储能(英文名:energy storage)是指通过储能设备将能量以机械能、热能、电磁能等形式进行存储的一种技术。简单来说,就是借助特定装置或介质,把能量储存起来,等到后续有需要的时候再加以利用。在当前的应用场景中,储能更多时候是特指电能的储存。
其实储能本身并不是一项新兴技术,但从产业发展角度来看,它还处于起步阶段,正逐渐受到越来越多的关注,并在能源领域发挥着日益重要的作用。例如,日常生活中的一些便携式移动电源,就是一种小型的储能设备,它可以在我们外出时,将电能储存起来,方便我们随时为手机等电子设备充电;还有一些大型的储能设施,能够存储大量电能,对稳定电网供电等方面有着关键作用。
在如今全球积极推动能源转型、共同应对气候变化的大背景下,储能的重要性愈发凸显。
一方面,随着可再生能源如太阳能、风能等的大规模开发利用,其存在的间歇性和波动性问题给能源的稳定供应带来了挑战。像太阳能发电依赖光照条件,夜晚或者阴天时发电量就会大幅减少;风能发电则受制于风力大小和有无,风力不足时发电功率也会降低。而储能技术能够在新能源发电量大的时候将多余电能储存起来,等到发电不足时再释放,从而保障能源稳定供应,有效提高新能源的消纳水平,避免出现弃风、弃光等资源浪费现象。
另一方面,储能对于构建更加智能、高效的电力系统意义重大。它可以实现对电网的调峰调频,例如在用电高峰时段释放电能,缓解供电压力;在用电低谷时段储存电能,提升能源利用效率。同时,储能也是分布式能源系统、智能电网系统不可或缺的重要组成部分,有助于提高整个电力系统的安全性、可靠性以及经济性,推动能源行业朝着更加清洁、低碳、可持续的方向发展。
从全球范围来看,许多国家和地区都出台了一系列政策来支持储能产业的发展。美国从 2009 年开始出台产业规划和财税政策用于支持储能技术研发及示范应用;2016 年,中国国家发展改革委等三部门联合印发《中国制造 2025 - 能源装备实施方案》,将储能列为能源装备发展任务的 15 个领域之一;2017 年,国家能源局等多部委联合印发《促进储能技术与产业发展的指导意见》,这是中国首个国家层面出台的储能产业政策。截至 2024 年 1 月 7 日,中国各省新获备案的储能项目已超 130 个,这些都体现了储能在能源发展布局中的重要地位和发展潜力。
抽水蓄能是一种较为成熟且应用广泛的物理储能方式。其原理是在电力负荷低谷时,利用电网中多余的电能,通过水泵将水从下水库抽至上水库,把电能转化为水的势能储存起来;而到了电力负荷高峰时段,再让上水库的水通过水轮机流向下水库,驱动水轮机旋转,进而带动发电机发电,将水的势能重新转变为电能释放到电网中。
抽水蓄能在很多领域都发挥着重要作用,比如在电力系统中,它能够实现削峰填谷,有效调节电网的电能供需平衡,保障电力供应的稳定性。同时,对于大规模新能源发电(像风电、光电等)接入电网后的波动性问题,抽水蓄能也能起到很好的缓冲作用,助力新能源更好地被消纳利用。
它的特点十分显著,储存能量大,能够长时间储存大量电能,以应对不同时段的用电需求。而且其综合效率相对较高,通常能达到 75% 左右,虽然在抽水和发电转换过程中有一定电能损失,但仍是高效可靠的储能选择。此外,抽水蓄能技术成熟,运行也较为稳定,是当前储能领域中装机量较大的一种储能技术。
压缩空气储能的工作方式是,在用电低谷期,利用多余的电能驱动压缩机,将空气进行压缩,然后把压缩后的空气存储在特定的压力容器或者地下洞穴等地方,实现电能到空气压力能的转化;等到用电高峰时,再将储存的压缩空气释放出来,通过驱动燃气轮机等设备进行发电,使空气压力能再次变回电能。
这种储能方式有不少优点,它适合构建大型储能设施,装机容量大,可以满足长时间的储能需求,像一些大规模的电力储能项目就会考虑采用它。并且整个过程相对清洁环保,几乎无污染物排放,符合当下对绿色能源发展的要求。再者,其设备本身的使用寿命较长,一般可进行上万次的储释能,寿命能达 40 - 50 年左右。
