长时储能 未来可期

随着全球电力系统脱碳进程加速，风电、光伏等新能源装机及电量占比不断提高，电力系统对可靠电力支撑的时长需求不断增加。2021年，长时储能开始进入大众视线，并迅速引发技术研究和资本投资的热潮。

1、什么是长时储能？

迄今为止，长时储能还属于新生事物，国内外针对长时储能还没有统一的定义。

2021年1月，美国桑迪亚国家实验室发布的《长时储能简报》（Issue Brief – Long-duration energy storage）认为，长时储能是持续放电时间不低于4小时的储能技术。美国能源部2021年发布支持长时储能的相关报告，把长时储能定义为持续放电时间不低于10小时，且使用寿命在15-20年的储能技术。更有学者在期刊发文，把长时储能定义为跨日至跨季节的储能技术。而为了区别于我国目前大规模建设的2小时储能系统，也有从业人员将4小时及以上的储能技术归为长时储能。

2、为什么要发展长时储能？

解释这个问题，首先要从为什么发展储能说起。 

没有储能的电力系统，就像没有调节水库的径流式水电站，来水发电，没水罢工。这在目前以火电为主的电源结构下游刃有余，因为随用随发的火电能保证“河里始终有水”，电力系统始终有可靠电力支撑。但未来随着双碳战略的深入实施，波动性极大的可再生能源（主要是太阳能和风能）占比提高到一定程度，无风无光的夜晚就会出现电能供不应求。发展配套储能，如同给水电站加装水库，目的是提高电力系统的可靠性。在风电、光伏发电高峰时段消纳新能源电量，并在无风无光时段支撑系统安全运行，真正变成“清洁电量的搬运工”。 

那么，为什么要发展长时储能呢？ 

举个例子，如果水电站调节水库的蓄水量只够放两个小时，那后半夜依然得在黑暗中度过；即使水库蓄水量够用十个小时，我们还得祈祷第二天是晴天或刮风，若是无风的阴天持续两三天，我们就得准备更大的水库，也就是长时储能。

 当然，未来的电力系统也会有风光之外的其他电源，考虑到电源的发电互补特性，再配上适当时长的长时储能，电力系统就变成了完全调节水电站，可保常年无忧。 

麦肯锡预测，到2040年全球范围内将部署850-1400亿千瓦时容量的长时储能。这约等于我国2021年全社会用电量的1.5%，该规模储能若用于供应我国全社会用电负荷，可支撑5-6天。

储能应用于削峰填谷示意图

3、我国使用了哪些长时储能技术？

按照技术类型，长时储能可以分为机械型、电化学型、储热型和化学型。除了化学型储能技术外，其他类型长时储能技术我国均有示范工程建设或投运，为“十四五”期间长时储能技术示范应用奠定基础。

（1）抽水蓄能

抽水蓄能有上下两个水库，储能时用电能抽水至上水库，将电能转换为重力势能；发电时放水至下水库推动水轮机，将重力势能转换为电能。抽水蓄能电站建设规模大、建设周期长，属于电力系统“大型充电宝”。当前抽水蓄能电站单机容量在30-40万千瓦，总装机在30-360万千瓦，储能时长一般4-10小时。如装机容量世界第一的河北丰宁抽水蓄能电站，其总装机360万千瓦，12台机组满发利用小时数为10.8小时。

抽水蓄能示意图

（2）液流电池

液流电池电解液与电堆分别布置，通过正、负极电解液流过电堆时发生可逆化学反应，实现电能与化学能的相互转换。液流电池建设周期较短，可通过调整电堆或电解液容量实现发电功率和储能容量的放大。当前液流电池装机在10-100兆瓦，储能时长一般2-6小时。如大连液流电池调峰电站国家示范项目，其一期总装机100兆瓦，储能时长4小时。

全钒液流电池示意图

（3）熔盐储热

熔盐储热通过加热熔盐实现能量存储，释能时高温熔盐换热产生高温高压蒸汽推动汽轮机发电。熔盐储热建设规模大、使用寿命长，现阶段主要用于光热电站。当前熔盐储热装机在10-100兆瓦，储能时长一般5-15小时。如中国能建投资建设的哈密塔式光热电站，其总装机50兆瓦，熔盐储热时长13小时。

