细说储能：能源利用方式变革之支点
这篇文章，我将对储能本身做个知识性的归纳与总结。
储能是个好行业，朝阳产业，是个需求呼唤产品的产业。储能重在储，它表征充裕和安全。农村老家，家庭妇女乐于在厨房多存点干柴，可抵御刮风下雨时的无柴可烧;城市里，极端天气来临之前，媳妇习惯多接一盆水，可预防突发停水而不至于无饭可做;辛苦工作的人偏爱把钱存入银行，避免未来生活意外对家庭的冲击……如此等等，都是储存带来的好处，电力也不例外。有了储能，新能源可以自由并网，风机可以随意转动而不限电，微网系统让社区更安全，智能电网不在流于概念，能源互联将会轻松实现，有了储能，我们更可以像在淘宝网上买衣服一样购买电能。储能是新能源代替化石能源的关键一环，是能源利用方式变革的支点。
一、什么是储能?什么是电力储能?
定义是对概念的内涵所做的简要而精准的描述，甚至具有哲学的高度，一着不慎便沦为笑话，比如柏拉图老师说“两腿而无毛者即为人”，他的学生端给他一盘香辣烤鸡，两腿而无毛!大思想家尚且认栽，何况我们。
什么是储能?搜了不少资料，我本人认同以下表述：从广义上讲，储能即能量存储，是指通过一种介质或者设备，把一种能量形式用同一种或者转换成另一种能量形式存储起来，基于未来应用需要以特定能量形式释放出来的循环过程。从狭义上讲，针对电能的存储，储能是指利用化学或者物理的方法将产生的能量存储起来并在需要时释放的一系列技术和措施。
二、为什么需要储能?
储能是战略型产业，质疑声不断，有人曾当着我的面直接说储能没有前途滔滔不绝于耳十分钟，他基于一个现象：中国经济发展不景气，电网供应已经过剩，小电厂大量关闭，过剩时期电网没必要把电储存起来或者购买来自储能设备的电。这种思想有问题，这里扫盲一下，中国电力面临的问题不是多与少而是结构比例，比如降低火电比例，增加清洁能源发电比例。你一定很吃惊，中国目前70%以上的电力供应来自燃煤，燃煤带来的环境问题不必多讲，只追加一个例子，在环保部形同虚设的日子里，不少电厂篡改数据，比如调节烟尘传感器参数，调至合格区域内，数据很漂亮，领导也不傻，通过与气象卫星云图对比，原形毕露!现在环保部今非昔比，在南京即使有工厂偷排气体，也能通过玫瑰图准确定位源头。习大大G20杭州会上主动向联合国提交了中国人大《巴黎协定》批准书，我要说，这表现出国家节能减排的决心，但是任务艰巨，比如中国承诺2020年新能源发电比例达到15%，2030年到20%，2016年快过完了，这个比例不到11%，可以预见未来几年，中国还将有一大批的风电和光伏项目要实施，除此之外，新能源汽车也是实现节能减排的一个重要手段，个人感觉，我党在减排方面的承诺还未落空过。但以上措施把传统的大电网逼到了死胡同，电网遇到了致命的问题——波动性。为了维稳，我们弃掉了光伏、风电甚至水电。目前困局在于，新能源并网无门，微网与分布式应用鲜有突破，智能电网呼吁多年一直裹足不前，能源互联更是挂在天边的彩虹。美好的前景让我们义无反顾，同时挑战随即迎面扑来，行业呼唤着储能技术。
1、新能源的接入
新能源相对煤和石油等化石能源而言，包括风电、光伏、水电、潮汐能等我就拿风能和太阳能举例。下面的饼状图是2015年世界各国新增装机容量以及累计装机容量的对比，红色为中国数据，可谓占据半壁江山，风电市场，中国说第二，别国不敢说第一，数据为证：15年全球风电累计装机容量432GW，中国总装机为145.2GW，占世界的33.6%!再看15年新增装机量，世界新增63GW，中国为30GW，占比高达48.4%;光伏市场更是举世瞩目，还是15年，全球累计装机256GW，新增59GW，国内15年累计装机43GW，占比17%，新增17GW，占比29%，对比风电的比例，可以看出，光伏还有很大发展空间。(数据来源于国外预测机构)
对行业外的人来讲，风光发电越多，新能源占比越高，国家越清洁，然而波动性的存在让想法事与愿违。请看一张曲线对比(曲线来自哈佛Azziz教授的PPT)，曲线显示的是在3周时间内风电、光伏以及电网负荷变化情况。先说电网，像一个勤劳的古代农民，日出而作，日落而息，耕田而食，凿井而饮，规规矩矩，规规律律，老少无欺，十年如一日;其次是光伏负荷，属于三心二意，心猿意马型，虽有安分作息之形式，然身在曹营心在汉，禁不住外界的红尘纷扰，心中波涛起不停，高低敏迷，不知西东;最无奈是风电，放荡形骸、天马行空之类，毫无规矩可言，更像是一个蔑视课堂的学生，想来就来，说走就走!假若火电、风电和光伏是电网的三个儿子，不用想，受宠的是肯定是火同学，挨批的一定是光同学，挨揍的必然是风同学!
