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文章亮点：
1. 全面综述了电化学、电气和热储能等主要固定式储能技术在大规模可再生能源并网中的特性和应用潜力。
2. 分析了不同储能技术的技术成熟度、环境影响和经济性,并探讨了混合储能系统的发展前景。
2022年2月,Renewable and Sustainable Energy Reviews期刊发表了一篇题为"A comprehensive review of stationary energy storage devices for large scale renewable energy sources grid integration"的综述论文。该文全面总结了固定式储能设备在大规模可再生能源并网中的应用现状和发展趋势,重点分析了电化学、电气和热储能技术的特性和应用潜力。文章通过对比不同储能技术的功率密度、能量密度、放电时间、技术成熟度、环境影响和经济性等方面,为选择适合特定应用的储能技术提供了重要参考。
随着全球能源需求增长和环境问题日益突出,可再生能源的快速发展成为能源领域的重要趋势。然而,可再生能源的间歇性和波动性给电网带来了新的挑战。为了更好地实现可再生能源并网,储能技术成为提高绿色能源利用效率的关键。
本文对大规模可再生能源并网中的固定式储能技术进行了全面综述,分析了各类储能技术的特点、应用潜力及发展趋势。主要内容包括:
(1) 介绍储能技术在可再生能源并网中的作用。
(2) 对电化学、电气和热储能等主要储能技术的特征进行分析和对比。
(3) 评估不同储能技术在大规模可再生能源并网中的适用性。
(4) 探讨混合储能系统的发展前景。
(5) 分析储能技术的未来发展趋势。
储能技术概述
储能技术按照能量存储形式可分为电化学储能、电气储能、热储能、化学储能和机械储能五大类。本文主要聚焦于电化学、电气和热储能技术。
电化学储能包括锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池、镍镉电池、钠镍氯电池和液流电池等。其中锂离子电池因其高能量密度和功率密度而备受关注。
电气储能主要包括电容器、超导磁储能(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)和超级电容器。这些技术具有快速响应的特点,适用于电能质量改善等应用场景。
热储能技术则包括显热储能(Sensible Thermal Energy Storage, STES)、潜热相变材料储能(Phase Change Material, PCM)和热化学储能(Thermochemical Storage, TCS)等,可用于季节性储能和大规模能量存储。
表2提供了目前已安装在电网中的各种储能技术的概况,包括其用途、已安装的能量容量和功率容量。从表中可以看出,电化学储能技术,特别是锂离子电池,在现有储能系统中占据重要地位。同时,一些新兴技术如固态电池、金属空气电池等也正在研发中,有望在未来发挥重要作用。
主要储能技术特性分析
3.1 电化学储能技术
电化学储能是目前应用最广泛的储能技术之一。以下对几种主要电化学储能技术的特性进行详细分析:
(1) 锂离子电池
锂离子电池具有高能量密度(75-250 Wh/kg)和高功率密度(150-315 W/kg),循环效率高达85-95%,使用寿命5-15年,自放电率低(0.1-0.3%/天)。这些特性使其成为轻量化应用的首选。
(2) 铅酸电池
铅酸电池能量密度为30-50 Wh/kg,功率密度为75-300 W/kg,循环效率70-80%,使用寿命5-15年,自放电率0.1-0.3%/天。其成本较低,适合固定式应用。虽然铅酸电池在性能上不如锂离子电池,但由于其成本优势,仍在某些应用领域占有一席之地。
