浅析储能技术在能源互联网中的应用

浅析储能技术在能源互联网中的应用

俞胜

（国网电力科学研究院211100）

摘要：本文阐述了能源互联网的特征，介绍了储能技术的分类应用，并且分析了储能技术在能源互联网中发挥的作用。

关键词：能源互联网；储能技术；分类应用

引言

能源互联网是能源产业链的参与者，以及生产、输配、存储、消费等行为达到高度的网络化、自动化和智能交互。可再生能源和分布式能源将实现大量并网，形成分散的能源节点，与集中式的能源站共同支撑起整个能源网。能源节点既是生产者也是消费者，能源流动呈现自发、双向和网络化的特征，在全网范围内实现负载自动平衡。

当前，智能电网、微电网、分布式能源、泛能网等技术为构建能源互联网不断积累技术基础。能源互联网也需要建立类似以太网的多层次拓扑架构，其拓扑架构的节点则是能源路由器。能源路由器作为能源互联网的核心装置，具有能源交互、智能分配、缓冲储能等一系列功能。能源路由器的实现，既离不开电力电子技术的进步，更有赖于大规模储能技术的发展。储能相当于能源互联网中的缓存，是拓扑架构下能源交互的必备条件，虽然大规模储能面临效率、成本、容量等技术问题，但随着电池储能、机械储能、氢气（天然气）储能、深冷储能等在内的一系列储能技术不断取得突破，能源互联网的远景也正在实现。

1能源互联网的特征

能源互联网是一种互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态，具有设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放等主要特征。从物理维度，能源互联网是一个以电力系统为核心，以可再生能源为主要一次能源，与天然气网络等其他系统紧密耦合而形成的复杂多网流系统：

一是以电力为核心。电能作为清洁、优质、高效、便捷的二次能源，随着经济水平的发展，全球电气化水平仍将日益提高，电力在能源供应体系中的地位呈加强趋势。我国电能在终端能源消费比例2020年将达到30%以上。同时，目前清洁能源大多需要转化为电能形式才能够高效利用，以电力为中心也是是低碳能源发展的必然要求。因此，建设能源互联网也是构建以电为中心的新型能源体系。

二是高比例的分布式能源。由于资源分布不均衡的客观存在，规模化能源生产和远距离传输仍是能源互联网中的重要形式。但是，分布式能源供应将达到某个显著的比例以上。分布式能源是指分布在用户端的能源综合利用系统，包括天然气分布式能源、燃料电池、分布式太阳能/风能/生物质发电、电化学储能、电动汽车、热泵等能源设备，实现以直接满足用户多种需求的定制化能源供应系统。分布式能源是能源互联网的基础，改变了现有能源系统（主要为电力）自上而下的传统结构和供需模式。

三是多种能源深度融合。现有电力系统就是一个天然的多种能源融合的系统，其将煤、天然气、水资源、风能、光能、地热、核能等一次能源有机地结合在一起。能源互联网的多种能源融合将更多体现在终端能源领域。在现有能源供应体系下，电、气、冷、热等终端能源之间基本是相互独立的，能源互联网下，各种能量转换和存储设备建立了多种能源的耦合关系，实现了电网、天然气管网、供热供冷网的“互联”。多能源的深度融合实现了能源梯级利用，保障综合能源系统的经济高效和灵活运行。

2储能技术的分类应用

现有的储能系统主要分为五类：机械储能、电气储能、电化学储能、热储能和化学类储能。

2.1机械储能

机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等。

抽水蓄能是指将电网低谷时利用过剩电力作为液态能量媒体的水从地势低的水库抽到地势高的水库，电网峰荷时高地势水库中的水回流到下水库推动水轮机发电机发电，效率一般为75%左右，用于调峰和备用。抽水蓄能选址困难，投资周期大，损耗较高。

压缩空气储能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电量，由电动机带动空气压缩机，将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴，当系统发电量不足时，将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入燃气轮机作功发电。其技术成熟，具有调峰功能，适用于大规模风场。但蓄能效率低，需要大型储气装置、一定的地质条件和依赖燃烧化石燃料。

飞轮储能是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来，需要能量时，飞轮减速运行，将存储的能量释放出来。飞轮储能密度不高、自放电率高，如停止充电，能量在几到几十个小时内就会自行耗尽。只适合于高品质不间断电源等。

2.2电气储能

电气储能包括超级电容储能和超导储能等。

超级电容储能是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电容量。超级电容的充放电过程始终是物理过程，充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保。目前研究的方向是做到面积更小，电容值更大。超级电容的发展很快，和电池相比，其能量密度导致同等重量下储能量相对较低，依赖于新材料的应用，比如石墨烯。

超导储能是利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能的装置。超导储能系统包括超导线圈、低温系统、功率调节系统和监控系统四部分。超导材料开发是超导储能技术的关键，可靠性和经济性的制约，使得超导储能技术的应用受到很大限制。

2.3电化学储能

电化学储能包括铅酸电池储能、锂电池储能、钠硫电池储能、液流电池储能等。

铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。目前在世界上应用广泛，循环寿命长，效率较高，性价比高，常用于电力系统的事故电源或备用电源。但如果深度、快速大功率放电时，可用容量会下降。其能量密度低，寿命短。

