第1章 储能学科基础

1.1　储能促进能源可持续发展

1.1.1　储能技术与产业的重要性

储能科学与技术是一门具有悠久历史的工程交叉学科,进入21世纪以来,呈现快速发展的态势。发展的驱动力主要归结为全球能源可持续发展的需要,实现可再生清洁能源结构转型,增强能源安全性,提升能源经济性。解决能源领域所面临的问题的4种途径,即先进能源网络技术、需求响应技术、灵活产能技术和储能技术。

在能源革命的驱动下,可再生能源开发利用力度持续加大,接入电网的比例和在终端能源消费的占比将不断提高。根据国际能源署的研究,为满足新能源消纳需求,预测美国、欧洲、中国和印度到2050年将需要增加310GW的并网电力储存能力,为此至少需投资3800亿美元。麦肯锡的研究则将储能列为到2025年将产生颠覆性作用、对经济发生显著影响的技术,预测市场价值将达0.1万亿~0.6万亿美元。世界许多国际组织和国家把发展储能作为缓解能源供应矛盾、应对气候变化的重要措施,并制定了发展战略,提出了2030年、2050年的明确发展目标和相应的激励政策。

以电力系统为例,储能技术的主要功能如图1⁃1所示。储能应用于电网领域,可以提供频率调整、负载跟踪、削峰填谷和备用电力等作用。传统能源的日益匮乏和环境的日趋恶化,极大地促进了新能源的发展,其发电规模也快速攀升。以传统化石能源为基础的火电等常规能源通常按照用电需求进行发电、输电、配电、用电的调度;而以风能、太阳能为基础的新能源发电取决于自然资源条件,具有波动性和间歇性,其调节控制困难,大规模并网时需要大容量储能过程,进行电力质量调节与控制[1⁃3]。

通过大规模导入能源转化与存储技术,能够在很大程度上解决新能源发电的随机性和波动性问题,使间歇性的、低密度的可再生清洁能源得以广泛、有效地利用,并且逐步成为经济上有竞争力的能源。储能技术的应用将贯穿于电力系统发电、输电、配电、用电的各个环节,可以缓解高峰负荷供电需求,提高现有电网设备的利用率和电网的运行效率;可以有效应对电网故障的发生,可以提高电能质量和用电效率,满足经济社会发展对优质、安全、可靠供电和高效用电的要求;储能系统的规模化应用还将有效延缓或减少电源和电网建设,提高电网的整体资产利用率,彻底改变现有电力系统的建设模式,促进其从外延扩张型向内涵增效型的转变[4⁃6]。

能量虽然可以以机械能、声能、化学能、电磁能、光能、热能及核能等多种形式存在,但在人类的活动中,绝大多数能量是需要经过热能的形式和环节被转化和利用的,尤其是在我国,这个比例达到90%以上。正因如此,储热技术最为简单和普遍,它的应用也远远早于工业革命尤其是电力革命后才出现的其他储能技术,如我国北方地区的烧炕取暖即是利用储热技术解决热能供求在时间上的不匹配。随着人类的发展和对能源利用技术的不断改进,储热技术也不断发展,而且在人们的生产和生活中,在能源的集中供应端和用户端,都发挥着日益重要的作用。

目前,储能技术与装备主要应用在以下技术领域,并逐渐向其他相关领域延伸。

(1)输电领域

储能技术在输电领域的技术需求主要体现在以下两个方面。①由于电源与负荷的实时波动,电网会有一次调频的需求,电网调度希望调频电源能够快速精确地响应调度下发的出力指令。同时,传统调频电源作为旋转电源由于惯性和控制精度问题,会出现延迟等情况,而且火电机组参与调频会降低其经济运行效率,并不是理想选择。②由于电网的负荷每天周期性波动,自然形成了高峰负荷区与低谷负荷区,需要电力系统配置调峰电源根据负荷变化情况跟随出力,来维持电力系统电压和频率的稳定。电网希望调峰负荷能够快速根据调度指令及时投入、切出系统,并根据指令快速改变其出力水平。

(2)配电领域

供电可靠性是配电网必须要保证的供电指标,当配网出现故障时,需要有备用电源持续为用户供电。配电网的电能质量经常受到用电负荷特性的影响,电网希望系统中有可控电源能够对配电网的电能质量进行治理,消除电压暂降、谐波等问题。

(3)用户侧储能

很多电力用户由于用电负荷的不同特性,对于重要负荷有特殊的供电可靠性要求和电能质量要求:一方面可能是对供电质量有更高要求,另一方面可能是防止负荷向电网回馈谐波等电能质量问题。电动汽车是当前快速发展的特殊用户,大量的车载电池存量以及为满足电动汽车快速充电要求设立的储能充电站,既是电网的负荷,也可以为电网提供储能服务。通过用户侧储热(冷)能源站的建立,可满足电网用户侧虚拟调峰和弃风弃光电消纳的需求,也是解决我国大面积雾霾的主要技术途径。自从2013年以来,我国大力推广实施煤改电工程和火电厂灵活性改造,为大容量储热(冷)技术提供了巨大的市场空间。

(4)微电网领域

微电网系统要求配备储能装置,并要求储能装置能够做到以下几点:①在离网且分布式电源无法供电的情况下提供短时不间断供电;②能够满足微网调峰需求;③能够控制和改善微网电能质量;④能够完成微网系统黑启动;⑤平衡间歇性、波动性电源的输出,对电负荷和热负荷进行有效控制。

(5)应急电源领域

日本福岛核电站发生事故后,世界各国对于应急电源的需求日益迫切。灾难发生时需要为灾难中的人们和重要设备提供电力和热力,以保证必需的救灾、生活用能。

(6)太阳能利用领域

太阳能具有清洁、普遍、巨大和长久的特点,是人类的主要能源之一。太阳能是随时间变化的不稳定能源,昼夜交替还会造成每日数小时至十多小时的太阳能中断,太阳能还会受到阴雨天气和季节变化的影响。为了使太阳能成为连续、稳定的能源,从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源,就必须很好地解决蓄能问题。太阳能热发电、太阳能热水、太阳能建筑和工业供热制冷都需要配备大容量的储热系统才能使用。

(7)余热(冷)利用

余热资源利用率低造成工业能耗高、能源资源浪费问题严重,能源生产端和消费端之间的匹配问题制约着余热资源的利用,发展具有高储热密度的储热技术,实现余热资源在空间和时间上的有效调度,将为工业节能提供重要帮助。此外,LNG冷能的高效存储和利用也对不同品味的储冷技术提出了相关的要求,以我国2017年LNG进口量3789万t计算,余冷量可达87亿kW·h。