(3) 钠硫电池
钠硫电池能量密度为150-240 Wh/kg,功率密度为150-230 W/kg,循环效率80-90%,使用寿命15年,几乎无自放电。其高能量密度使其适合大规模储能应用。钠硫电池的一个显著特点是其高温工作特性,这既是优势也是挑战。
(4) 液流电池
液流电池(包括多硫化溴液流电池、全钒氧化还原液流电池和锌溴液流电池)能量密度为10-35 Wh/kg,功率密度为100-166 W/kg,循环效率65-85%,使用寿命15年,自放电率接近零。其优势在于可独立调节功率和容量,这使得液流电池在大规模储能应用中具有独特优势。
表3提供了这些电化学储能技术的详细技术参数比较,包括比能量、比功率、循环效率、使用寿命和日自放电率等。
3.2 电气储能技术
(1) 超导磁储能(SMES)
SMES的功率密度可达4000 W/L,比功率为500-2000 W/kg,使用寿命超过20年。其优点是效率高、功率密度大,但成本高、环境影响大。SMES技术目前主要应用于短期储能和电能质量改善领域。
(2) 电容器和超级电容器
电容器具有快速充放电特性,功率范围为200 kW到数MW,能量为0.007-数kWh,使用寿命40年,效率60-70%,能量密度0.07 Wh/kg。
超级电容器功率可达数MW,能量为数kWh,循环寿命可达10^6次,室温下使用寿命10年,效率95-98%,能量密度4-7 Wh/kg。其优势在于长循环寿命和高效率。超级电容器在电动汽车启停系统和电网频率调节等领域有广泛应用。
3.3 热储能技术
热储能技术包括显热储能(STES)、潜热相变材料储能(PCM)和热化学储能(TCS)。其功率范围从0.001到10 MW,能量范围80-250 kWh/t,放电时间可达数天,循环寿命无限,响应时间数秒,效率30-60%。
熔盐储能是目前最成熟的热储能技术,可实现高达570°C的工作温度。热储能的主要优势是自放电率低,但循环效率较低。热储能技术在可再生能源并网、工业余热利用和建筑节能等领域有广泛应用前景。
表4提供了这些储能技术的能量密度、功率密度、功率范围、放电时间和响应时间等关键参数的详细比较。
储能技术的应用潜力分析
4.1 功率和能量密度分析
从功率密度和能量密度的角度分析,超级电容器、SMES和飞轮储能具有较高的功率密度,适用于需要快速响应的应用场景。而锂离子电池、钠硫电池等电化学储能以及热储能技术则具有较高的能量密度,适合大规模能量存储应用。
值得注意的是,锂离子电池在功率密度和能量密度方面都表现出色,这使其成为各种应用场景的理想选择,包括便携设备、电动汽车和固定式储能系统。
4.2 放电时间和功率范围分析
从放电时间和功率范围来看,压缩空气储能(CAES)和抽水蓄能(PHS)等机械储能技术具有较长的放电时间和较大的功率范围,适合大规模、长时间的储能应用。这些技术在平衡电网供需、调峰填谷等方面发挥着重要作用。
而超级电容器、飞轮储能和SMES的放电时间短、功率范围小,更适合电能质量改善等短时应用。这些技术可以快速响应电网的瞬时功率需求,有效提高电网的稳定性和可靠性。
电化学储能技术,如锂离子电池和液流电池,在放电时间和功率范围方面表现出一定的灵活性。
4.3 技术成熟度和环境影响分析
在技术成熟度方面,铅酸电池、镍氢电池、PHS和镍镉电池已经完全商业化,成熟度最高。这些技术已经在实际应用中得到了广泛验证,具有可靠的性能和稳定的市场。
而TCS、多硫化溴液流电池和锌溴液流电池仍处于开发/验证阶段。这些新兴技术虽然还不够成熟,但都具有独特的优势,未来发展潜力巨大。
从环境影响来看,铅酸电池、钠硫电池、镍镉电池、镍氢电池和PHS对环境的不利影响较大,主要体现在制造过程中的能耗和污染,以及使用寿命结束后的回收处理问题。