不过它也存在一些缺点,例如从压缩空气到释放能量发电的过程中,会有一定的能量损耗,导致整体效率相对不是特别高。而且传统的压缩空气储能系统对选址要求比较严格,通常需要特定地质条件下的洞穴(如地下盐穴、废弃矿井等)或地下空间来存储压缩后的空气,这在一定程度上限制了它的广泛应用。另外,初始投资成本相对较高,尤其是考虑到压力容器和地下储存设施的建设成本时,会让一些项目面临较大资金压力。
飞轮储能系统主要由旋转质量块、磁悬浮轴承、电机 / 发电机以及控制系统等部分构成。其运行原理是,在电网处于谷值负荷时,通过电机带动飞轮旋转,将电能转化为飞轮的机械能进行储存;而当电网出现峰值负荷时,高速旋转的飞轮再带动发电机发电,把机械能变回电能释放到电网中。
飞轮储能的瞬时响应速度非常快,能够立即响应电力系统的波动情况,所以特别适合用于电力系统的频率调节服务,确保电网频率的稳定性。同时,它还可以很精确地跟随负荷变化,这使得其在保障电网稳定运行方面有着独特优势。
主要应用在对电能质量要求较高、需要快速响应调节功率的场合,比如一些数据中心、精密制造工厂等,用于保障供电的稳定性,避免因电网瞬间波动造成设备运行异常等问题。
锂离子电池储能依靠正负极材料之间发生的氧化还原反应来实现充放电过程。在充电时,锂离子从正极脱出,通过电解液迁移到负极并嵌入负极材料中;放电时,锂离子则从负极脱嵌,重新回到正极,电子在外电路流动形成电流,从而实现电能的存储和释放。
锂离子电池在电化学储能领域占据主导地位,原因在于它具备诸多优势。首先,其循环特性良好,能够反复充放电多次,在较长的使用周期内依然能保持较好的性能,为长期稳定储能提供了保障。其次,响应速度快,可以在短时间内完成充放电过程,能迅速根据电网需求或者用电设备的情况进行电能的补给或存储。再者,能量密度相对较高,单位体积或者单位质量下能够储存较多的电能,这使得它在空间利用和储能容量方面表现出色。此外,技术实用性强,已经在多个领域(如电动汽车、家用储能、工商业储能等)被广泛应用,证明了其可靠性和适用性。
铅蓄电池的工作原理基于铅和二氧化铅在电解液(稀硫酸)中的化学反应。在充电时,正极的二氧化铅和负极的铅分别与电解液发生反应,生成硫酸铅;放电时,硫酸铅又会分别转化回二氧化铅和铅,同时释放出电能。
在电力系统中,铅蓄电池有着重要作用,例如它可以为断路器提供合闸电源,保障电力设备在需要操作时能正常启动。还能在一些小型的分布式储能场景、备用电源等方面发挥作用,像在一些偏远地区的微电网系统中,为当地用电设备提供应急的电力支持。
然而,铅蓄电池也存在不足之处。其能量密度较低,相较于锂离子电池等其他类型电池,单位体积或单位质量储存的电能较少,限制了它在一些对储能容量要求较高且空间有限场景下的应用。而且它的充放电效率不高,在充放电过程中会有较大的能量损失,影响整体的储能效率。另外,铅蓄电池中含有重金属铅,如果处理不当,会对环境造成污染,所以在使用和回收环节都需要特别注意环保问题。
超导磁储能是利用超导体制成线圈,当有电流通过时,由于超导材料在超导态下电阻为零的特性,电流可以在其中无损耗地持续流动,从而将电能以磁场能量的形式储存起来。在需要释放电能时,通过改变线圈的磁场,使磁场能量再转变为电能输出。
它的优点很突出,具有快速电磁响应特性,能够在极短的时间内完成电能的存储和释放,对于需要快速调节电能、应对电网突发波动的情况非常有效。而且由于超导材料的特殊性能,其储能过程中的能量损耗极小。
不过,超导磁储能也面临一些限制,一方面是超导材料本身成本高昂,使得整个储能系统的建设成本居高不下;另一方面,为了维持超导材料的超导态,需要配套复杂且费用可观的低温冷却系统,这也增加了运行成本,导致其目前在实际应用中的规模相对较小,大多还处于一些实验研究或者特定小规模应用场景阶段。
