁有除風(fēng)能以外的其他電源?？紤]到發(fā)電的互補(bǔ)性，再加上適當(dāng)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)期儲(chǔ)能，電力系統(tǒng)將成為一個(gè)全調(diào)節(jié)的水電站，全年無(wú)憂。

 

 

中國(guó)使用哪些長(zhǎng)期儲(chǔ)能技術(shù)？

根據(jù)技術(shù)類型，長(zhǎng)期儲(chǔ)能可分為機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能。接下來(lái)，我們將介紹幾種中國(guó)常用的長(zhǎng)期儲(chǔ)能技術(shù)，即抽水蓄能、液流電池、熔鹽儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能。

 

抽水蓄能

抽水蓄能有兩個(gè)水庫(kù)，上水庫(kù)和下水庫(kù)。為了儲(chǔ)能，水通過(guò)電能被泵送到上層水庫(kù)，電能被轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能；為了發(fā)電，水被釋放到下水庫(kù)以驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，重力勢(shì)能被轉(zhuǎn)換為電能。抽水蓄能電站建設(shè)規(guī)模大、建設(shè)周期長(zhǎng)，但能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)提供更多的能源。目前，抽水蓄能電站單機(jī)容量在30萬(wàn)至40萬(wàn)千瓦之間，總裝機(jī)容量為30萬(wàn)至36萬(wàn)千瓦，蓄水時(shí)間一般為4-10小時(shí)。

 

 

液流電池

液流電池是指將電解質(zhì)和電堆分開(kāi)放置，正負(fù)電解質(zhì)流經(jīng)電堆時(shí)發(fā)生可逆化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換。液流電池的構(gòu)建周期短，通過(guò)調(diào)整電池組或電解質(zhì)的容量，可以放大發(fā)電和儲(chǔ)能能力。液流電池目前裝機(jī)容量為10-100MW，儲(chǔ)能時(shí)間一般為2-6小時(shí)。

 

熔鹽儲(chǔ)熱

熔鹽儲(chǔ)熱通過(guò)加熱熔鹽來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。在能量釋放過(guò)程中，高溫熔鹽熱交換產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。熔鹽儲(chǔ)能規(guī)模大、使用壽命長(zhǎng)，現(xiàn)階段主要用于CSP發(fā)電廠。目前熔鹽庫(kù)裝機(jī)容量為10-100MW，儲(chǔ)存時(shí)間一般為5-15小時(shí)。

 

 

壓縮空氣長(zhǎng)期儲(chǔ)能

壓縮空氣的長(zhǎng)期儲(chǔ)能通常使用鹽穴或容器來(lái)儲(chǔ)存高壓空氣。在儲(chǔ)能過(guò)程中，壓縮機(jī)壓縮并儲(chǔ)存空氣，將電能轉(zhuǎn)換為內(nèi)部空氣能；在釋放能量時(shí)，高壓空氣驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電，將內(nèi)部空氣能量轉(zhuǎn)化為電能。壓縮空氣長(zhǎng)期儲(chǔ)能電站建設(shè)周期長(zhǎng)、安全性高，屬于機(jī)械長(zhǎng)期儲(chǔ)能技術(shù)。目前，壓縮空氣儲(chǔ)能電站裝機(jī)容量為10-300兆瓦，儲(chǔ)能時(shí)間一般為4-10小時(shí)。此外，鹽穴或容器可用于儲(chǔ)存氫氣，以實(shí)現(xiàn)數(shù)周甚至數(shù)季的化學(xué)儲(chǔ)能。

 

還有哪些奇怪的長(zhǎng)期儲(chǔ)能技術(shù)？

許多長(zhǎng)期儲(chǔ)能的前沿技術(shù)仍處于研發(fā)和示范的早期階段，如鐵-空氣電池儲(chǔ)能、熱巖儲(chǔ)能、二氧化碳電池儲(chǔ)能和熔融鋁儲(chǔ)能等。

 

鐵-空氣電池的長(zhǎng)期儲(chǔ)能

鐵-空氣電池是一種金屬-空氣電池，其基本原理是基于鐵的可逆氧化（生銹）。當(dāng)鐵-空氣電池放電時(shí)，空氣中的氧氣會(huì)導(dǎo)致鐵生銹；當(dāng)它充電時(shí)，在電流的作用下，鐵銹會(huì)變成鐵。這個(gè)過(guò)程唯一釋放的物質(zhì)是氧氣。發(fā)明這項(xiàng)技術(shù)的Form Energy公司聲稱，使用電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以持續(xù)100小時(shí)的放電，其成本與現(xiàn)有的化石燃料發(fā)電廠相當(dāng)。

