隨著全球電力系統(tǒng)脫碳進程加快，風電、光伏等新能源裝機容量和用電比例不斷提高，電力系統(tǒng)對可靠電力支持的需求不斷增加。近年來，長期儲能開始進入公眾視線，并迅速引發(fā)了技術(shù)研究和資本投資的熱潮。

 

什么是長期儲能？

到目前為止，長期儲能仍然是一個新事物，全球范圍內(nèi)對長期儲能還沒有統(tǒng)一的定義。近年來，長期儲能開始進入公眾視線，并迅速引發(fā)了技術(shù)研究和資本投資的熱潮。，美國桑迪亞國家實驗室發(fā)布的《問題簡報——長期儲能》認為，長期儲能是一種連續(xù)放電時間不少于4小時的儲能技術(shù)。

最近兩年，美國能源部將發(fā)布一份關(guān)于支持長期儲能的報告，該報告將長期儲能定義為連續(xù)放電時間不少于10小時、使用壽命為15-20年的儲能技術(shù)。越來越多的學者在期刊上發(fā)表文章，將長期儲能定義為從一天到一季的儲能技術(shù)。為了區(qū)別于目前國內(nèi)正在大規(guī)模建設(shè)的2小時儲能系統(tǒng)，一些從業(yè)者還將4小時及以上的儲能技術(shù)歸類為長期儲能。

 

為什么要開發(fā)長期儲能？

對于這個問題，我們必須首先從為什么要發(fā)展儲能說起。沒有儲能的電力系統(tǒng)是相對不穩(wěn)定的。但目前，以火電為主的電力系統(tǒng)仍有可靠的電力支持，因為按需發(fā)電的火電保證了電力系統(tǒng)的運行。然而，隨著未來二氧化碳減排政策的深入實施，高揮發(fā)性可再生能源（主要是太陽能和風能）的比例將在一定程度上增加，在沒有風和光的夜晚電力將短缺。

為了提高電力系統(tǒng)的可靠性，開發(fā)配套儲能勢在必行。那么，為什么要發(fā)展長期儲能呢？例如，如果水電站只調(diào)節(jié)水庫的蓄水量兩個小時，那么后半夜仍將在黑暗中度過；即使水庫的蓄水量足夠十個小時，我們也要祈禱第二天會是晴天?；蛘吖物L，如果無風的陰天持續(xù)兩三天，我們就得準備一個更大的水庫，也就是長期儲能。當然，未來的電力系統(tǒng)也將擁有除風能以外的其他電源?？紤]到發(fā)電的互補性，再加上適當持續(xù)時間的長期儲能，電力系統(tǒng)將成為一個全調(diào)節(jié)的水電站，全年無憂。

 

 

中國使用哪些長期儲能技術(shù)？

根據(jù)技術(shù)類型，長期儲能可分為機械儲能、電化學儲能、熱儲能和化學儲能。接下來，我們將介紹幾種中國常用的長期儲能技術(shù)，即抽水蓄能、液流電池、熔鹽儲能和壓縮空氣儲能。

 

抽水蓄能

抽水蓄能有兩個水庫，上水庫和下水庫。為了儲能，水通過電能被泵送到上層水庫，電能被轉(zhuǎn)化為重力勢能；為了發(fā)電，水被釋放到下水庫以驅(qū)動渦輪機，重力勢能被轉(zhuǎn)換為電能。抽水蓄能電站建設(shè)規(guī)模大、建設(shè)周期長，但能夠為電力系統(tǒng)提供更多的能源。目前，抽水蓄能電站單機容量在30萬至40萬千瓦之間，總裝機容量為30萬至36萬千瓦，蓄水時間一般為4-10小時。

 

 

液流電池

液流電池是指將電解質(zhì)和電堆分開放置，正負電解質(zhì)流經(jīng)電堆時發(fā)生可逆化學反應(yīng)，實現(xiàn)電能和化學能的相互轉(zhuǎn)換。液流電池的構(gòu)建周期短，通過調(diào)整電池組或電解質(zhì)的容量，可以放大發(fā)電和儲能能力。液流電池目前裝機容量為10-100MW，儲能時間一般為2-6小時。

 

熔鹽儲熱

熔鹽儲熱通過加熱熔鹽來實現(xiàn)儲能。在能量釋放過程中，高溫熔鹽熱交換產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電。熔鹽儲能規(guī)模大、使用壽命長，現(xiàn)階段主要用于CSP發(fā)電廠。目前熔鹽庫裝機容量為10-100MW，儲存時間一般為5-15小時。

 

 

壓縮空氣長期儲能

壓縮空氣的長期儲能通常使用鹽穴或容器來儲存高壓空氣。在儲能過程中，壓縮機壓縮并儲存空氣，將電能轉(zhuǎn)換為內(nèi)部空氣能；在釋放能量時，高壓空氣驅(qū)動渦輪機發(fā)電，將內(nèi)部空氣能量轉(zhuǎn)化為電能。壓縮空氣長期儲能電站建設(shè)周期長、安全性高，屬于機械長期儲能技術(shù)。目前，壓縮空氣儲能電站裝機容量為10-300兆瓦，儲能時間一般為4-10小時。此外，鹽穴或容器可用于儲存氫氣，以實現(xiàn)數(shù)周甚至數(shù)季的化學儲能。