如果缺少消纳能力，过多的新能源将会对电网造成严重的影响，大了讲，工厂的各种设备将会因为负荷的频发波动而缩短寿命;小了讲，负荷波动会导致家里的照明忽亮忽暗，有烧毁风险。这里我有过亲身经历，在我小学四五年级的时候，家里通了电，看见灯泡的光亮，全家果断甩掉了煤油灯，甚是高兴，唯一困惑的是灯泡总是坏掉，我曾在半夜开灯，灯光超乎寻常的亮，刺眼的感觉现在还有印象，但紧接着啪一声，灯丝烧断，一片黑暗。所以有人问电力波动有什么危害，我的第一印象就是烧灯泡。
电力有了波动怎么办?我们可以有以下几种办法：
(1)弃之不用，对新能源电力并网亮红灯，这是一种电网无能为力的体现劳民伤财;
(2)上更大规模的火电，增大基数，相对降低新能源比例;
(3)加大电力外送，将本地用不完的负荷通过特高压输送到需求地区，把问题打包转移，到人民最需要的地方去;
(4)智能管理，电网对电力用户进行实时统计与预测，优化设备运行时间短，以应对电网波动，有称之为电网智能化，比如德国，利用强大的电网调度功能，可保证30%的新能源电力自由上网，奇迹;
(5)增加储能，通过削峰填谷或调峰手段，实现新能源电力的稳定输出。
方法(1)丢车保帅，采用丢弃来实现电网稳定，无奈事实已经发生，毫不夸张，三北地区平均每三块光伏板有一块不给发电，每两台风机有一台停歇。趴的都是固定资产，我负责过一些资产管理，清楚每年折旧的价值有多高。方法(2)是掩耳盗铃，自欺欺人，如此操作理论上消纳了更多的新能源，实际却大幅增加了煤炭发电量，能源结构非但不会优化，反而会恶化，笔者只能评价为别有用心，遗憾的是，专家学者集体哑火，火电如火如荼，我不禁想起武汉东湖刚炸掉的变形金刚大楼，存活16年，理由是破坏东湖风貌，大楼的设计者是一名院士，设计之初就心知肚明，为什么还能盖起来?其中的原因类似。方法(3)是权宜之计，击鼓传花似的做法无益于问题解决。方法(4)是缓兵之计，谁都知道这个做法一定会碰到饱和点，但做了总比不做好，它时刻考验着调度者的智慧。方法(5)可彻底解决波动性，储能好比一个大水缸，只要缸内有水，上部进水量的波动不影响下部出水流量的稳定性，波动问题彻底解决。
2、微网与分布式能源
中国人独爱“大”字，老子说：“道大天大地大人亦大”，刘邦回农村老家时唱“大风起兮云飞扬”，王维诗句“大漠孤烟直，长河落日圆”，教科书讲我国地大物博。中国电网也不例外，可谓“天网恢恢”。然而，要想做到疏而不漏，还需要微网来辅助。
微网概念并非凭空想象，而是来源于实际需求。电网虽然很发达，一旦发生故障，用户会立刻面临无电可用的境界，特别是在地震，海啸，山体滑坡等区域性自然灾害之后，主干线故障之后，灾区瞬间与世隔绝，电视不能看、电话拨不出、手机没信号，几乎与世隔绝。这种灾难在日本很频繁，岛国感受最深，他们对微网的研究或投入很早很积极。在我老家，电力供给严重不足，拉闸限电时有发生，有两年春节大年夜居然停电，看不成春晚，这让我很是郁闷。走在发达的城市路上，常常思考解决之道，以至于在接触微网这个概念时，有种相识已久的感觉。
怎么理解微网?它有什么特点?