超级电容器储能具备独特的特点,它的功率密度高,能够在短时间内提供较大的功率输出,所以多用于短时间、大功率负载平滑等场合,比如在交通运输领域,应用在汽车上可辅助提高车辆启动、加速、爬坡时的动力;在轨道交通中,可以回收车辆制动时产生的能量。同时,它充放电速度快,充电模式简单,可以采用大电流充电,能在几十秒到数分钟内完成充电过程,而且无需检测是否充满,过充也无危险,循环使用寿命长,充放电过程中电化学反应可逆性良好,反复充放电可达数十万次,还具有工作温度范围宽、可靠性高等优点。
从发展情况来看,全球超级电容器储能技术研究起步较早,美国、西欧、日本、韩国等国家和地区在该领域研究水平先进,处于领先地位。我国超级电容器储能行业起步虽晚,但经过不断发展,生产企业数量增多,部分领先企业竞争力较强,技术也达到了国际先进水平。未来,随着新能源发电、交通运输等领域对其需求的不断上升,超级电容器储能有着良好的开发前景,在电极材料研发、提升能量密度等方面还有很大的发展空间,有望在更多的储能应用场景中发挥重要作用。
能量时移是通过储能的方式实现用电负荷的削峰填谷。具体来说,发电厂可以在用电负荷低谷时段,例如深夜至凌晨,此时电网用电需求少、电量相对富裕,利用这个时间段对储能电池进行充电,将电能储存起来;而到了用电负荷高峰时段,像白天的用电高峰期,尤其是上午和傍晚,工业生产、居民生活用电量大的时候,再把之前存储的电量释放出来,输送到电网中,以此平衡不同时段的用电负荷,缓解电网压力。
除此之外,能量时移对于可再生能源的消纳也有着重要作用。以风电和光伏发电为例,风电出力受风力大小和稳定性影响,光伏发电则依赖光照条件,当出现弃风弃光的情况时,也就是风力强劲或光照充足但电量无法全部并网时,储能系统可以把这些多余的电量存储后再移至其他时段进行并网。比如在一些风能、太阳能资源丰富但消纳能力有限的地区,通过这种方式能避免能源浪费,提高可再生能源的利用率。目前,能量时移属于典型的能量型应用,其对充放电的时间没有严格要求,对于充放电的功率要求也比较宽,不过因为用户的用电负荷变化以及可再生能源的发电特征,使得能量时移的应用频率相对较高,每年在 300 次以上。
在电力系统中,用电负荷在不同时间段有着明显差异,例如白天工业生产、商业运营等活动频繁,用电负荷高;夜间大部分工业企业停工、居民用电量减少,用电负荷低。煤电机组为了承担调峰能力,需要留出一定的发电容量作为相应尖峰负荷的能力,这就导致火电机组无法一直处于满发状态,影响了机组运行的经济性。
而储能系统的应用可以很好地解决这一问题。在用电负荷低谷时,比如夜间低谷电价时段,储能设备可以充电储存电能;等到用电尖峰,也就是白天用电高峰时,储能系统放电,释放出电能补充到电网中,从而降低负荷尖峰,利用储能系统的替代效应将煤电的容量机组释放出来,让火电机组可以更接近满发状态运行,进而提高火电机组的利用率,增加其经济性。容量机组同样属于典型的能量型应用,对充放电的时间没有严格要求,对于充放电的功率要求也较为宽松,不过由于用户的用电负荷及可再生能源的发电特征,使得其应用频率相对也较高,每年在 200 次左右。
负荷跟踪主要是针对变化缓慢的持续变动负荷进行动态调整,以达到实时平衡的一种辅助服务。在电力系统中,持续变动负荷又可根据发电机运行的实际情况细分为基本负荷和爬坡负荷,负荷跟踪则重点应用于爬坡负荷方面。比如一些大型工业企业,其生产过程中的用电负荷不是固定不变的,而是会逐渐变化,负荷跟踪就是通过调整储能系统的出力大小,尽量减少传统能源机组的爬坡速率,让其尽可能平滑过渡到调度指令水平,保障电网的稳定运行。
与容量机组相比,负荷跟踪对放电响应时间要求更高,要求相应时间在分钟级,这样才能及时根据负荷变化做出调整,确保电力供需时刻处于相对平衡的状态,避免因负荷波动过大而影响电网安全和电能质量。
