研發(fā)布局儲(chǔ)能技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)能源技術(shù)革命

儲(chǔ)能技術(shù)主要分為物理儲(chǔ)能（如抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、電介質(zhì)儲(chǔ)能、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能等）、化學(xué)儲(chǔ)能（如鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉硫電池、鈉離子電池、鋰離子電池、固態(tài)鋰離子電池等、電化學(xué)超級(jí)電容器等）、儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷、儲(chǔ)氫四大類。封閉的儲(chǔ)氫和燃料電池聯(lián)用可以看成一個(gè)儲(chǔ)電裝置，而連續(xù)供氫和燃料電池聯(lián)用可以看成是發(fā)電裝置。

本文主要討論電能存儲(chǔ)，物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能都可以直接用來作為電能存儲(chǔ)， 并能反復(fù)多次使用。按照不同應(yīng)用對(duì)儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)短需求的不同，可以分為短時(shí)高頻次儲(chǔ)能（≤ 2 分鐘），中等時(shí)長(zhǎng)儲(chǔ)能（2 分鐘~4 小時(shí)）、長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能（ ≥ 4 小時(shí)）。應(yīng)對(duì)電壓暫降和瞬時(shí)停電、提高用戶的用電質(zhì)量、抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、能量回收等屬于短時(shí)間高頻次儲(chǔ)能。多數(shù)儲(chǔ)能需求在小時(shí)級(jí)以上，例如電網(wǎng)調(diào)峰、大型應(yīng)急電源、可再生能源接入、分布式能源、微網(wǎng)離網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等。較長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能，主要為削峰填谷、可再生能源接入、家庭儲(chǔ)能、通訊基站。

隨著動(dòng)力電池循環(huán)壽命、安全性和能量密度的提升，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程可以顯著超過日常使用需求，可以發(fā)展電動(dòng)汽車和電網(wǎng)之間的能量雙向流動(dòng)（V2G 技術(shù)）， 通過有序充電和智能控制，改革用電結(jié)算方式和提高響應(yīng)速率，電動(dòng)汽車將有望發(fā)展成為重要的分布式儲(chǔ)能載體。電動(dòng)汽車上的動(dòng)力電池能量保持率如果低于初始能量的80%， 一般要求更換，替換下來的動(dòng)力電池如果健康狀況（SOH） 和安全性符合再利用標(biāo)準(zhǔn)，則可以進(jìn)一步用于分布式儲(chǔ)能， 稱之為梯次利用。V2G 和梯次利用技術(shù)發(fā)展到一定階段，動(dòng)力電池與規(guī)模儲(chǔ)能兩大產(chǎn)業(yè)可以協(xié)同發(fā)展，提高綜合運(yùn)營(yíng)效益和資源使用效率。

十二五期間，我國(guó)開始重視儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，科技部通過“863”項(xiàng)目支持了相關(guān)研發(fā)， 先進(jìn)能源領(lǐng)域儲(chǔ)能子領(lǐng)域部署了物理儲(chǔ)能與化學(xué)儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)與示范電站研究，總經(jīng)費(fèi)1.4238 億，其中物理儲(chǔ)能包括壓縮空氣、飛輪、超導(dǎo)儲(chǔ)能、相變儲(chǔ)能，共計(jì)經(jīng)費(fèi)0.1986 億，化學(xué)儲(chǔ)能包括鋰電池、液流電池和超級(jí)電容器，共計(jì)國(guó)撥經(jīng)費(fèi)1.2258 億。

通過十二五項(xiàng)目部署，我國(guó)在化學(xué)與物理規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)方面取得顯著進(jìn)展，掌握了多項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)，部分技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所突破了1.5MW 具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)，完成了示范運(yùn)行，性能指標(biāo)優(yōu)于同等規(guī)模的國(guó)外壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。

