储能技术展望——新型储能技术进展及应用分析

　　0 引言

　　能源是人类发展与社会进步的动力，为实现高质量的社会主义现代化国家，推动碳达峰碳中和，我国能源产业也将绿色低碳转型作为高质量发展的战略性任务[1-4]。其中，储能是在此背景下催生出的新兴行业。目前，我国储能行业处于由商业化初期向规模化发展的过渡阶段，在技术研发、示范项目、商业模式、政策体系等方面均快速发展，形成了以抽水蓄能为主，多种储能技术综合发展的整体趋势[5-8]。

　　国内外专家学者对现阶段全球储能技术的进展及应用情况进行了总结与分析。Koohi-Fayegh[9]对不同储能技术进行了比较，分析了不同储能技术应用场景和领域。Hameer[10]对大规模电能储存技术的研究进展进行了概述，并进行了技术经济评估。Rekioua[11]从功率、能源要求、效率、成本、可扩展性和耐用性等角度对光伏和风能系统的储能技术进行了概述。薛福[12]对现有储能技术的类型和发展状况进行全面分析和总结，着重分析了不同储能技术的特点及差异性，并对其应用场景及经济性做了综合比较。陈海生等[13]通过对基础研究、关键技术和集成示范三方面的回顾和分析，总结了2022年中国储能领域的主要技术进展，也针对抽水蓄能、电化学储能、压缩空气储能等具体储能类型的技术也系统且全面地概述了其在行业内的研究及进展情况。

　　然而，目前的综述往往受限于发展阶段及特定行业的限制，同时没有结合我国目前的实际发展情况进行分析。对目前储能技术的类型、储能技术研究进展情况、储能技术特点等方面进行全面审查、融合分析，有助于更好地了解不同新型储能技术的发展前景。因此，本文对现阶段我国储能技术的发展情况进行了梳理，总结概况国内的储能基础研究重点，对不同储能方式的技术特点进行对比分析。最后总结了2023年我国储能技术发展规模。通过本文的总结，可更加直观了解我国储能行业发展情况，为我国储能技术的科学研究及相关从业者提供参考。

　　1 新型储能技术分类

　　储能是指利用装置或物理介质将能量储存，其目的是满足能量短缺时的需求。现阶段普遍将储能按照方式分为：机械储能、电化学储能、电磁储能、储热技术、氢储能技术等，如图1所示。

图1 新型储能技术分类
Fig.1 Classification of new energy storage technologies

　　2 国内外储能技术发展概况

　　2.1国内储能技术发展概况

　　随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，我国储能已经进入快速发展阶段。据CNESA最新公布数据，截至2023年6月底，中国已投运电力储能项目累计装机规模70.2GW(包括抽水蓄能、熔融盐储热和其他新型储能)。其中，新型储能占比30%，锂离子电池依然是新型储能中占比最高的类型。我国的储能技术发展经历了四个阶段。第一阶段从2000年至2010年以电化学储能技术为重点开展了一系列研究;第二阶段2011年至2015年，相应技术规范已逐渐趋于成熟，并开展了广泛的市场试验;第三阶段2016年至2020年相关储能技术进入早期的商业化发展阶段;第四阶段从2020年至2025年，我国储能进入大规模商业化阶段。

　　此外，我国的储能产业发展呈现出区域性特点，不同地域以自身地理资源为优势，大力发展储能技术。华北地区风电资源丰富，西南地区水利资源丰富，储能产业呈现出地域性多元化的快速发展趋势。目前，我国储能技术呈现出以电化学电池、抽水蓄能为主，压缩空气储能及飞轮储能为辅的飞速发展阶段。

　　2.2国外储能技术发展概况

　　截至2023年，国外储能产业相关政策逐步落地，全球整体发展高速增长。根据EIA统计，美国2023年储能装机约4.6GW，同比增长约21%，同时政府为解决电网设施老旧问题，推出改革措施简化手段，有助于推动储能项目开展。