在电力传输过程中,线路阻塞是一个常见的问题,它指的是线路负荷超过线路容量,导致部分电能无法顺利输送。当出现这种情况时,将储能系统安装在线路上游就能发挥很大作用。比如在一些用电负荷集中、输电线路相对紧张的区域,当用电高峰来临,线路负荷增大超过其承载容量时,储能系统可以将无法输送的电能储存到储能设备中;等到线路负荷小于线路容量时,也就是用电低谷或者部分线路压力缓解后,储能系统再向线路放电,把之前存储的电能重新输送出去。
一般对于这类应用场景中的储能系统,要求放电时间在小时级,运行次数在 50 - 100 次左右,属于能量型应用,同时对响应时间也有一定要求,需要在分钟级响应,这样才能及时有效地缓解线路阻塞问题,保障电能的顺畅传输,减少因阻塞造成的电力损耗和供电不稳定情况。
随着经济社会的发展,用电需求不断增加,输配电设备面临着扩容的压力。传统的电网规划或者电网升级扩建往往成本很高,而储能系统在这方面可以起到积极的替代效应。
在一些负荷接近设备容量的输配电系统内,如果大部分时间可以满足负荷供应,只是在部分高峰或特定时段会出现自身容量低于负荷的情况时,通过合理配置储能系统,利用其在用电低谷期储存电能、用电高峰期释放电能的功能,以较小的装机容量有效提高电网的输配电能力,从而延缓新建输配电设施的时间,降低电网建设成本,同时也能延长原有设备的使用寿命,提高整个输配电系统的运行效率和经济性。
工商业储能有着多种重要作用。首先,其盈利模式中常见的 “峰谷套利” 备受关注,即在用电低谷时,比如夜间电价较低的时候,利用低电价给储能系统充电;而在用电高峰放电供给工商业用户,像白天企业生产用电量大、电价高时,储能系统释放电能,满足企业用电需求,这样 “一充一放”,用户既可以节约用电成本,又能避免出现拉闸限电等影响生产的情况。由于各省的工商业峰谷价差不同,所以其经济效益也存在差异,目前在峰谷价差较高,且工商业发达的江苏、广东、北京、浙江等地区,工商业储能的峰谷价差收益较大。
其次,随着光伏等新能源在工商业领域的普及,光伏 + 储能的应用比例不断提高。光伏发电具有间歇性和波动性,储能系统可以平滑光伏发电量,提高光伏发电的消纳率。当光伏电量超出用户所需时,多余的电能可以存储在储能系统中;当光伏电量不足时,储能系统可以向负荷供电,从而最大化降低用户的用电成本。
另外,对于生产能力不断扩大的工商业用户,原有的配电容量可能无法满足需求。储能系统可以在短期用电功率大于变压器容量时,继续快速充电,满足负荷电能需量要求,从而降低变压器使用成本、减少扩容周期和投资。同时,通过在用电低谷时储能,在高峰时放电,还能降低用户的尖峰功率和最大需量,使实际用电功率曲线更加平滑,减少容量电费的支出。并且,储能系统还可以参与电力系统的频率调控和辅助服务市场,通过快速响应和调节电力系统的频率获得调频市场的收益,也能为电力系统提供电压与无功功率支持,提高电力系统的稳定性和可靠性,并获得相应报酬。
户用储能可以理解为个人住宅安装的能源储备系统,这类系统可以让家庭用户通过储备太阳能或从公共电网获取的电能,实现对能源的低成本、高效率利用。例如,在白天阳光充足时,家庭安装的户用储能设备可以将光伏板产生的电力储存起来,留着在夜晚或者阴天等光照不足、光伏无法发电的时候使用;同时,也可以在电价低时对公共电网的电力进行储存,等到电价高时再对储存的电能进行利用,这样不仅能够降低电费支出,还能根据自身需求对能源进行配置。
从保障用电安全稳定方面来看,户用储能系统采用的是模组车规级结构,系统的稳定性和耐用性大大提升,长期运行也安全可靠。而且先进散热技术和 PCM(相变材料)的应用,能够有效控制设备的温度,防止过热,这对于延长设备的使用寿命十分有利,即便在极端天气下也能保障正常运行。此外,户用储能系统集成了家庭智能 SGC 和能源组网控制功能,家庭用户可以实时监控和管理能源的使用情况,还能通过智能算法自动调整储能设备的工作状态,从而优化能源消耗,提高能源的使用效率。 总之,户用储能为家庭用户提供了一种节能、高效、灵活的能源解决方式,让家庭用电更加自主、稳定和经济。