多家鋰離子電池企業(yè)掌握了規(guī)模儲(chǔ)能鋰離子電池系統(tǒng)技術(shù)， 其中BYD、CATL、中航鋰電、銀隆等企業(yè)參與了40MWh 磷酸鐵鋰體系和鈦酸鋰體系的鋰離子儲(chǔ)能電站示范項(xiàng)目，在張北國(guó)家“風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程一期項(xiàng)目”中獲得了初步應(yīng)用。

863 項(xiàng)目還實(shí)施了軟碳負(fù)極、層狀錳酸鋰正極的儲(chǔ)能型鋰離子電池的開發(fā)，這是國(guó)際上首次采用此材料體系，循環(huán)性達(dá)到7000 次，進(jìn)一步降低了鋰離子電池成本，同時(shí)促進(jìn)了軟碳和層狀錳酸鋰材料的產(chǎn)業(yè)化。還實(shí)現(xiàn)了500kW/328kWh 級(jí)微晶摻雜尖晶石錳酸鋰鋰離子儲(chǔ)能電池示范、500kWh 級(jí)錳酸鋰三元復(fù)合正極儲(chǔ)能電池示范、0.6MWh 風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用示范、100kW 基于鈦酸鋰系負(fù)極材料的移動(dòng)式儲(chǔ)能示范、以及0.5MWh/1MW 鈦酸鋰電池儲(chǔ)能電站的光儲(chǔ)應(yīng)用示范。

液流電池方面，國(guó)內(nèi)有中科院大連化學(xué)物理研究所、清華大學(xué)、中科院沈陽(yáng)金屬研究所、中南大學(xué)、大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司、普能公司、德沃普、萬(wàn)利通、銀峰新能源等多家研究單位和企業(yè)從事液流電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。

在關(guān)鍵材料基礎(chǔ)研究和電池系統(tǒng)集成及應(yīng)用示范工程方面取得了重大突破。大連化物所牽頭國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，該團(tuán)隊(duì)實(shí)施了包括2012 年全球最大規(guī)模的5MW/10MWh 全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)商業(yè)化應(yīng)用示范項(xiàng)目在內(nèi)的近30 項(xiàng)應(yīng)用示范工程，應(yīng)用領(lǐng)域涉及分布式發(fā)電、智能微網(wǎng)、離網(wǎng)供電及可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域。

近年來，通過電池關(guān)鍵材料和電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，使電堆的功率密度顯著提高。電堆的額定工作電流密度由60~80mA/cm2 提高到120~150mA/cm2，電堆的功率密度提高了一倍，從而使成本顯著降低。十二五期間， 在固態(tài)鋰離子電池方面進(jìn)行了初步探索，形成了材料、電芯的制備技術(shù)，突破了幾十公斤級(jí)材料的相關(guān)制備工藝，為今后儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在國(guó)內(nèi)起步較晚，但發(fā)展很快。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所、華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等單位對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能電站的熱力性能、經(jīng)濟(jì)性能、商業(yè)應(yīng)用前景等進(jìn)行了研究。2013 年，中科院工程熱物理研究所完成了1.5MW 先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示范;并于2016 年完成了10MW 先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和示范。在2015 年，由清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所及中國(guó)電力科學(xué)研究院共同研制的500kW 級(jí)非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能發(fā)電示范系統(tǒng)在安徽蕪湖實(shí)現(xiàn)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電出功100kW 的階段目標(biāo)。

飛輪儲(chǔ)能方面，2016 年12 月15 日， 我國(guó)首臺(tái)MW 級(jí)飛輪儲(chǔ)能電源工程石油鉆井工程飛輪儲(chǔ)能樣機(jī)在河南省濮陽(yáng)市中石化中原油田衛(wèi)453 井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了演示示范。同時(shí)具有儲(chǔ)能和限流兩種功能的1MVA/1MJ 超導(dǎo)儲(chǔ)能—限流系統(tǒng)樣機(jī)自2017年1月6日在玉門低窩鋪風(fēng)電場(chǎng)10kV 電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，其并網(wǎng)諧波畸變率為2%，功率響應(yīng)時(shí)間0.8ms，有效提高了電能質(zhì)量和低電壓穿越能力，綜合技術(shù)性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