(4)压缩空气储能

压缩空气储能一般借助盐穴或容器储存高压空气，储能时压缩机将空气压缩并储存，将电能转换为空气内能;释能时高压空气推动涡轮机发电，将空气内能转换为电能。压缩空气储能电站建设周期较长，安全性高，属于机械型储能技术，当前压缩空气储能电站装机在10-300兆瓦，储能时长一般4-10小时，如国家示范项目金坛盐穴压缩空气储能电站，其一期总装机60兆瓦，储能时长5小时。

盐穴压缩空气储能示意图

此外，还可以用盐穴或容器来储存氢气，实现跨周甚至跨季节的化学物质储能。

还有哪些脑洞大开的长时储能技术？

很多长时储能前沿技术仍处于中早期研发示范阶段，比如铁-空气电池储能、热岩储能、二氧化碳电池储能、熔融铝储能等。

（1）铁-空气电池储能

铁-空气电池是金属-空气电池的一种，其基本原理是基于铁的可逆氧化（生锈）。当铁-空气电池放电时，空气中的氧气会使铁生锈；当它被充电时，铁锈通过电流的作用被还原为铁。这个过程排放的唯一物质是氧气。发明该技术的美国Form Energy公司声称，采用这种电池的储能系统持续放电时间长达100小时，其成本与现有化石燃料发电厂相当，该公司将在美国明尼苏达建设全球首个1兆瓦/150兆瓦时的铁-空气电池储能系统试点。

（2）热岩储能

丹麦的Stiesdal存储技术公司正在研究将电能以热能的形式储存在石头中的技术，被称为GridScale。GridScale储能由一套或多套装满碎石的钢罐组成。碎石是压碎成豌豆大小的玄武岩，可以承受反复加热。充电和放电是通过一个压缩机和涡轮机系统完成，充电时将装满冷石头的储罐中的热能，泵到装满热石头的储罐中。冷罐里的石头变得更冷，而热罐里则变得更热，温度可达600摄氏度。能量可以在石头中储存很多天，当电网需要电力时，热能通过涡轮机从热罐返回到冷罐，从而产生电力。由于能量损失小，这是一个高效率的储能方案，并可根据所需的储存时间和容量选择储罐的数量。GridScale示范电站将成为丹麦最大的电力储存设施，容量为10兆瓦时。

热岩储能示意图

（3）二氧化碳电池储能

意大利的Energy Dome公司声称其研制的二氧化碳电池能提供快速响应、廉价的电网级储能。其原理类似压缩空气储能系统，发电机把二氧化碳压缩成液体并存储，同时存储压缩气体产生的废热；当需要支援电网时，便以先前存储的废热将液态二氧化碳蒸发，驱动第二组涡轮机发电，二氧化碳气体返回“圆顶”气囊。

二氧化碳电池储能示意图

Energy Dome表示，全尺寸二氧化碳电池容量可达25兆瓦，并存储100～200兆瓦时能量，最佳充电/放电周期为4到24小时，非常适合日常和日间循环；其转换效率达75%，电池使用寿命预计在25年左右，平准化成本（LCOS）可以在几年内低至50～60美元/兆瓦时。Energy Dome将其技术与压缩空气储能(CAES)和液态空气储能(LAES)进行了比较，结论是二氧化碳电池的能量存储密度是CAES的10～30倍，尽管只有LAES的三分之二，但它不需要低温，可以储存在环境温度。

（4）熔融铝储能

瑞典初创公司Azelio的试点技术熔融铝储能，已安装在580兆瓦的摩洛哥Noor Ouarzazate太阳能综合体（510兆瓦的光热和70兆瓦的光伏）项目中。该技术采用一种由再生铝合金制成的相变材料作为储热介质，一种方式是使用电力通过电阻加热器将再生铝加热到600°C，另一种方式是通过聚光太阳能光热系统产生的热量来熔化铝合金，从而将能量以热能的方式储存起来。当需要释能时，合金冷却并重新凝固，释放出的热量使用传热流体输送到斯特林发动机发电。温度为65°C的废热也可以出售给工业用户或当地的区域供热系统。

根据Azelio的说法，当同时使用电力和废热时，该过程具有90%的往返效率;该技术可以实现长达13个小时的电力诸存，可以模块化安装并可以按需提供热量，在炎热或寒冷的气候条件下均可使用，预计系统寿命可达30年。同时，该方案可以从100千瓦扩展到100兆瓦级别，且再生铝存储介质可以一次又一次地重复使用，而不会随着时间的推移降低容量。

总而言之，目前储能的蓝海中正百家争鸣，千帆竞技，长时储能的出路，尚在漫漫而修远的求索中。为了更充足更长久的能源，为了更绿色更从容的未来，人类一直在努力。