相比之下,STES、超级电容器和飞轮储能的环境影响较小。这些技术在制造和使用过程中产生的污染较少,且大多数材料可以回收利用。未来,随着环保要求的日益严格,环境友好型储能技术将受到更多关注。
4.4 经济性分析
在资本成本方面,铅酸电池、PCM、TCS和钠镍氯电池的单位千瓦时成本较低。这些技术在初始投资方面具有优势,适合对成本敏感的应用场景。
而SMES、STES和飞轮储能的单位千瓦时成本较高。这些技术虽然在性能方面有独特优势,但高昂的成本限制了其广泛应用。未来,随着技术进步和规模效应,这些技术的成本有望降低。
在运营和维护成本方面,钠硫电池和铅酸电池的成本较高,主要是由于它们需要定期维护和更换。而锂离子电池的运营和维护成本最低,这是其在多个应用领域占据主导地位的重要原因之一。
值得注意的是,储能技术的经济性不仅取决于成本,还与其性能、寿命和应用场景密切相关。在进行经济性评估时,需要综合考虑这些因素。
混合储能系统的发展前景
单一储能技术难以满足所有应用场景的需求。因此,混合储能系统成为一个重要的研究方向。混合储能系统通过结合不同储能技术的优势,可以实现更好的性能和经济性。
例如,电气储能设备(如超级电容器)与电化学储能设备(如锂离子电池)的混合系统可以同时满足高功率和高能量密度的需求。这种系统可以在电网中发挥多重作用,如电压控制、频率调节和可再生能源并网支持等。
混合储能系统的设计需要考虑多个因素,包括技术兼容性、控制策略、经济性和系统复杂度等。
未来发展趋势
储能技术的未来发展主要集中在以下几个方面:
(1) 新型电池技术:如锂硫电池、金属空气电池、固态电池等,有望进一步提高能量密度和安全性。这些新型电池技术有望突破当前锂离子电池的性能极限,为电动汽车和大规模储能提供更好的解决方案。
(2) 液流电池:通过开发新材料和优化系统设计,提高能量密度和效率。液流电池在大规模、长时间储能应用中具有独特优势,未来有望在可再生能源并网和电网调峰等领域发挥重要作用。
(3) 热储能:重点研究新材料和拓扑结构,提高比能量和热绝缘性能。热储能技术在工业余热利用、建筑节能和可再生能源并网等领域有广阔的应用前景。
(4) 混合超级电容器:结合电池和超级电容器的优势,提供更高的能量密度和功率密度。这种新型储能设备有望在电动汽车和电网辅助服务等领域找到应用。
(5) 电热储能(Electric Thermal Energy Storage, ETES):这是一种新兴技术,有望实现大规模储能。
表7和表8分别展示了不同储能技术在可再生能源并网应用中的要求和潜力，为选择适合特定应用的储能技术提供了重要参考。
结论
储能技术是实现可再生能源大规模并网的关键。本文对主要储能技术进行了全面分析,得出以下结论:
(1) 电化学储能,特别是锂离子电池,因其高能量密度、高功率密度和低环境影响,成为目前最具潜力的储能技术。锂离子电池在便携设备、电动汽车和固定式储能系统中都有广泛应用。然而,资源限制和回收问题仍是需要解决的挑战。
(2) 电气储能技术如超级电容器和SMES,适用于需要快速响应的应用场景,如电能质量改善和频率调节。这些技术在提高电网稳定性和可靠性方面发挥着重要作用。
(3) 热储能技术在大规模、长时间储能方面具有优势。特别是在可再生能源并网和季节性储能方面,热储能技术有望发挥重要作用。未来,随着新材料和新工艺的发展,热储能技术的性能和经济性有望进一步提升。
(4) 混合储能系统通过结合不同技术的优势,可以更好地满足各种应用需求。例如,结合超级电容器和锂离子电池的混合系统可以同时满足高功率和高能量密度的需求。未来,混合储能系统的优化设计和智能控制将成为研究热点。
(5) 未来储能技术的发展将聚焦于提高能量密度、降低成本、延长使用寿命和改善环境友好性。新型电池技术、智能化管理和环保材料将是未来研究的重点方向。