總體而言，通過十二五項(xiàng)目部署，我國(guó)已經(jīng)形成了鋰離子電池、超級(jí)電容器儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈， 研發(fā)實(shí)力和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力明顯提高，儲(chǔ)能產(chǎn)品已開始批量進(jìn)入國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)。先進(jìn)液流、超臨界壓縮空氣等儲(chǔ)能技術(shù)成熟度顯著提高，進(jìn)入大規(guī)模示范階段，為后續(xù)產(chǎn)業(yè)化奠定了良好的基礎(chǔ)。從示范應(yīng)用效果看，儲(chǔ)能的應(yīng)用能夠給電力系統(tǒng)、分布式能源、可再生能源帶來包括經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益的綜合價(jià)值。但由于目前還未形成衡量這種綜合收益的商業(yè)模式，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈尚未完全形成，與此同時(shí)，各類儲(chǔ)能技術(shù)仍然在快速發(fā)展，新的更具競(jìng)爭(zhēng)力的儲(chǔ)能技術(shù)也在進(jìn)一步涌現(xiàn)，智能電網(wǎng)整體技術(shù)和路線尚不清晰，儲(chǔ)能國(guó)家發(fā)展政策尚未形成，市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力尚顯不足。

十二五期間通過在儲(chǔ)能方向的探索，科技部、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的專家學(xué)者認(rèn)識(shí)到，通過加大技術(shù)開發(fā)投入力度、提高現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)水平、發(fā)展新型儲(chǔ)能技術(shù)、提高儲(chǔ)能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、擴(kuò)大儲(chǔ)能示范應(yīng)用規(guī)模，從科學(xué)和技術(shù)上為我國(guó)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，廣泛研究適合我國(guó)國(guó)情的儲(chǔ)能技術(shù)的各種商業(yè)盈利模式，在新一輪能源革命中占據(jù)先機(jī)非常必要、迫在眉睫。

考慮到儲(chǔ)能技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是智能電網(wǎng)，動(dòng)力電池在新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)中獲得支持，十三五期間，國(guó)家對(duì)儲(chǔ)能方向的支持與智能電網(wǎng)合并，在2016 年啟動(dòng)了智能電網(wǎng)和裝備重點(diǎn)專項(xiàng)，儲(chǔ)能作為其中的基礎(chǔ)支撐技術(shù)獲得支持，共計(jì)安排了2.9433 億國(guó)撥經(jīng)費(fèi)。具體而言，設(shè)立了三個(gè)任務(wù)，包括大規(guī)模儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研究任務(wù)，新型儲(chǔ)能器件的基礎(chǔ)科學(xué)與前瞻技術(shù)研究，海水抽水蓄能電站前瞻技術(shù)研究。

大規(guī)模儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研究任務(wù)屬于重大共性關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)施時(shí)間為2016-2021 年。重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容包括：適合大規(guī)模儲(chǔ)能的鋰離子電池、液流電池、壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、梯次利用動(dòng)力電池規(guī)模化工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)。研究提升儲(chǔ)能單元使用壽命、能量轉(zhuǎn)換效率、能量密度、安全性能的關(guān)鍵材料及創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，研究降低儲(chǔ)能單元、模塊、系統(tǒng)成本的關(guān)鍵技術(shù)，以及動(dòng)力電池的梯次利用關(guān)鍵技術(shù)。

具體目標(biāo)為突破100 MWh 級(jí)鋰離子電池、10 MW 級(jí)/40MWh 液流電池與10 MW 級(jí)/100MWh 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，掌握大規(guī)模儲(chǔ)能的單元與模塊技術(shù)，提升現(xiàn)有儲(chǔ)能研發(fā)、制造、應(yīng)用水平，滿足智能電網(wǎng)中大規(guī)?？稍偕茉锤弑壤{和分布式儲(chǔ)能對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、能量效率、安全性、可靠性的要求，建立大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)安全及失效分析的方法和標(biāo)準(zhǔn)，顯著提高梯次利用電池的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