　　欧洲市场能源不断转型，英国、意大利以及德国新增多个储能项目。英国计划将19个电化学储能项目并网时间平均提前于原先协议时间四年推动项目加速。欧盟对多个国家地区发布储能资金补助，以加快项目规划建设进度。

　　此外，亚非拉等发展中国家近年装机持续增长。根据IRENA数据，2019-2022年非洲光伏与风电装机的复合年增长率(Compound Annual Growth Rate，CAGR)分别从9.63%增长至11.61%，东南亚国家分别从36.16%增长至52.18%

　　3 新型储能技术进展情况

　　3.1 抽水蓄能

　　抽水蓄能(PHES)是一种资源驱动型技术，通过使用电能将低处的水体通过管道输送到更高的蓄水池，以水力势能的形式储存电能。在发电盈余时，用多余电能将水从下水库抽至上水库进行蓄能，在用电高峰时释放水体进而增加发电量。PHES系统的综合能效在75–85%之间变化，通常容量大小为1000–1500 MW 。 PHES系统的其他优点是资产寿命长，即50至100年，以及运行和维护成本低。PHES系统的一些缺点是机组尺寸大、资本成本高和地形限制，即两个水库之间的可用高差和环境高差。目前，抽水蓄能以变速机组关键技术、高水头大容量机组监测与控制技术，以及抽水蓄能与可再生能源联合控制技术等方面为发展方向。

　　在变速机组关键技术方面，李璟延[14]提出了一种新型抽水蓄能电站，融合了变速机组技术、电化学储能系统、风能、太阳能等新能源储能系统以及物联网技术。陈龙翔等[15]提出了交流 励磁变 速发电电动机、水泵水轮机、变频器等核心装备的研制框架和重点。陈骁[16]等推导了变速机组输出功率对系统减速面积的灵敏度。韩璋[17]等提出了自适应反步滑模控制(ABSMC)的变速抽蓄机组的调速系统。胡超[18]等采用特征线法建立了“引水两洞四机、尾水四机一洞”的变-定速抽水蓄能机组水力过渡过程数学模型。肖微[19]等进行了自振特性分析。文献[20-23]分别从数学模型分析、控制策略等方面优化并改进变速机组相关技术。

　　在高水头大容量机组监测与控制技术方面，张飞[24]等研究了速度信号积分为位移信号的积分方法与滤波器参数设置。刘雪芹[25]等采用卷积神经网络深度学习识别模型，建立大型泵站机组运行状态声纹样本库和模型库，构建泵站机组振动状态的声纹监测系统，实现大型泵站机组运行状态的实时监测。赵卫强[26]等通过对水泵水轮机机组振动特性曲线的趋势分析，获得了准确 地 评估指标及其趋势以及异常值的识别。大部分文献[27-32]对机组的振动特性开展了研究，并利用数学算法、深度学习等方法实现机组运行监测与控制。

　　在可再生能源联合控制技术方面，胡泽春[33]等以风电—抽水蓄能联合运行的效益最大化为目标提出了电网消纳风电 出力 的新模式。荆朝霞[34]等提出了考虑负荷响应的含风/光/抽水蓄能的海岛微网优化配置模型。梁子鹏[35]等建立了考虑风电不确定度的风-火-水-气-核-抽水蓄能多类型电源机组协同调度的旋转备用优化模型。文瑶[36]等进行了废弃矿山光伏-抽水蓄能电站可行性分析。

　　3.2 电化学储能

　　电化学储能(BES)电池使用化学反应将储存的化学能转化为电能实现电能的储存。目前已成为较常见、最多样的储能技术，广泛应用于现代工业、家庭。BES根据发展阶段与技术路线不同，分为锂离子电池、钠离子电池、全钒液流电池和锌溴液流电池四种类型。其中，锂离子电池凭借其材料特性商业化最为成功。由于电化学储能发展历史悠久，相应的技术较多，本文仅简单介绍锂离子电池的技术研究进展。

