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除了特斯拉儲能電池，你還要知道的其他儲能系統(tǒng)（史上最全）

點擊：作者：嚴同來源：新材料在線發(fā)布時間:2015-05-18 12:12:44

談到儲能，人們很容易想到電池，但現(xiàn)有的電池技術(shù)很難滿足電網(wǎng)級儲能的要求。實際上，儲能的市場潛力非常巨大，根據(jù)市場調(diào)研公司 Pike Research 的預(yù)測，從2011年到2021年的10年間，將有1220億美元投入到全球儲能項目中來。而在大規(guī)模儲能系統(tǒng)中，最為廣泛應(yīng)用的抽水蓄能和壓縮空氣儲能等傳統(tǒng)的儲能方式也在經(jīng)歷不斷改進和創(chuàng)新。今天，為大家推薦一篇文章，該文章分析了目前全球的儲能技術(shù)以及其對電網(wǎng)的影響和作用。

現(xiàn)有的儲能系統(tǒng)主要分為五類：機械儲能、電氣儲能、電化學(xué)儲能、熱儲能和化學(xué)儲能。目前世界占比最高的是抽水蓄能，其總裝機容量規(guī)模達到了127GW，占總儲能容量的99%，其次是壓縮空氣儲能，總裝機容量為440MW，排名第三的是鈉硫電池，總?cè)萘恳?guī)模為316MW。

全球現(xiàn)有的儲能系統(tǒng)

機械儲能

機械儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等。

（1）抽水蓄能：將電網(wǎng)低谷時利用過剩電力作為液態(tài)能量媒體的水從地勢低的水庫抽到地勢高的水庫，電網(wǎng)峰荷時高地勢水庫中的水回流到下水庫推動水輪機發(fā)電機發(fā)電，效率一般為75%左右，俗稱進4出3，具有日調(diào)節(jié)能力，用于調(diào)峰和備用。

不足之處：選址困難，及其依賴地勢；投資周期較大，損耗較高，包括抽蓄損耗+線路損耗；現(xiàn)階段也受中國電價政策的制約，去年中國80%以上的抽蓄都曬太陽，去年八月發(fā)改委出了個關(guān)于抽蓄電價的政策，以后可能會好些，但肯定不是儲能的發(fā)展趨勢。

（2）壓縮空氣儲能（CAES）：壓縮空氣蓄能是利用電力系統(tǒng)負荷低谷時的剩余電量，由電動機帶動空氣壓縮機，將空氣壓入作為儲氣室的密閉大容量地下洞穴，當系統(tǒng)發(fā)電量不足時，將壓縮空氣經(jīng)換熱器與油或天然氣混合燃燒，導(dǎo)入燃氣輪機作功發(fā)電。國外研究較多，技術(shù)成熟，我國開始稍晚，好像盧強院士對這方面研究比較多，什么冷電聯(lián)產(chǎn)之類的。

壓縮空氣儲也有調(diào)峰功能，適合用于大規(guī)模風(fēng)場，因為風(fēng)能產(chǎn)生的機械功可以直接驅(qū)動壓縮機旋轉(zhuǎn)，減少了中間轉(zhuǎn)換成電的環(huán)節(jié)，從而提高效率。

不足之處：一大缺陷在于效率較低。原因在于空氣受到壓縮時溫度會升高，空氣釋放膨脹的過程中溫度會降低。在壓縮空氣過程中一部分能量以熱能的形式散失，在膨脹之前就必須要重新加熱。通常以天然氣作為加熱空氣的熱源，這就導(dǎo)致蓄能效率降低。還有可以想到的不足就是需要大型儲氣裝置、一定的地質(zhì)條件和依賴燃燒化石燃料。

（3）飛輪儲能：是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動能的形式儲存起來。需要能量時，飛輪減速運行，將存儲的能量釋放出來。飛輪儲能其中的單項技術(shù)國內(nèi)基本都有了(但和國外差距在10年以上)，難點在于根據(jù)不同的用途開發(fā)不同功能的新產(chǎn)品，因此飛輪儲能電源是一種高技術(shù)產(chǎn)品但原始創(chuàng)新性并不足，這使得它較難獲得國家的科研經(jīng)費支持。

不足之處：能量密度不夠高、自放電率高，如停止充電，能量在幾到幾十個小時內(nèi)就會自行耗盡。只適合于一些細分市場，比如高品質(zhì)不間斷電源等。

電氣儲能

（1）超級電容器儲能：用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的電容量。與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池不同，超級電容器的充放電過程始終是物理過程。充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保。超級電容沒有太復(fù)雜的東西，就是電容充電，其余就是材料的問題，目前研究的方向是能否做到面積很小，電容更大。超級電容器的發(fā)展還是很快的，目前石墨烯材料為基礎(chǔ)的新型超級電容器，非常火。

Tesla首席執(zhí)行官Elon Musk早在2011年就表示，傳統(tǒng)電動汽車的電池已經(jīng)過時，未來以超級電容器為動力系統(tǒng)的新型汽車將取而代之。