新型儲(chǔ)能器件的基礎(chǔ)科學(xué)與前瞻技術(shù)研究任務(wù)屬于基礎(chǔ)研究，實(shí)施時(shí)間為2016-2021 年。重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容包括研究開發(fā)能顯著提升和超越現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)水平，針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能、分布式儲(chǔ)能等不同的能量級(jí)別、功率級(jí)別、應(yīng)用場(chǎng)景的多種新型儲(chǔ)能技術(shù)。支持儲(chǔ)能技術(shù)的共性基礎(chǔ)科學(xué)問題研究，包括儲(chǔ)能新原理、能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換過程中的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、穩(wěn)定性、失效機(jī)制、關(guān)鍵材料匹配等。研究開發(fā)具有更高性能的新材料、新結(jié)構(gòu)、新設(shè)計(jì)。探索研究和篩選適合智能電網(wǎng)各類應(yīng)用的新型儲(chǔ)能技術(shù)。在基礎(chǔ)科學(xué)方面，掌握新型儲(chǔ)能技術(shù)中關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、器件響應(yīng)行為，掌握儲(chǔ)能器件服役過程中性能演化行為及其演化機(jī)理。完成對(duì)新型儲(chǔ)能器件的綜合技術(shù)指標(biāo)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)和在規(guī)模儲(chǔ)能中的應(yīng)用前景分析。

新型儲(chǔ)能技術(shù)的核心材料、器件、應(yīng)用、關(guān)鍵制造技術(shù)形成完整的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。預(yù)期成果為研制的新型儲(chǔ)能器件關(guān)鍵性能，如能量密度、功率密度、能量效率、循環(huán)壽命、成本、安全性等顯著超越現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)，儲(chǔ)能單元與模塊可靠性高，響應(yīng)速度快， 工作溫度寬，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，全壽命周期可以做到免維護(hù)、環(huán)境友好，儲(chǔ)能單元的設(shè)計(jì)易于模塊化及靈活配組安裝。十三五期間安排了鈉離子電池、鋰離子電容、儲(chǔ)能型固態(tài)鋰電池、液態(tài)金屬電池四個(gè)項(xiàng)目，項(xiàng)目結(jié)束后，都要求實(shí)現(xiàn)kWh 級(jí)以上驗(yàn)證，并突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

海水抽水蓄能電站前瞻技術(shù)研究任務(wù)屬于共性關(guān)鍵技術(shù)， 實(shí)施時(shí)間為2017-2020 年，研究?jī)?nèi)容包括對(duì)沿海地區(qū)海水抽水蓄能資源、開發(fā)潛力和生態(tài)環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估，電站建設(shè)規(guī)劃和選址的要求，水輪機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，水輪發(fā)電機(jī)組變速技術(shù)的應(yīng)用，海水抽水蓄能電站與可再生能源聯(lián)合運(yùn)行技術(shù)，海水抽水蓄能管道防腐蝕與生物附著問題，電站壩體防浸襲技術(shù)，進(jìn)行海島小容量海水抽水蓄能電站試驗(yàn)。

具體目標(biāo)為掌握海水抽水蓄能與可再生能源的優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)，研制適用于海水抽水蓄能水輪變速機(jī)組樣機(jī)，初步提出發(fā)電設(shè)備、水路裝置防腐蝕、防止以及清除海生生物的附著、防止海水滲透、防止漂砂流入等措施，建設(shè)200kW~1MW 海水抽水蓄能試驗(yàn)電站，建立我國(guó)小型海水抽水蓄能電站試驗(yàn)研究平臺(tái)。預(yù)期成果為完成我國(guó)海水抽水蓄能資源評(píng)估報(bào)告，提出海水抽水蓄能電站建設(shè)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估方法和海水抽水蓄能與可再生能源優(yōu)化運(yùn)行方案，提出海水抽水蓄能建設(shè)防腐蝕、滲透、海生生物附著等問題的解決方案以及防海生生物附著的技術(shù)措施，完成適用于海水抽水蓄能的1MW 水輪變速機(jī)組樣機(jī)研制，建成200kW~1MW 海水抽水蓄能試驗(yàn)電站。

