一、主流的長時儲能技術
普遍認為可以滿足長時儲能條件的儲能技術主要有:抽水蓄能、壓縮空氣儲能、液流電池以及其它新型電力儲能技術,通常在長時儲能技術中并不包括鋰離子電池儲能技術,典型長時儲能技術指標如下表所示。與常規(guī)的短時儲能相比,這些LDES技術不僅僅在放電時間上存在差異,系統(tǒng)在設計和基本特性上也有顯著差異,許多LDES技術的應用涉及電力、運輸、供熱等多個領域。評估這些儲能技術的技術經濟性面臨很多障礙,基于一手數(shù)據(jù)北卡羅來納大學學者對新興的LDES技術進行了對比,并對一些應用案例進行了討論。
重力儲能技術
以抽水蓄能(PSH)為代表的傳統(tǒng)的重力儲能技術,盡管沒有證據(jù)表明對生態(tài)環(huán)境有嚴重的影響,但能量密度以及地理環(huán)境的限制,促使一些研究者開發(fā)出另外一些新型的儲能技術,其中包括Gracis city、Energy Vault以及Energozapas公司,Gracis city公司主要利用廢棄的礦井,實現(xiàn)地下重力儲存系統(tǒng),用絞車代替抽水蓄能發(fā)電機組,根據(jù)介紹這家公司可開發(fā)技術能夠釋放重達12000噸重物,已經建成了一個250千瓦的示范項目,另外正在積極的開發(fā)一個4兆瓦商業(yè)化項目,Energy Vault技術原理與Gracis city相同,主要實現(xiàn)地上重力儲能,通過在地上建設塔架,并利用起重機或類似技術實現(xiàn)重物移動,目前該公司正在積極開拓中國市場。Energozapas位于俄羅斯這家公司主要利用軌道位置高低來實現(xiàn)電力的存儲與釋放,使用軌道將重物在山上和山下移動來實現(xiàn)能量存儲,公司已經在加利福尼亞州完成了一個示范項目,另外正在積極推進50 MW商業(yè)化項目。相比于PSH這些儲能技術,更容易模塊化、響應速度較快,且避免了因蒸發(fā)帶來的能量損失。
壓縮空氣儲能
壓縮空氣儲能主要分絕熱與非絕熱兩大類,其中非絕熱壓縮空氣在發(fā)電過程中需要燃燒化石燃料對空氣進行加熱,絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)將壓縮空氣過程中產生的熱量進行了收集,原理上來看絕熱壓縮空氣儲能效率更高。根據(jù)報道,當前壓縮空氣儲能效率可達65%以上,隨著系統(tǒng)規(guī)模的不斷增加,效率有所提高。國際上出現(xiàn)了一批從事壓縮空氣的公司,包括Hydrostor、Highview等公司,并開發(fā)了相關示范項目對相關技術進行了驗證,國內中科院物理所和清華大學均有相關項目正在建設中,技術上國內處于第一梯隊。盡管絕熱壓縮空氣有諸多好處,但相比于非絕熱系統(tǒng)維護成本顯著增高。
熱儲能技術
熱儲能市場規(guī)模十分龐大,并不比電力儲能技術市場規(guī)模小,通常熱儲能技術可分為顯熱、潛熱和熱化學反應三大類。其中顯熱儲熱密度從10-50 kWh/ton,潛熱為50-150 kWh/ton(50-200 kWh/m3)
熱化學儲熱為120–250 kWh/噸(200–600 kWh/m3)。其中在發(fā)電領域應用最多的主要為融鹽儲熱,通常在光熱電站中應用的較多,可滿足4-10h甚至更長時間能量存儲,可保障整個系統(tǒng)實現(xiàn)全天發(fā)電。按照現(xiàn)有在運行項目進行評估,光熱電站儲熱效率為67%,系統(tǒng)為1.6MW/16MWh,成本大概在18美元/kwh。美國NREL對這項技術進行了評估,隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大,成本有望降低至10美元/KWh。
液流電池儲能技術
液流電池技術種類較多,包括全釩。全鐵、鋅鐵、鐵鉻、鋅溴等多個體系,液流電池得益于功率和能量單元分離的特征可實現(xiàn)電力長時間純儲,可滿足8h以上電力存儲。其中釩液流電池技術更成熟,能量密度和充放電效率最高,被視為最具競爭力,但釩液流電池初始投資成本較高,3300元/KWh的投資成本限制了大規(guī)模應用,目前行業(yè)正在開發(fā)一些其它廉價體系的液流電池,比如Primus Power主要開發(fā)鋅溴電池,我國國電投主要開發(fā)鐵鉻電池,但新化學體系電池相關實證項目較少,運行時間基本都比較短。
P2G技術
電力轉化為可燃氣體已成為一種潛在的電力轉換方式,如通過電制氫,或者轉化為其它氣體可實現(xiàn)電力大規(guī)模長期(季節(jié))性存儲,電制氣有利于實現(xiàn)能源、電力、交通和熱力之間的耦合。限制電制氣的主要影響因素包括轉化效率較低以及電解槽設備的初始投資較高等因素。目前,全球氫產量中只有4%來自水,全球范圍內部分公司正在積極的推進P2G項目,典型的如LG和FuelCell Energy公司,在德國,韋爾特公司使用14.4兆瓦的海上風力發(fā)電為6 MW AEL電解槽供電,制備氫氣,并與二氧化碳合成甲烷。
二、針對上述長時儲能技術進行評價
對不同長時儲能進行進行了對比,主要通過占地面積、部署靈活性、效率、投資成本等幾個方面對不同的長時儲能技術進行了討論。其中部署靈活和占地面積方面,認為抽水蓄能受到的限制較多,另外壓縮空氣儲能技術也存在相關問題。從效率指標來看,鋰離子電池幾乎是最高的,但鋰離子電池功率單元能能量單元解耦比較困難,隨著系統(tǒng)不斷增大,電池熱管理挑戰(zhàn)越來越高,超過一定時間后效率會下降,在季節(jié)性時間尺度上,基于物理的電力存儲技術(如重力和PSH)具有相對較高的效率和低怠速損耗,甚至超越鋰離子電池。其中熱儲能技術,效率取決于絕熱技術,目前項目部署的主要時間尺度有較低,在大多數(shù)熱力系統(tǒng)的估計損失為3–10%每周,關于氫器存儲和運輸在現(xiàn)階段均存在較大的問題,以液氫為例,幾乎每天的蒸發(fā)量可達5%左右。從成本上來,鋰離子電池在4h以下系統(tǒng)中具備較大競爭力,隨著時間的延長,儲熱、重力儲能、抽水蓄能、液流電池的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來。
三、總結
綜合來看,液流電池在長時儲能技術中具備一定的優(yōu)勢,通過提高其利用率即使用頻次能夠顯著提升液流電池技術在長時儲能中經濟性,目前閑置率較低以及初始投資成本較高在一定程度上限制了其應用。在季節(jié)性時間尺度上,短期內主要還是以抽水蓄能為主,其它一些新型重力儲能技術可能有一定的市場份額,另外短期來看儲氫和儲熱不具備經濟價值。