第1章?儲能學科基礎

1.1　儲能促進能源可持續發展

1.1.1　儲能技術與產業的重要性

儲能科學與技術是一門具有悠久歷史的工程交叉學科,進入21世紀以來,呈現快速發展的態勢。發展的驅動力主要歸結為全球能源可持續發展的需要,實現可再生清潔能源結構轉型,增強能源安全性,提升能源經濟性。解決能源領域所面臨的問題的4種途徑,即先進能源網絡技術、需求響應技術、靈活產能技術和儲能技術。

在能源革命的驅動下,可再生能源開發利用力度持續加大,接入電網的比例和在終端能源消費的占比將不斷提高。根據國際能源署的研究,為滿足新能源消納需求,預測美國、歐洲、中國和印度到2050年將需要增加310GW的并網電力儲存能力,為此至少需投資3800億美元。麥肯錫的研究則將儲能列為到2025年將產生顛覆性作用、對經濟發生顯著影響的技術,預測市場價值將達0.1萬億~0.6萬億美元。世界許多國際組織和國家把發展儲能作為緩解能源供應矛盾、應對氣候變化的重要措施,并制定了發展戰略,提出了2030年、2050年的明確發展目標和相應的激勵政策。

以電力系統為例,儲能技術的主要功能如圖1?1所示。儲能應用于電網領域,可以提供頻率調整、負載跟蹤、削峰填谷和備用電力等作用。傳統能源的日益匱乏和環境的日趨惡化,極大地促進了新能源的發展,其發電規模也快速攀升。以傳統化石能源為基礎的火電等常規能源通常按照用電需求進行發電、輸電、配電、用電的調度;而以風能、太陽能為基礎的新能源發電取決于自然資源條件,具有波動性和間歇性,其調節控制困難,大規模并網時需要大容量儲能過程,進行電力質量調節與控制[1?3]。

通過大規模導入能源轉化與存儲技術,能夠在很大程度上解決新能源發電的隨機性和波動性問題,使間歇性的、低密度的可再生清潔能源得以廣泛、有效地利用,并且逐步成為經濟上有競爭力的能源。儲能技術的應用將貫穿于電力系統發電、輸電、配電、用電的各個環節,可以緩解高峰負荷供電需求,提高現有電網設備的利用率和電網的運行效率;可以有效應對電網故障的發生,可以提高電能質量和用電效率,滿足經濟社會發展對優質、安全、可靠供電和高效用電的要求;儲能系統的規模化應用還將有效延緩或減少電源和電網建設,提高電網的整體資產利用率,徹底改變現有電力系統的建設模式,促進其從外延擴張型向內涵增效型的轉變[4?6]。

能量雖然可以以機械能、聲能、化學能、電磁能、光能、熱能及核能等多種形式存在,但在人類的活動中,絕大多數能量是需要經過熱能的形式和環節被轉化和利用的,尤其是在我國,這個比例達到90%以上。正因如此,儲熱技術最為簡單和普遍,它的應用也遠遠早于工業革命尤其是電力革命后才出現的其他儲能技術,如我國北方地區的燒炕取暖即是利用儲熱技術解決熱能供求在時間上的不匹配。隨著人類的發展和對能源利用技術的不斷改進,儲熱技術也不斷發展,而且在人們的生產和生活中,在能源的集中供應端和用戶端,都發揮著日益重要的作用。

目前,儲能技術與裝備主要應用在以下技術領域,并逐漸向其他相關領域延伸。

(1)輸電領域

儲能技術在輸電領域的技術需求主要體現在以下兩個方面。①由于電源與負荷的實時波動,電網會有一次調頻的需求,電網調度希望調頻電源能夠快速精確地響應調度下發的出力指令。同時,傳統調頻電源作為旋轉電源由于慣性和控制精度問題,會出現延遲等情況,而且火電機組參與調頻會降低其經濟運行效率,并不是理想選擇。②由于電網的負荷每天周期性波動,自然形成了高峰負荷區與低谷負荷區,需要電力系統配置調峰電源根據負荷變化情況跟隨出力,來維持電力系統電壓和頻率的穩定。電網希望調峰負荷能夠快速根據調度指令及時投入、切出系統,并根據指令快速改變其出力水平。

(2)配電領域

供電可靠性是配電網必須要保證的供電指標,當配網出現故障時,需要有備用電源持續為用戶供電。配電網的電能質量經常受到用電負荷特性的影響,電網希望系統中有可控電源能夠對配電網的電能質量進行治理,消除電壓暫降、諧波等問題。

(3)用戶側儲能

很多電力用戶由于用電負荷的不同特性,對于重要負荷有特殊的供電可靠性要求和電能質量要求:一方面可能是對供電質量有更高要求,另一方面可能是防止負荷向電網回饋諧波等電能質量問題。電動汽車是當前快速發展的特殊用戶,大量的車載電池存量以及為滿足電動汽車快速充電要求設立的儲能充電站,既是電網的負荷,也可以為電網提供儲能服務。通過用戶側儲熱(冷)能源站的建立,可滿足電網用戶側虛擬調峰和棄風棄光電消納的需求,也是解決我國大面積霧霾的主要技術途徑。自從2013年以來,我國大力推廣實施煤改電工程和火電廠靈活性改造,為大容量儲熱(冷)技術提供了巨大的市場空間。

(4)微電網領域

微電網系統要求配備儲能裝置,并要求儲能裝置能夠做到以下幾點:①在離網且分布式電源無法供電的情況下提供短時不間斷供電;②能夠滿足微網調峰需求;③能夠控制和改善微網電能質量;④能夠完成微網系統黑啟動;⑤平衡間歇性、波動性電源的輸出,對電負荷和熱負荷進行有效控制。

(5)應急電源領域

日本福島核電站發生事故后,世界各國對于應急電源的需求日益迫切。災難發生時需要為災難中的人們和重要設備提供電力和熱力,以保證必需的救災、生活用能。

(6)太陽能利用領域

太陽能具有清潔、普遍、巨大和長久的特點,是人類的主要能源之一。太陽能是隨時間變化的不穩定能源,晝夜交替還會造成每日數小時至十多小時的太陽能中斷,太陽能還會受到陰雨天氣和季節變化的影響。為了使太陽能成為連續、穩定的能源,從而最終成為能夠與常規能源相競爭的替代能源,就必須很好地解決蓄能問題。太陽能熱發電、太陽能熱水、太陽能建筑和工業供熱制冷都需要配備大容量的儲熱系統才能使用。

(7)余熱(冷)利用

余熱資源利用率低造成工業能耗高、能源資源浪費問題嚴重,能源生產端和消費端之間的匹配問題制約著余熱資源的利用,發展具有高儲熱密度的儲熱技術,實現余熱資源在空間和時間上的有效調度,將為工業節能提供重要幫助。此外,LNG冷能的高效存儲和利用也對不同品味的儲冷技術提出了相關的要求,以我國2017年LNG進口量3789萬t計算,余冷量可達87億kW·h。