长时储能技术路线及在新型电力系统中的应用研究

执行摘要 长新时型储电能力技系术统路中线的及应在用 THELONG-DURATIONENERGYSTORAGETECHNOLOGYPATHWAYSANDTHEIRAPPLICATIONSINNEW ELECTRICITYSYSTEM ExecutiveSummary 2024.12 编写单位：中关村储能产业技术联盟 中关村储能产业技术联盟（CHINAENERGYSTORAGEALLIANCE，简称CNESA）成立于2010年3月，是中国最早的专注于储能领域的非营利性行业社团组织，被北京市民政局评定为中国社会组织5A级社团。截至2023年底有630+家会员单位和数百家合作单位，覆盖重点研究院所、电网企业、发电企业、电池厂商和储能系统集成商等各个领域。CNESA致力于推进我国储能政策制定和实施、促进储能产业商业化发展、加强储能关键技术研发，推动我国储能产业与技术的健康、有序发展。 编写人： 李晨飞、岳芬、孙佳为、宁娜 支持单位：美国环保协会（EDF）北京代表处 本研究立足长时储能，通过对长时储能定义、长时储能在新型电力系统中的作用以及长时储能成本下降潜力的研究分析，总结长时储能发展面临的挑战，并提出相关建议，以期支撑大规模可再生能源并网及消纳，助力中国“碳达峰、碳中和”目标实现。鉴于编写者能力有限，编写中难免有疏漏和不足，望业内专家批评指正。 1 目录 一、长时储能定义2 二、长时储能技术多元化发展4 1.抽水蓄能5 2.压缩空气储能6 3.重力储能7 4.液流电池8 5.储热9 6.氢储能9 三、长时储能成本下降潜力较大11 1.各类技术性能对比12 2.各类技术全生命周期成本预测12 四、长时储能将在新型电力系统中发挥重要作用13 1.长时储能在新型电力系统中的应用14 2.长时储能市场空间展望15 五、新型电力系统背景下的长时储能发展建议16 1.制定长时储能技术路线图17 2.促进新型长时储能技术攻关17 3.推动试点示范项目建设18 4.促进长时储能商业化进程19 5.加强长时储能知识产权保护19 6.加快长时储能标准体系建设20 7.完善政策机制保障体系20 长时储能技术路线及在新型电力系统中的应用执行摘要 中关村储能产业技术联盟|EDF美国环保协会北京代表处 第一章 2 长定时义储能 3 长时储能尚处于发展早期阶段，仅有少数国家明确了长时储能定义。 表1|不同国家对长时储能的界定 美国 澳大利亚 韩国 中国 •跨日长时储能：10-36小时•多能日：/周长时储 36-160小时 •季小节时性储能：160+ •日小内时长时储能：12-24 •多日长时储能：24-100小时 •小季时节性储能：100+ •长以时上储能：4小时 •暂无 来源：CNESA收集整理 下能 本课题基于我国可再生能源和电力系统的发展，将适合我国国情的长时储能定义为：在额定功率够实现持续放电4小时及以上，或者数天、数月的大规模低成本储能技术。 具体地，根据我国新型能源系统的发展阶段和灵活性储能的总体需求，长时储能技术又可以分为： （1）中长时储能，主要是指在额定功率下持续运行（放电）4-10小时的储能系统； （2）长时储能，主要是指在额定功率下持续运行（放电）10小时到1周的储能系统； （3）超长时储能，主要是指在额定功率下持续运行（放电）1周以上的储能系统。 能是 为新 用场 长时储能技术种类多样，包括物理长时储能、电化学长时储能、储热（蓄冷）和化学长时储能。新型储指除抽水蓄能外，以输出电力为主要形式的储能技术。因此除抽水蓄能外，其他长时储能技术可统称型长时储能技术。由于新型储能以输出电力为主要形式，因此电能转化为热能或氢能的单向技术应景，一般不列为新型长时储能。 