不足之處：和電池相比，其能量密度導(dǎo)致同等重量下儲能量相對較低，直接導(dǎo)致的就是續(xù)航能力差，依賴于新材料的誕生，比如石墨烯。

（2）超導(dǎo)儲能（SMES）：利用超導(dǎo)體的電阻為零特性制成的儲存電能的裝置。超導(dǎo)儲能系統(tǒng)大致包括超導(dǎo)線圈、低溫系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)4大部分。超導(dǎo)材料技術(shù)開發(fā)是超導(dǎo)儲能技術(shù)的重中之重。超導(dǎo)材料大致可分為低溫超導(dǎo)材料、高溫超導(dǎo)材料和室溫超導(dǎo)材料。

不足之處：超導(dǎo)儲能的成本很高（材料和低溫制冷系統(tǒng)），使得它的應(yīng)用受到很大限制。可靠性和經(jīng)濟性的制約，商業(yè)化應(yīng)用還比較遠。

電化學(xué)儲能

（1）鉛酸電池：是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。目前在世界上應(yīng)用廣泛，循環(huán)壽命可達 1000 次左右，效率能達到 80%-90%，性價比高，常用于電力系統(tǒng)的事故電源或備用電源。

不足之處：如果深度、快速大功率放電時，可用容量會下降。其特點是能量密度低，壽命短。鉛酸電池今年通過將具有超級活性的炭材料添加到鉛酸電池的負極板上，將其循環(huán)壽命提高很多。

（2）鋰離子電池：是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。主要應(yīng)用于便攜式的移動設(shè)備中，其效率可達95%以上，放電時間可達數(shù)小時，循環(huán)次數(shù)可達 5000次或更多，響應(yīng)快速，是電池中能量最高的實用性電池，目前來說用的最多。近年來技術(shù)也在不斷進行升級，正負極材料也有多種應(yīng)用。

市場上主流的動力鋰電池分為三大類：鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池。前者能量密度高，但是安全性稍差，后者相反，國內(nèi)電動汽車比如比亞迪，目前大多采用磷酸鐵鋰電池。但是好像老外都在玩三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池？

鋰硫電池也很火，是以硫元素作為正極、金屬鋰作為負極的一種電池，其理論比能量密度可達2600wh/kg，實際能量密度可達450wh/kg。但如何大幅提高該電池的充放電循環(huán)壽命、使用安全性也是很大的問題。

（3）鈉硫電池：是一種以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的二次電池。循環(huán)周期可達到4500 次，放電時間 6-7 小時，周期往返效率 75%，能量密度高，響應(yīng)時間快。目前在日本、德國、法國、美國等地已建有 200多處此類儲能電站，主要用于負荷調(diào)平，移峰和改善電能質(zhì)量。

不足之處：因為使用液態(tài)鈉，運行于高溫下，容易燃燒。而且萬一電網(wǎng)沒電了，還需要柴油發(fā)電機幫助維持高溫，或者幫助滿足電池降溫的條件。

（4）液流電池：利用正負極電解液分開，各自循環(huán)的一種高性能蓄電池。電池的功率和能量是不相關(guān)的，儲存的能量取決于儲存罐的大小，因而可以儲存長達數(shù)小時至數(shù)天的能量，容量可達MW 級。這個電池有多個體系，如鐵鉻體系，鋅溴體系、多硫化鈉溴體系以及全釩體系，其中釩電池最火吧。

不足之處：電池體積太大；電池對環(huán)境溫度要求太高；價格貴（這個可能是短期現(xiàn)象吧）；系統(tǒng)復(fù)雜（又是泵又是管路什么的，這不像鋰電等非液流電池那么簡單）。

電池儲能都存在或多或少的環(huán)保問題。

熱儲能

熱儲能：熱儲能系統(tǒng)中，熱能被儲存在隔熱容器的媒介中，需要的時候轉(zhuǎn)化回電能，也可直接利用而不再轉(zhuǎn)化回電能。熱儲能又分為顯熱儲能和潛熱儲能。熱儲能儲存的熱量可以很大，所以可利用在可再生能源發(fā)電上。

不足之處：熱儲能要各種高溫化學(xué)熱工質(zhì)，用用場合比較受限

化學(xué)類儲能

化學(xué)類儲能：利用氫或合成天然氣作為二次能源的載體，利用多余的電制氫，可以直接用氫作為能量的載體，也可以將其與二氧化碳反應(yīng)成為合成天然氣（甲烷），氫或者合成天然氣除了可用于發(fā)電外，還有其他利用方式如交通等。德國熱衷于推動此技術(shù)，并有示范項目投入運行。

不足之處：全周期效率較低，制氫效率僅 40%，合成天然氣的效率不到 35%。

引用前人的總結(jié)：

PHS- 抽水蓄能；CAES- 壓縮空氣；Lead-Acid: 鉛酸電池；NiCd: 鎳鎘電池；NaS: 鈉硫電池；ZEBRA: 鎳氯電池；Li-ion:鋰電池；Fuel cell: 燃料電池；Metal-air: 金屬空氣電池；VRB: 液流電池；ZnbBr: 液流電池；PSB: 液流電池；Solar Fuel: 太陽能燃料電池；SMES: 超導(dǎo)儲能；Flywheel: 飛輪； Capacitor/Supercapcitor: 電容/超級電容；AL-TES:水/冰儲熱/冷系統(tǒng)；CES:低溫儲能系統(tǒng)；HT-TES：儲熱系統(tǒng)。