目前各類規(guī)模技術(shù)仍然在發(fā)展階段，總體而言，不斷提升儲(chǔ)能技術(shù)的安全性、循環(huán)壽命與服役壽命、能量效率、響應(yīng)速率、可靠性與智能化水平、降低初次采購(gòu)成本和度電使用成本、減少儲(chǔ)能裝備的制造和使用對(duì)環(huán)境和資源的壓力是總體發(fā)展目標(biāo)。通過市場(chǎng)和各類商業(yè)應(yīng)用檢驗(yàn)，在不同應(yīng)用中具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，并能形成完整產(chǎn)業(yè)鏈的儲(chǔ)能技術(shù)將逐漸明確。

2017 年，國(guó)家發(fā)改委、財(cái)政部、科技部、工信部、能源局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，進(jìn)一步確定了未來10 年的發(fā)展目標(biāo)，共分兩個(gè)階段，第一階段實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期過渡;第二階段實(shí)現(xiàn)商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展轉(zhuǎn)變。

十三五期間，建成一批不同技術(shù)類型、不同應(yīng)用場(chǎng)景的試點(diǎn)示范項(xiàng)目;研發(fā)一批重大關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備，主要儲(chǔ)能技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平;初步建立儲(chǔ)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，形成一批重點(diǎn)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn);探索一批可推廣的商業(yè)模式;培育一批有競(jìng)爭(zhēng)力的市場(chǎng)主體。儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入商業(yè)化初期，儲(chǔ)能對(duì)于能源體系轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵作用初步顯現(xiàn)。

十四五期間，儲(chǔ)能項(xiàng)目廣泛應(yīng)用，形成較為完整的產(chǎn)業(yè)體系，成為能源領(lǐng)域經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn);全面掌握具有國(guó)際領(lǐng)先水平的儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)和核心裝備，部分儲(chǔ)能技術(shù)裝備引領(lǐng)國(guó)際發(fā)展;形成較為完善的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系并擁有國(guó)際話語(yǔ)權(quán);基于電力與能源市場(chǎng)的多種儲(chǔ)能商業(yè)模式蓬勃發(fā)展; 形成一批有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的市場(chǎng)主體。儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展，儲(chǔ)能在推動(dòng)能源變革和能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的作用全面展現(xiàn)。

規(guī)模儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)正在興起，規(guī)模儲(chǔ)能是智能電網(wǎng)、可再生能源、分布式能源、工業(yè)節(jié)能、數(shù)據(jù)中心、智能建筑、國(guó)家安全應(yīng)用等重大應(yīng)用的重要支撐技術(shù)。

今后需要針對(duì)不同的應(yīng)用，進(jìn)一步加快發(fā)展先進(jìn)的化學(xué)、物理儲(chǔ)能技術(shù)，建立國(guó)家級(jí)大型儲(chǔ)能系統(tǒng)公共測(cè)試分析平臺(tái)，完善與規(guī)范相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)與認(rèn)證體系;通過進(jìn)一步示范，盡快全面掌握適合我國(guó)國(guó)情、針對(duì)多種應(yīng)用場(chǎng)景、不同規(guī)模的儲(chǔ)能本體和系統(tǒng)集成技術(shù)，提高各類儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。通過十三五和十四五期間各級(jí)政府、科研機(jī)構(gòu)、高等院校、國(guó)有與民營(yíng)企業(yè)、投融資機(jī)構(gòu)的協(xié)同努力，形成在世界范圍內(nèi)具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)我國(guó)能源技術(shù)的革命。