当前,全球储能行业正处于蓬勃发展阶段,其市场格局主要以中国、北美和欧洲为主。据相关数据统计,2023 年,这三个地区的新增装机规模合计占全球市场的 88%。到了 2024 年,全球储能新增装机重点区域市场格局依旧保持不变,中美欧需求量仍占全球总量的 85% 左右。
从不同地区的发展增速来看,欧洲、中东、非洲地区的增速较快,亚太、美洲地区则呈现出放缓趋势。例如,在欧洲,随着对清洁能源的大力推广以及相关政策支持,储能项目不断涌现;而在亚太地区,尽管此前发展迅速,但由于一些地区市场逐渐饱和等因素影响,增速有所下降。
随着全球对可再生能源利用的重视程度日益提高,风光装机规模快速增长,配套储能也进一步普及,同时储能系统价格回落、独立储能商业模式日渐成熟等多项驱动因素共同作用,推动全球储能市场持续高速发展。2023 年电力储能项目累计装机规模同比增长 21.9%,展现出良好的发展态势。
在全球电力储能市场中,新型储能的占比正在不断提高。抽水蓄能以外的储能技术被定义为新型储能,涵盖了如锂离子电池、飞轮、钠离子电池、压缩空气储能、液流电池等多种技术类型。
根据中关村储能产业技术联盟(CNESA)全球储能数据项目库的不完全统计,2023 年,全球新增投运电力储能项目装机规模为 52.0GW(吉瓦),同比增长 69.5%,其中新型储能增长 45.6GW,占新增装机规模的 87.7%,累计装机规模达到 91.3GW,年增长率 90.3%。截至 2023 年底,新型储能在全球电力储能市场累计装机规模占比为 31.6%,且锂离子电池依旧占据主导地位,占比高达 99.6%,不过其他非锂储能技术也在快速发展。
比如锂离子电池储能,其市场占有率仍遥遥领先,2023 年锂电占比进一步从 2022 年的 94% 提高至 97%。飞轮、超级电容、钠离子电池、压缩空气储能、液流电池等非锂储能技术也逐渐实现应用突破,像钠离子电池制造工艺与锂电池相似,可沿用锂电池生产线,且理论成本更低,有望成为锂电池的补充;液流电池在长时储能方面具备成本优势,正不断推进关键材料的工程化和国产化,降低成本并提升集成工艺水平,改善系统可靠性,为新型电力系统建设和多元用户侧场景提供了更多的技术选择。
随着各国积极推进绿色能源转型,储能行业迎来了诸多发展机遇。一方面,新能源发电占比持续提升,风电、光伏发电等可再生能源并网带来的随机性、波动性问题更加突出,这使得储能在保障电力系统稳定运行方面的作用愈发关键,进而推动储能装机需求不断增长。例如,在一些风光资源丰富但电力供应不稳定的地区,储能系统可以有效平抑新能源发电的波动,提高电能质量。
同时,2024 年储能产业链价格持续走低,为下游需求释放创造了良好条件,有利于全球储能装机实现高速增长。并且,从市场来看,大储(大规模储能)在 2025 年的增长趋势明确,降息背景下项目释放也仍有超预期空间。
然而,储能行业在发展过程中也面临着一些挑战。市场竞争日益加剧,对于储能设备厂商而言,设备的自研自制能力成为盈利的关键。那些完全依赖外部采购设备的系统集成商,毛利率较低,亏损风险增大,尤其是小型厂商,低价竞争导致成本极限压缩和交付周期缩短,而质量保障问题更是关乎其能否在市场中生存下去。此外,像长时储能领域,部分技术还面临降本压力大、产品成熟度不够、示范项目问题暴露多以及融资目标与生产研发矛盾等诸多难题,都需要行业不断探索和解决,以实现可持续的高质量发展。
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