锂离子电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。主要应用于便携式的移动设备中，其效率可达95%以上，放电时间可达数小时，循环次数可达5000次或更多，响应快速，是电池中能量最高的实用性电池，目前来说应用的最多。动力锂电池分为三大类：钴酸锂电池、锰酸锂电池和磷酸铁锂电池。

钠硫电池是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。循环周期可达到4500次，放电时间6-7小时，周期往返效率75%，能量密度高，响应时间快。目前在欧美应用于储能电站，主要用于负荷调平，移峰和改善电能质量。因为使用液态钠，运行于高温下，容易燃烧。

液流电池是利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池。电池可以储存长达数小时至数天的能量，容量可达兆瓦级。电池有多个体系，如铁铬体系，锌溴体系、多硫化钠溴体系以及全钒体系。液流电池体积较大；电池对环境温度要求高；价格较贵；系统复杂。

2.4热储能

热储能系统中，热能被储存在隔热容器的媒介中，需要的时候转化回电能，也可直接利用而不再转化回电能。热储能又分为显热储能和潜热储能。热储能储存的热量可以很大，所以可利用在可再生能源发电上。热储能的劣势是要各种高温化学热工质，应用场合比较受限。

2.5化学类储能

化学类储能是利用氢或合成天然气作为二次能源的载体，利用多余的电制氢，可以直接用氢作为能量的载体，也可以将其与二氧化碳反应成为合成天然气（甲烷），氢或者合成天然气除了可用于发电外，还有其他利用方式如交通等。化学类储能全周期效率较低，制氢效率仅40%，合成天然气的效率不到35%。

总体来说，目前电力储能技术研究发展主要还是集中于超级电容和电池（锂电池、液流电池）储能上。材料领域的突破是储能技术提升的关键。

3能源互联网中储能系统的作用

储能技术建立了多种能源之间的耦合关系，是能源互联网构建中不可缺少的组成部分，发挥能量中转、匹配和优化的重要作用：

一是保障可再生能源发电接入电网的安全稳定运行。目前，可再生能源发电处于快速增长阶段，大规模波动性及间歇性可再生能源发电的接入使得电源侧的不确定性增加，加大了电网功率不平衡造成的风险。针对大规模可再生能源发电的接入，一方面通过储能技术与可再生能源发电的联合，减少其随机性并提高其可调性；另一方面通过电网侧的储能应用增强电网对可再生能源发电的适应性。

二是提高多种能源系统的灵活性和可调性。能源互联网中存在多种能量流的相互耦合和影响，在支撑多能源系统的灵活性和可靠性方面，需要储能弱化多种能源间的强相关和紧密耦合关系。

三是提供能源交易的可能性和双向性。在能源互联网中，传统的能源交易模式将发生变革，能源的生产者和消费者都将参与到市场竞争中，且生产者和消费者作为交易主体，其角色可相互转换。对于大型的能源供应商，利用大规模储能的“库存”能力，影响市场价格的变动，促进了资源的合理分配和布局。同时，分布式储能赋予了用户自由选择参与或退出市场的权利，储能的存在还提供了用户参与能源交易的可能性。

清洁能源正在加快发展和利用，储能技术是保障清洁能源大规模发展和电网安全经济运行的关键。储能技术可以使得电力实时平衡的“刚性”电力系统变得更加“柔性”，特别是平抑大规模清洁能源的发电接入电网带来的波动性，提高电网运行安全性、经济性和灵活性。

结语：

本文结合各类储能技术应用和能源互联网的物理特征，对储能系统在能源互联网中的作用进行了浅析。储能系统对于能源互联网发展的应用主要体现在以下几个方面。（1）储能系统是智能电网实现能量双向互动的重要环节，是实现能源互联网的重要支撑。（2）储能系统是平抑、稳定风能、太阳能等间歇式可再生能源发电接入，提高电网接纳间歇式可再生能源能力的重要保障。（3）储能系统可以调节峰谷差，提高设备利用率，使电网企业在调峰和供电压力得到缓解的同时，可获取更多的高峰负荷收益。（4）储能系统能提高电网安全可靠性和电能质量，减少因各种暂态电能质量问题造成的损失。（5）储能系统有助于多种能源系统的互联互通。充分发挥各个系统的特点，实现各系统间的优势互补，提高整体的能源利用效率。

参考文献：

[1]朱永强，郝嘉诚，赵娜，王欣.能源互联网中的储能需求、储能的功能和作用方式[J].电工电能新技术，2018，37（02）：68-75.

[2]李建林，修晓青.能源互联网中储能系统发展趋势分析[J].电气应用，2016，35（16）：18-23.

[3]陈永翀，李爱晶，刘丹丹，张萍.储能技术在能源互联网系统中应用与发展展望[J].电器与能效管理技术，2015（24）：39-44.

[4]李建林，田立亭，来小康.能源互联网背景下的电力储能技术展望[J].电力系统自动化，2015，39（23）：15-25.

作者简介：

俞胜（1974-），男，硕士，高级工程师，主要研究方向包括智能电网、电力系统运行与规划、电力市场等.