图1|长时储能技术分类 来源：CNESA 长时储能 物理长时储能 电化学长时储能 储热（蓄冷）化学长时储能 压缩空气储能重力储能 液流电池 抽水蓄能 金属空气电池 显热储热（蓄冷） 潜热储热（蓄冷）化学储热（蓄冷） 氢储能 长时储能技术路线及在新型电力系统中的应用执行摘要 中关村储能产业技术联盟|EDF美国环保协会北京代表处 第二章 4 长多时元储化能发技展术 一、抽水蓄能 抽水蓄能电站由上水库、下水库、输水道、厂房及开关站等部分组成。抽水工况下，电网中的电能驱动电动发电机旋转，带动水泵水轮机把下水库的水抽至上水库，将电网中的电能以水势能的形式储存起来；发电工况下，上水库的水流向下水库推动水泵水轮机旋转，带动电动发电机发电并向电网传输，将水的势能转换为电能。 抽水蓄能根据技术类型、开发形式和电站规模可分为不同类型，目前主要为定速的大型抽水蓄能电站，目前主要研究方向为对电网更为友好的变速抽水蓄能，此外，随着大型抽水蓄能电站站址资源减少，中小型抽水蓄能电站逐渐增多。 图2|抽水蓄能技术分类 定速抽水蓄能 变速抽水蓄能 分钟级响应 抽水蓄能 技术类型 开发形式 大型抽水蓄能 水且装库机总容库量容13亿0万立千方瓦米以以下下 中小型抽水蓄能 电站规模 额定输入功率 百毫秒级响应 宽负荷功率调节 纯抽水蓄能电站 混合式抽水蓄能电站 水量来自于上/下水库 投资较大 结合常规水电站新建/改建投资小 增加常规水电调峰能力 来源：CNESA 二、压缩空气储能 压缩空气储能是指利用压缩机将低谷电、不稳定的新能源弃电等电能转化为空气介质压力内能和储热介质的内能，并分别存储于储气单元和储热单元中，在用电需求高峰时释放高压空气经透平膨胀做功后发电的一种储能方式。压缩空气储能系统主要包括压缩子系统、储气子系统、膨胀发电子系统和蓄热换热子系统等，其主要设备包括压缩机、透平膨胀机、储气装置、电动机、发电机、控制系统和辅助设备等，其中压缩机和透平膨胀机是最主要的核心部件。 压缩空气储能包括传统补燃压缩空气储能、绝热压缩空气储能、蓄热式压缩空气储能、液态空气储能、等温压缩空气储能、空气压缩至超临界状态及恒压压缩空气储能等。目前大规模工程应用主要为蓄热式压缩空气储能，液态空气储能、等温压缩空气储能、恒压压缩空气储能等压缩空气储能技术也受到广泛关注。 与燃气轮机电站配套使用 效率较低 图3|压缩空气储能技术分类 压缩空气储能 传统压缩空气 压并储缩存过压程缩结热束后通过换热介质吸收 绝热压缩空气 压缩过程中级间换热及储热 蓄热式压缩空气 空气压缩至超临界状态来存储 空气压缩至超临界状态 压缩空气降温液化进行存储 液态压缩空气 压缩和膨胀过程无限接近于恒温 等温压缩空气 将压压特缩性保空气持存储储气在压水力下恒，定利用水的静 恒压压缩空气 来源：CNESA 三、重力储能 重力储能原理与抽水蓄能类似，主要是将固体重物通过物理升降牵引发电设施，实现储电放电。储能载体可以是石头、沙子或其他密度较大且容易就地取材的物体，建造地点可以是天然的山体、矿井，也可以是自建塔架、地下洞穴等。重力储能存储和释放能量的多少，与落差高度、坡度、重物质量等有关。 重力储能主要有重力储能塔、地下竖井重力储能、山地重力储能、活塞水泵等。百兆瓦时级重力储能塔示范项目已经投运，但成本较高。 图4|重力储能技术分类 效率较高 投资成本高 建设构筑物 重力储能塔 来源：CNESA 地下竖井重力储能 重力储能 通过水来形成液位差 适用于中小功率 依托废弃矿井或新建矿井 垂直升降重物 活塞水泵 选址受限 原理简单、易行 山地重力储能 四、液流电池 液流电池是一种正、负极活性物质均为液体的电化学电池，其液态活性物质既为电极活性材料，又为电解质溶液，分别储存在独立的储液罐中，通过外接管路和流体泵使电解质溶液流入电池堆内进行反应。 根据电极活性物质的不同，液流电池可以分为全钒液流电池、锌溴液流电池、铁铬液流电池等技术。百兆瓦级全钒液流电池示范项目已经投运，但成本较高，一些机构正在开发锌溴液流电池、铁铬液流电池等新型液流电池技术。 