 

熱巖長(zhǎng)期儲(chǔ)能

這家存儲(chǔ)技術(shù)公司正在研究一種將電能以熱量的形式存儲(chǔ)在石頭中的技術(shù)，稱為GridScale。GridScale儲(chǔ)能器由一組或多組裝滿碎石的鋼罐組成。碎石是被壓碎到豌豆大小的玄武巖，可以承受反復(fù)加熱。充放電是通過(guò)壓縮機(jī)和渦輪機(jī)系統(tǒng)完成的，該系統(tǒng)將熱能從裝滿冷石頭的水箱泵入裝滿熱石頭的水箱。冷罐子里的石頭會(huì)變冷，而熱罐子會(huì)變熱，溫度高達(dá)600攝氏度。

能量可以在石頭中儲(chǔ)存很多天，當(dāng)電網(wǎng)需要電力時(shí)，熱能通過(guò)渦輪機(jī)從熱罐返回到冷罐，產(chǎn)生電力。由于能量損失低，這是一種高效的長(zhǎng)期儲(chǔ)能解決方案，并且可以根據(jù)所需的儲(chǔ)存時(shí)間和容量選擇儲(chǔ)罐的數(shù)量。

 

 

二氧化碳電池的長(zhǎng)期儲(chǔ)能

意大利能源巨蛋公司聲稱，其二氧化碳電池可以提供快速響應(yīng)、廉價(jià)的電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能。其原理類似于壓縮空氣長(zhǎng)期儲(chǔ)能系統(tǒng)。發(fā)生器將二氧化碳?jí)嚎s成液體并儲(chǔ)存，并儲(chǔ)存壓縮氣體產(chǎn)生的廢熱；當(dāng)它需要支撐電網(wǎng)時(shí)，液態(tài)二氧化碳與之前儲(chǔ)存的廢熱一起蒸發(fā)，以驅(qū)動(dòng)第二組渦輪機(jī)。發(fā)電后，二氧化碳?xì)怏w返回安全氣囊。

據(jù)Energy Dome介紹，全尺寸二氧化碳電池的容量高達(dá)25兆瓦，可儲(chǔ)存100至200兆瓦時(shí)的能量，最佳充電/放電周期為4至24小時(shí)，是日常和日間循環(huán)的理想選擇；其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到75%，電池壽命預(yù)計(jì)在25年左右，幾年內(nèi)平準(zhǔn)化成本（LCOS）可低至50-60美元/MWh。Energy Dome將其技術(shù)與壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）和液體空氣儲(chǔ)能器（LAES）進(jìn)行了比較，得出結(jié)論認(rèn)為二氧化碳電池的儲(chǔ)能密度是CAES的10到30倍，盡管只有LAES的三分之二，但它不需要低溫，可以在環(huán)境溫度下儲(chǔ)存。

 

熔融鋁的長(zhǎng)期儲(chǔ)能

瑞典公司Azelio的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，即熔融鋁的長(zhǎng)期儲(chǔ)能，已安裝在摩洛哥一個(gè)580兆瓦的太陽(yáng)能發(fā)電廠（510兆瓦CSP和70兆瓦PV）。該技術(shù)使用由回收鋁合金制成的相變材料作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，一種方法是通過(guò)電阻加熱器將回收鋁加熱到600°C，另一種方法使用集中太陽(yáng)能熱系統(tǒng)，利用系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量熔化鋁合金，從而將能量?jī)?chǔ)存為熱量。當(dāng)能量需要釋放時(shí)，合金冷卻并重新凝固，釋放的熱量被輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)，利用導(dǎo)熱油發(fā)電。溫度為65°C的廢熱也可以出售給工業(yè)用戶或當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域供暖系統(tǒng)。

 

 

熔融鋁長(zhǎng)期儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)Azelio的說(shuō)法，當(dāng)同時(shí)使用電力和廢熱時(shí)，該過(guò)程的往返效率為90%；該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)13小時(shí)的電力存儲(chǔ)，可模塊化安裝，可在炎熱或寒冷的天氣中按需提供熱量。它可在所有氣候條件下使用，系統(tǒng)壽命預(yù)計(jì)可達(dá)30年。

同時(shí)，該方案的規(guī)?？梢詮?00千瓦擴(kuò)大到100兆瓦；并且回收的鋁存儲(chǔ)介質(zhì)可以一次又一次地重復(fù)使用，而不會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低容量?？傊絹?lái)越多的公司正在加入長(zhǎng)期儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)和競(jìng)爭(zhēng)的道路。然而，長(zhǎng)期儲(chǔ)能的未來(lái)仍需要不斷的探索和研究。