美国电网储能技术的研发与应用

1、储能技术的本质是给能量加上一个时间变量。传统上电能是即发即用的，没有时间因素。储能技术给电能增加了时间变量，提升了整个电网系统的价值，同时有助于接入清洁能源。

2、储能技术在电网上应用有五个关键要求：

安全性。电网储能系统储存巨大的能量，在能量释放过程中可以产生巨大的热量，因此储能系统的散热设计非常关键。美国发生过多起蓄电池起火事故，固态铅酸电池和锂聚合物电池也都发生过重大事故。美国能源部还为此专门设立项目，研究电池的安全性。

性能。性能包括功率、能量、效率、反应时间，灵活及多功能性等指标。根据储能系统在电网不同环节的应用，对功率的要求从几十千瓦到上百兆瓦不等，放电时间的要求从几秒，几分钟，几十分钟，几小时，甚至几天不等。一个重要的指标是反应时间越短越好，一般要在一秒以内达到系统要求。有些应用比如电压支持甚至要求低于0.1秒。这样的反应时间是传统的抽水蓄能和压缩空气系统不能提供的。功能上的灵活性能够增加储能系统的实用价值。

耐久性，即系统寿命。传统能源和新能源发电厂的生命周期都在20年以上，与之匹配的储能系统也需要有相同的长寿命。一般需要电网储能系统寿命超过10年，并且可以承受超过4000次深度充放电的考验。

经济性。不仅要关注电池的成本，还有变电系统、辅助系统等系统性成本;不仅是电池系统成本，还有安装和工程造价(在电池成本上增加30~100%很正常);不仅是资金成本，还有运营维护成本——因此要比较不同循环寿命周期下的度电成本。同时不仅要看成本，还要看效益，有些贵的电池寿命更长，性价比更高。

可靠性。电池系统不需要太多的维护和保养。

3、美国目前电网储能以抽水蓄能为主，未来主要方向为电池等灵活储能系统。美国发电装机总量在1200GW左右，有大概2%，即20~30GW的储能能力。美国目前电网储能的95%为抽水蓄能，总量超过20GW，基本上都是在1980年以前建造的。抽水蓄能系统成本最低，但由于环境影响大、建造周期长、投资巨大、地理选址受限等原因，未来的发展非常有限。美国未来电网储能的主要发展方向是使用更加柔性化、多功能、灵活的储能系统。电池储能技术由于高效、功能多样、充放电双向反应、响应速度快、清洁而成为了首选。

4、各种电池储能技术的对比显示，液流电池优势突出。

锂离子电池。锂离子电池的概念是在1970年代提出的。经过近二十年的材料研发和完善，1991年第一块商业化锂离子电池出现，再经过多年大量的资本投入与发展，锂离子电池的技术已经走向成熟。锂电池最大的优点在于能量密度和效率都很高，所以很快得到了广泛应用。到今天，全球围绕锂电池建成了比较成熟的工业系统。锂电池的缺点在于：1)安全性低，事故多发，如波音787的锂电池事故，锂聚合物电池在亚利桑那州的大型起火事故等。电解液的可燃性使危险永远存在;2)容量随着充电循环次数增加而减少，需要经常换电池;3)基本上放电时间较短，长时间放电对锂电池的挑战很大。

钠电池。钠电池根据正极情况，一种是钠硫电池，一种是钠-金属氯化物电池。这两种电池的运行温度都需在300~350摄氏度。能量密度与锂电池相当。如果可以长期连续使用，能取得很好的电池效率。电池寿命(充放电20~80%)可以达到4000~5000次。目前这种电池技术已经比较成熟，东京电力、NGK、GE等大公司做了很大的投资。但是安全性还不能完全保证，2011年日本的2MW钠硫电池系统发生大火，对技术推广产生了很大影响。

液流电池(RFB)。液流电池的能量储存在电解液里，而不是固体电极，电池模块通过氧化还原反应把电解液储存的化学能转变为电能。目前较为成熟的是全钒液流电池。液流电池的优点在于：1)理论上寿命无限长，可循环使用。因为它的工作特点是电极不参加具体反应，所以循环寿命不受限制，也不受放电和充电程度的影响;2)可以根据需求把功率和能量分开来灵活设计，比如说确定了100兆瓦功率，但是需要4小时还是8小时供电可以变化;3)电池结构简单，方便模块化组装，也可以做很大;4)安全性好。因为电解液是水基的，本身就是灭火剂。另外由于水的比热容大，即使充满了瞬间释放，整个系统温度也只上升15~16度;5)平准化成本低于锂电池，适合做大型储能项目。缺点是能量密度较低，目前不适合安装在移动装置上，工程上也需进一步完善。液流电池在电网上的应用最大的项目是中国博融集团下属融科储能在蜗牛石风电场的5MW/10MWh项目，从2012年项目建成至今一直运行稳定。

5、未来储能电池技术发展还将百花齐放，液流电池将得到更多的重视。人类还没有发明一种电池可以满足所有的储能需求。将来电网应用储能的市场非常大，不会有一种理想技术覆盖所有需求，未来储能技术一定是百花齐放，在不同领域应用不同技术。其中多功能、灵活化的技术将产生更好的效益和价值，占据更大的市场份额。目前在美国，放电时间较短的电池选择基本是锂电池。原来大家看好的钠硫电池放电时间较长，但由于存在安全问题，而使液流电池渐渐被重视起来。目前储能电池的科研趋势已经很大程度上转向液流电池。一个趋势是使用更安全的水基电解液，另一个是采用更便宜的材料，如锌、铁、硅等。