液流电池 锌溴 铁铬 全钒 正负极电解液相同 正负极电解液相同 技术成熟 图5|液流电池技术分类 运行温度较高（约60°C） 存在交叉污染、自放电、析氢等问题 锌枝晶、自放电、容量和功率无法完全解耦 来源：CNESA 五、储热 储热技术是将太阳能光热、地热、工业余热、低品位废热等储存起来，在需要的时候释放，以解决由于时间、空间或强度的热能供给与需求间不匹配所带来的问题。在电力领域，主要指电到电的储热技术。 根据储热的原理，可以将储热技术分成显热、潜热和热化学三种形式，目前较为成熟的是热水、熔融盐、耐火砖等储热技术。储热技术已经广泛应用于火电灵活性改造、光热发电、风光+储热、用户侧供热 （或蒸汽）、跨季储热、深冷储冷等领域。 图6|储热技术分类 低温显热（<100°C）水、土壤、砂石及岩石等 显热 中高温显热（120~800°C） 导热油、熔融盐、混凝土、蜂窝陶瓷、耐火砖等 深冷储冷岩石等固体蓄冷材料 低温相变材料 储热（蓄冷） 潜热聚和盐乙等二醇、石蜡和脂肪酸等有机物，以及冰和无机水 热化学 中高温相变材料无机盐、金属和合金等 化学循环反应钙循环、水合盐循环等 来源：CNESA 六、氢储能 吸收反应热源驱动的热泵、浓缩制冷剂等 氢储能是一种化学储能，可以实现大规模、长周期、跨地域储能，主要包括制氢、氢储运和氢利用三个环节。本文氢储能主要是指可再生能源生产的清洁氢，在可再生能源大发时通过电解水制氢促进可再生能源消纳，并在电网需要时向电网供电。 电解水制氢技术是在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气，技术路线有碱性电解槽（AE）、质子交换膜电解槽（PEM）和固体氧化物电解槽（SOE）等。氢储运的技术路线有气态储氢、液态储氢、固态储氢、氨（醇）储氢和地下储氢等。在电力领域，氢能主要通过氢燃气轮机、氢内燃机和氢燃料电池发电。 图7|氢储能技术分类 氢储能 来源：CNESA 制氢 氢储运 氢利用 AE（碱性电解槽） PEM（质子交换膜电解槽） SOE（固体氧化物电解槽） 气态储氢 液态储氢 固态储氢 氨（甲醇）储氢 地下储氢 氢燃汽轮机 氢内燃机 氢燃料电池 技术成熟、成本低、已大规模应用 电能消耗较大、需要稳定电源、动态响应速度慢响应速度快、易于实现与可再生能源结合设备成本较高、核心部件未完全国产化 高温电解能耗低、具有可逆性 高温易腐蚀、技术不成熟 技术成熟、成本较低、能耗低、充放氢速度快储氢密度小、存在泄漏和容器爆破风险 能量密度大、加注时间短 成一定本安高全、制风冷险能耗大、绝热要求高、存在安全性好、体积密度大、可快速充放氢 成本高、质量密度低、充放氢效率低 储氢密度大、稳定性高、安全性好、运输便利成本较高、能耗大、氢气纯度不高 储能容量大、储存时间长、储能成本低储氢效率相对较低、前期投资较大、选址受限输出功率大、可与天然气混合 3机0系%统以进上行含改氢装燃，料存需在要技对术天难然点气燃气轮 成本低，且对氢气纯度、杂质含量等要求不高规模小、功率低 技供术提较升成效熟率，部分技术路线可通过热电联单机规模较小，成本较高 长时储能技术路线及在新型电力系统中的应用执行摘要 第三章 11 长下时降储潜能力成较本大 一、各类技术性能对比 各类长时储能技术性能特点各异。效率方面，抽水蓄能和重力储能效率较高，而熔盐储热和氢储能效率较低。寿命方面，抽水蓄能、压缩空气储能、重力储能等物理储能寿命较长。安全性方面，除氢能外，大部分长时储能安全性较高。环境适应性方面（综合考虑建设选址要求和运行环境要求），抽水蓄能和压缩空气储能环境适应性一般。响应速度方面，液流电池具有明显优势。 效率 寿命 安全性 环境适应性响应速度 表2|各类长时储能技术性能对比 压缩空气储能 抽水蓄能 重力储能 60-75% 60-75% 30-50年 30-50年 好 30年+ 好 好 一般 分钟级 较好 一般 分钟级 秒级 75-80% 15000-20000次（20年）