 

還有哪些奇怪的長期儲能技術(shù)？

許多長期儲能的前沿技術(shù)仍處于研發(fā)和示范的早期階段，如鐵-空氣電池儲能、熱巖儲能、二氧化碳電池儲能和熔融鋁儲能等。

 

鐵-空氣電池的長期儲能

鐵-空氣電池是一種金屬-空氣電池，其基本原理是基于鐵的可逆氧化（生銹）。當鐵-空氣電池放電時，空氣中的氧氣會導(dǎo)致鐵生銹；當它充電時，在電流的作用下，鐵銹會變成鐵。這個過程唯一釋放的物質(zhì)是氧氣。發(fā)明這項技術(shù)的Form Energy公司聲稱，使用電池的儲能系統(tǒng)可以持續(xù)100小時的放電，其成本與現(xiàn)有的化石燃料發(fā)電廠相當。

 

熱巖長期儲能

這家存儲技術(shù)公司正在研究一種將電能以熱量的形式存儲在石頭中的技術(shù)，稱為GridScale。GridScale儲能器由一組或多組裝滿碎石的鋼罐組成。碎石是被壓碎到豌豆大小的玄武巖，可以承受反復(fù)加熱。充放電是通過壓縮機和渦輪機系統(tǒng)完成的，該系統(tǒng)將熱能從裝滿冷石頭的水箱泵入裝滿熱石頭的水箱。冷罐子里的石頭會變冷，而熱罐子會變熱，溫度高達600攝氏度。

能量可以在石頭中儲存很多天，當電網(wǎng)需要電力時，熱能通過渦輪機從熱罐返回到冷罐，產(chǎn)生電力。由于能量損失低，這是一種高效的長期儲能解決方案，并且可以根據(jù)所需的儲存時間和容量選擇儲罐的數(shù)量。

 

 

二氧化碳電池的長期儲能

意大利能源巨蛋公司聲稱，其二氧化碳電池可以提供快速響應(yīng)、廉價的電網(wǎng)級儲能。其原理類似于壓縮空氣長期儲能系統(tǒng)。發(fā)生器將二氧化碳壓縮成液體并儲存，并儲存壓縮氣體產(chǎn)生的廢熱；當它需要支撐電網(wǎng)時，液態(tài)二氧化碳與之前儲存的廢熱一起蒸發(fā)，以驅(qū)動第二組渦輪機。發(fā)電后，二氧化碳氣體返回安全氣囊。

據(jù)Energy Dome介紹，全尺寸二氧化碳電池的容量高達25兆瓦，可儲存100至200兆瓦時的能量，最佳充電/放電周期為4至24小時，是日常和日間循環(huán)的理想選擇；其轉(zhuǎn)換效率達到75%，電池壽命預(yù)計在25年左右，幾年內(nèi)平準化成本（LCOS）可低至50-60美元/MWh。Energy Dome將其技術(shù)與壓縮空氣儲能（CAES）和液體空氣儲能器（LAES）進行了比較，得出結(jié)論認為二氧化碳電池的儲能密度是CAES的10到30倍，盡管只有LAES的三分之二，但它不需要低溫，可以在環(huán)境溫度下儲存。

 

熔融鋁的長期儲能

瑞典公司Azelio的實驗技術(shù)，即熔融鋁的長期儲能，已安裝在摩洛哥一個580兆瓦的太陽能發(fā)電廠（510兆瓦CSP和70兆瓦PV）。該技術(shù)使用由回收鋁合金制成的相變材料作為儲熱介質(zhì)，一種方法是通過電阻加熱器將回收鋁加熱到600°C，另一種方法使用集中太陽能熱系統(tǒng)，利用系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量熔化鋁合金，從而將能量儲存為熱量。當能量需要釋放時，合金冷卻并重新凝固，釋放的熱量被輸送到發(fā)動機，利用導(dǎo)熱油發(fā)電。溫度為65°C的廢熱也可以出售給工業(yè)用戶或當?shù)氐膮^(qū)域供暖系統(tǒng)。

 

 

熔融鋁長期儲能系統(tǒng)根據(jù)Azelio的說法，當同時使用電力和廢熱時，該過程的往返效率為90%；該技術(shù)可實現(xiàn)長達13小時的電力存儲，可模塊化安裝，可在炎熱或寒冷的天氣中按需提供熱量。它可在所有氣候條件下使用，系統(tǒng)壽命預(yù)計可達30年。

同時，該方案的規(guī)?？梢詮?00千瓦擴大到100兆瓦；并且回收的鋁存儲介質(zhì)可以一次又一次地重復(fù)使用，而不會隨著時間的推移而降低容量?？傊絹碓蕉嗟墓菊诩尤腴L期儲能技術(shù)研發(fā)和競爭的道路。然而，長期儲能的未來仍需要不斷的探索和研究。