简单说就是电源和负载组成的一个系统。比如出门在外，我们习惯为手机配上一枚充电宝，插上数据线为手机充电时，可以认为这是一个袖珍的微网，有电源有负载;家庭配置一套电池系统，在停电时开启，确保家电运行，如果你家有足够的屋顶，配上光伏板，组成户用光储系统，这也是一种微网形式;以此类推，范围逐步扩大，负荷逐渐提升，从小区到社区，电源接入类型有外电网、光伏、风电、储能等。只要容量不高于50MW，都可以称作微网系统。
微网的特点主要有以下几个方面：
(1)灵活：相对于大电网，微网可以自由灵活调度;
(2)多样：可以接入不同类型的电源，可大大提高新能源的接入。
(3)可控：可实现各类电力的切换，大大提高用电安全性和可靠性。
(4)交互：微网可根据需求，为大电网提供有效的支撑，用电低谷时储存电网电能，高峰时释放释放电能。
(5)独立：无外部电能供给的一段时间内，微网系统可保障内部的稳定供应。
这里必须强调一下，微网的核心和瓶颈是储能，没有储能，微网无从谈起我的老东家国电南自2010年左右就成立了微网事业部，与之配套的有新能源科技，南自电网，综合监控等众多部门，最终没能有所作为，就是因为储能没到位，不止南自，国内外做微网的不在少数，储能的技术成熟度和经济性是阻碍微网的关键因素。
3、智能电网
智能电网的实施主体是电网本身，目的是应对极不平衡的电力需求，减少过度投入。以上海为例，为解决每年夏季用电高峰期的供电需求，电网公司花了几百亿元进行升级改造，回头一看，这个高峰时段仅有几十个小时，怎么算都觉得不值得，基于此，专家们想到了智能电网，通过对发电企业以及用电端大数据的统计与分析，制定合理的逻辑，实现用电负荷与发电负荷之间的平衡错峰作业，降低用电高峰期电力负荷等等。目前江苏在推行户用智能电表，实时监测各家各户用电规律，调节电力供应。
这里也碰到一个症结：用户用电的波动性和随机性很大，可谓变幻无常，然而常规电厂的运行时以稳定性著称的，稳定意味着高效率，常规电厂启停麻烦，比如启动一座燃煤机组至少需要48小时，花费成百上千万都有可能。再比如，国家目前推行的新能源汽车政策来算，预计2020年不低于500万辆，平均重点功率10kw，则充电负荷将会在0-50GW之间随机变化，面对波动的新能源与随机的负荷需求，常规电站无所适从，必须上储能，否则乱作一团。目前国内外所用的储能形式为抽水储能，效果很好。但不是每种牛奶都叫特仑苏，不是每座山都可以建抽水电站，选址苛刻，投资成本高，建设时间长，灵活性差。抽水蓄能可谓是储能界的大白，在别的储能产品还未成型之前，它是全世界电网调节负荷的依靠。
4、能源互联
个人认为，能源互联是智能电网的高级阶段和终极目标，是互联网+能源的重要形式，一提到互联网，媳妇的第一反应是买买买，能源互联就是要把能源当做商品在网上叫卖，由独立的售电主体直接与用户进行交易，用户可根据需求购买，比如居家型主妇会挑选便宜的电能，环保观念强的会购买新能源电能，更有甚者，你可以通过购买邻居家富余的电力来加深邻里关系。能源互联是一种直面客户的互联网关系，是能源利用方式的变革，需要强大而完善的储能技术做支撑。
三、储能的作用
储能是可再生能源接入、分布式发电、微网、电动汽车、智能电网以及能源互联发展必不可少的支持技术。中国电网运营当前面临着最高用电负荷持续增加，间歇式能源接入比例扩大、调峰手段有限等诸多挑战，而优质、安全、清洁、经济、互动是我国智能电网的设定目标，储能技术具备的诸多优势得以在发电、输电、配电、用电四个环节得到广泛应用。储能环节作为构建智能电网中不可或缺的关键环节，被誉为“智能电网第五元素”。
1、削峰填谷
为提高配电网设备的资产利用率，储能可以作为“削峰填谷”的手段之一，在短暂的用电高峰出现时，储能系统向电网释放电能;在电网出现负荷低谷时储能系统向电网吸收电能。在一定程度上，储能系统可以“拉平”系统的峰谷负荷差当存在峰谷电价时，储能甚至还能实现对电能的“低吸高抛”，即在谷负荷时充电在峰负荷时放电，一定程度上降低最终用户的电费。此外，根据储能系统有功出力的方式又可以分成两类：一种是储能系统总是以满发或满吸的形式参与峰谷调节;一种是实时节储能系统有功出力，保证电网净负荷在预设水平。
2、电能质量
电力系统负荷变化是引起电力系统频率波动的主要原因，由于储能系统可以非常快速的响应电网变化，因此具备控制不同时间尺度频率变化的能力。储能系统与监控系统或者调度系统相配合时，可以实现调频功能。相比较于传统通过发电机调速实现的一次调频而言，储能系统更加适合，其一，储能系统运行在非额定工况下时也具有较高的效率;其二，由于能量可以双向流动，储能系统可以提供两倍于额定容量的调节能力;其三，储能系统具备更快的调节能力，通常可在几秒内从待机到满功率运行。一次调频的设计主要采用本地频率的负反馈，同时兼顾与其他调频机组间的配合(调差系数、调节速度等方面)电池的充放电状态等。二次调频主要针对变化周期在10秒到数分钟之间负荷分类、以及变化缓慢的持续变动负荷分量进行控制，需在上述一次调频基础上增加AGC控制功能，即储能系统接收AGC指令，相关的上传信息为：执行机构的工况信息，如参与AGC运行的储能系统的实际发电功率、发电功率调节的限制条件(调节范围、调节速率)、控制系统的运行状态等。下发的AGC控制指令，如调节发电功率的功率设定值或升降命令、改变储能系统运行状态或控制系统运行状态的控制指令。
