儲能電池技術助力新一代電力系統發展

    儲能被達沃斯經濟論壇評為未來可能改變世界的十大新技術之一，儲能電池是儲能技術研發和應用最活躍的領域。目前儲能電池技術發展很快，一旦取得突破，將對新能源發展、電網運行控制、終端用能方式等產生重大影響。未來儲能電池技術將在新一代電力系統中實現廣泛應用。

    新型儲能電池技術成為當前研發的熱點和技術前沿

    現有商用電池技術包括鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫/鎘電池、鈉硫/鎳電池等，這些電池技術成熟，已廣泛應用在電動汽車、手機、筆記本電腦、風電場儲能系統、電網調頻、分布式電源和微網等領域。

    目前，處于商用和示范應用、實驗室研發或概念設計階段的新型儲能電池超過30種。其中，已示范應用的電池技術包括三元材料鋰離子電池、全釩/鋅溴液流電池、鉛碳電池、超級電容電池等;處于實驗室研發階段的電池技術包括石墨烯/鋰硫/鋰空等新一代鋰離子電池、半固態/無薄膜等新一代液流電池、鋁/鋅等金屬空氣電池、鈉/鎂離子電池、液態金屬電池等;石墨烯超級電容電池、雙碳電池、納米微電池、有機電池等處于概念設計階段。這些新型儲能電池技術已經成為當前研發的熱點和技術前沿，未來有望大幅提升儲能電池的性能，推動儲能電池大規模應用。

    半固態液流電池結合了鋰離子和液流電池的優點，將在提高電池能量和功率密度、縮小體積、降低成本方面實現質的飛躍。目前美國麻省理工大學已研發出半固態液流電池，能量密度達到250瓦時/千克，比目前的液流電池提高10倍以上，成本僅100至250美元/千瓦時，比目前降低70%以上。石墨烯鋰電池以高導電性、質量超輕的石墨烯為材料，利用鋰離子可在石墨烯表面和電極之間快速穿梭運動的特性，將充電時間縮短至分鐘級。西班牙Graphenano公司和科爾瓦多大學共同研發出全球首例電動汽車石墨烯電池，充電時間只需8分鐘，續航里程達到1000公里。鋰硫電池理論能量密度可達2600瓦時/千克，是傳統鋰離子電池的8至10倍。美國Polyplus公司、德國弗朗霍夫材料與光束研究所研發的鋰硫電池能量密度已達到420瓦時/千克、600瓦時/千克。鋁空氣電池以空氣為正極、鋁為負極，通過鋁與氧氣發生化學反應釋放出能量，電池能量密度在理論上可達8100瓦時/千克，居各種電池能量密度之首。以色列Phinergy公司已研發出專供電動汽車使用的鋁空氣試驗電池，能量密度超過800瓦時/千克，續航里程達到1600公里。

   鋰離子和液流電池有望成為未來儲能電池的主流技術

    鋰離子電池是當前最受關注的儲能技術，據美國能源部統計，至2016年年底，美國、日本、歐盟和中國儲能裝機占全球總裝機的94%，其中電化儲能示范數量近百項，項目數占比為53%。在電化學儲能示范項目數中，鋰離子電池所占比重最高，達到48%，在電池儲能中位列最高。未來，新一代鋰離子電池技術將對電池的安全性、能量密度、充電時間等指標帶來根本性的改變，在電網調峰調頻、電動汽車、商用/家用儲能系統等領域具有廣闊的應用前景。

    液流電池具有容量大、成本低的優勢，能夠建成10萬千瓦級以上、經濟可靠的儲能電站，為提高電網調度控制靈活性、大規模發展新能源提供重要支撐。在大型能源基地、中樞變電站、負荷中心、電網末端等地區建設投運儲能電站，能夠提供調峰、調頻、調壓等多種輔助服務，在保持發用電平衡、緩解電網局部阻塞、應對電網緊急事故等方面發揮重要作用。在新能源發電基地配置大容量液流儲能系統，能夠有效平抑新能源發電出力波動，靈活跟蹤發電計劃曲線，促進新能源發電成為主力電源。

    綜合國際可再生能源署、國際能源署等機構的判斷，2030年左右鋰離子和液流電池將突破技術瓶頸，電池整體性能得到全面提升，成為最具大規模商用前景的主流電池技術，占全球儲能電池容量的比例將超過50%，極大推動儲能電池技術的發展和應用。

    多種儲能電池技術創新發展將在新一代電力系統中發揮重要作用

    隨著未來多種電池儲能技術發展和廣泛應用，儲能電池將應用到電力系統“發、輸、配、用、調”的各個環節，有可能改變現有電力系統生產、運輸和使用方式，助力傳統電力系統向“廣泛互聯、智能互動、靈活柔性、安全可控”的新一代電力系統轉型。

    在發電側，鋰離子電池、液流電池將成為支撐新能源大規模發展重要的儲能技術，推動新能源成為新一代電力系統的主力電源。截至2017年年底，我國風電、光伏發電并網容量合計達到2.93億千瓦，占全部電源裝機的比重達到17%。未來我國新能源還將加快大規模發展。根據國家非化石能源發展目標、碳減排目標，考慮在水電和核電裝機放緩情景下，2030年年底全國風電、光伏發電等新能源發電總裝機容量至少要達到8.8億千瓦，是2016年年底新能源發電裝機容量的3.5倍左右，占全部電源裝機容量的比重達到30%左右。未來，高比例新能源接入將成為我國新一代電力系統的主要特征，如何駕馭大規模新能源并網運行需要大幅提升電力系統靈活性。鋰離子電池、液流電池將在短時大功率輸出、響應速度快等性能方面實現進一步突破，有效平抑大規模新能源發電出力波動，靈活跟蹤發電計劃出力曲線，實現新能源電廠可觀、可測、可控。

    在電網側，液流電池作為大容量電網級儲能電站備受青睞，可為電網提供多種輔助服務，增強電網調度控制的靈活性和安全性。液流電池具有循環壽命長、容量大、響應速度快、安全性高的技術優勢，未來有望代替目前已投運的鋰離子儲能電站，發展成為10萬千瓦及以上的電網級儲能電站，提供調峰、調頻、調壓等多種輔助服務，在發用電不平衡調劑、應對電網緊急事故中發揮作用。同時，在大型能源基地周邊、中樞變電站、負荷中心、電網末端等地區建設大容量液流儲能電站，能夠充分發揮不同地域儲能電站在緩解局部電網阻塞、促進電力平衡中的重要作用。

    在用戶側，鋰離子電池將成為推動分布式小型電池儲能系統發展的主流技術，新型電池可作為鋰離子電池的補充配合應用。未來鋰離子電池技術進一步突破，能量密度將接近600瓦時/千克，續航能力超過500公里，比目前提高一倍左右;充電時間將縮短至30分鐘以內，使用壽命達到15年，滿足小型分布式儲能、移動式電源的性能要求。新型電池可配合鋰離子電池共同在電動汽車、家用分布式儲能等領域實現融合應用。未來，分布式光儲應用潛力較大，部分用電需求小、對電網依賴性不強的用戶，出于經濟利益考慮，可能選擇分布式光儲系統獨立供電，美國夏威夷已經出現了用戶選擇“分布式光儲+電網”供電模式。