3、备用电源
储能用于系统的事故备用以防止低频减载，事故备用要求能在系统主力电源出现缺口时，在3～5秒内提供有效出力，它比普通的旋转备用要求有更快的响应。电池储能系统可以提供这样的事故备用，减小主力机组故障时的负荷丢失作为快速备用的储能系统在提供出力时，要求具备保持至少15分钟的满容量输出的能力，以保证备用的同步机组能完成启动、同步、负荷恢复的完整过程。在之后的15分钟，储能系统可以将出力逐步降低到零。作为快速备用时，启动状态要求电池的SOC不低于70%。每次作为快速备用运行之后，储能系统将利用夜间或者负荷低谷期完成充电，达到100%的SOC。
四、储能的方式
按照存储方式不同，可包括电磁储能，化学储能以及物理储能三种方式。
电磁储能包括超导磁能，超级电容储能;化学储能包括锌溴电池、全钒电池、镍氢、锂离子、钠硫铅酸等;物理储能包括抽水蓄能、压缩空气、以及飞轮储能等。
1、电磁储能
超导储能：超导储能是利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能的装置其不仅可以在超导体电感线圈内无损耗地储存电能，还可以通过电力电子换流器与外部系统快速交换有功和无功功率，用于提高电力系统稳定性、改善供电品质。将一个超导体圆环置于磁场中，降温至圆环材料的临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中便有感应电流产生，只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续下去。试验表明，这种电流的衰减时间不低于10万年。显然这是一种理想的储能装置，称为超导储能。超导储能的优点很多，主要是功率大、质量轻、体积小、损耗小、反应快等等，因此应用很广。如大功率激光器，需要在瞬时提出数千乃至上万焦耳的能量，这就可有超导储能装置来承担。超导储能还可以用于电网。当大电网中负荷小时，把多余的电能储存起来，负荷大时又把电能送回电网，这样就可以避免用电高峰和低谷时的供求矛盾。这就是超导储能。
超级电容：超级电容器，又名电化学电容器，双电层电容器、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因此，超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。超级电容用于储能有如下特点：
(1)充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95%以上;
(2)循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”;
(3)大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%;
(4)功率密度高，可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的5~10倍;
(5)产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源;
(6)充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护;
(7)超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃;
(8)检测方便，剩余电量可直接读出;
(9)容量范围通常0.1F--1000F。
但同时，超级电容因其能力密度较低，多级串联一致性差等问题，限制了其在规模储能的进一步应用。
锌溴电池：锌溴储能电池是一种新型、高效的电化学储能设备，又被称为氧化还原液流储能电池(FlowRedoxCell)。该储能电池的电解质溶液(储能介质)存储在电池外部的电解液储罐中，电池内部正负极之间由微孔膜分隔成彼此相互独立的两室(正极侧与负极侧)，电池工作时正负极电解液由各自的动力泵强制在储液罐和电池构成的闭合回路中进行循环流动。
近几十年来，锌溴液流电池技术在美国、日本、澳大利亚等国获得了快速的发展。ZBB及PremiumPower公司则围绕锌溴电池的基础研发及商业化开展了大量工作。国内产业化研发起步较晚，当下有3-4家，中科院大连物化所从2008年开始对锌溴电池进行研发工作，在科技部973项目支持下在电池功率密度，循环稳定性，系统集成方面做了全面的研究。安徽美能主要以美国ZBB的EnergyStoreTM技术为基础，进行锌溴电池系统的总装。北京百能汇通在锌溴电池原材料国产化上面做了大量工作。特变电工以检测应用为主，已建成锌溴电池关键材料、单电池、单堆、模块以及储能试验系统等五个检测平台，通过社会合作及自主研发加工，开展了锌溴电池关键材料制作、电堆制作、电池控制系统开发、储能管理系统开发等工作，并实施了南京浦口科技园25kw/100kwh项目，特变电工储能事业部(南京)50kwh工程。
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