　　在锂离子电池研究主要分为：正负极材料改性研究[37,38]、功能电解质研究[39,40]、电池回收再生[41]、新型锂电池技术[42-45]等方面。其中，新型锂电池技术由于能量密度高、储能量大、造价低等优势获得广泛关注。Park等[46]利用电子阻塞电池的直流极化技术系统分析了活性物质的形状和组成对离子输运特性的影响性。Wang等[47]设计了一种Zr(OH)4涂层的离子选择隔膜，使NCA-Gr软包电池具有稳定的循环性能，可循环600次，解决了高温跳水问题。Quinn等[48]认为在电解质添加剂形成有效的钝化层来改善硅负极的循环稳定性，可提高循环稳定性。Cui等[49]使用激光处理可诱导聚偏氟乙烯黏结剂的部分分解和表面LiF相的形成，减轻了电极-电解质副反应。

　　3.3 压缩空气储能

　　压缩空气储能(CAES)是指将空气压缩储存在地下洞室或废弃矿井中。在电力富余时，利用电力驱动压缩机，存储于专用腔室内，当电力紧缺时释放腔室内的高压气体进而带动发电机运作。CAES技术因其运行效率高、成本相对低、系统稳定等优点，现阶段认为其有潜力成为大规模储能技术之一。目前国内在CAES系统总体特性研究、关键部件内部流动与传蓄热研究、压缩机和膨胀机关键技术等方面开展了大量的研究。

　　在系统总体特性方面，周檬[50]等采用改进粒子群算法对系统多个运行参数进行优化。李姚旺[51]等提出了含AA-CAES电站的电力系统实时调度模型。鄢发齐[52]等提出了含CAES和多类型柔性负荷的电力系统多时间尺度电能-备用联合优化调度模型。杨绪青[53]等提出一种CH-CAES与吸收式热泵循环(AHP)集成的热电联产系统(CH-CAES-AHP)，以实现能量的梯级利用。Huang等[54]提出了一种变速压缩空气储能系统，使储电过程的工况范围拓宽了49%，且储/释电过程的功率动态响应时间远小于定速系统。耿晓倩等[55]建立了压缩空气储能系统的全生命周期模型，获得了系统的全生命周期能效及碳排放量。

　　在关键部件内部流动与传蓄热技术研究上，刘祯等[56]研究了吸气温度对涡旋膨胀机性能的影响规律及工作腔流场分布特点。肖旻逾等[57]提出了一种功热并储恒压绝热压缩空气储能系统，该系统在输入功率低于压气机启动功率时，储热系统运行，从而实现储能功率大范围连续可调。刘小明等[58]进行了齿轮组装式压缩机在非补燃式压缩空气储能项目中的应用试验。郑开云等[59]提出了一种耦合抽水蓄能的压缩空气储能系统，并从研究思路、概念方案和工程可行性进行分析。许永红等[60]提出了气动 马达 并联工作模式以提高压缩空气储能系统的输出功率、能量转换效率和经济性。

　　在压缩机和膨胀机关键技术方面，王君等[61,62]根据涡旋压缩机的流体区域变化规律，提出一种结构化动网格的生成方法，实现了啮合间隙处的网格加密。刘祯等[56]采用计算流体力学 ( CFD ) 的方法对涡旋膨胀机工作过程进行非定常数值模拟，得到膨胀机内部温度场、压力场和速度场的分布。孙晓霞等[63]引入J型弯曲导叶，并采用三维计算流体动力学方法，对比研究进气室非均匀流场影响下，该结构内部流场结构、损失分布特点以及对轴流涡轮性能的提升效果。刘祯等[64]研究了相同排气背压下外膨胀比对涡旋膨胀机非稳态性能的影响规律及工作腔流场结构分布。赵腾龙等[65]研究外接负载电阻对FPE-LG的运动特性、输出性能和能量转换效率的影响。虞启辉等[66]以输出功率和效率作为性能指标对活塞式膨胀机进行研究，分析了进气压力、间隙容积、进气持续角对膨胀机输出特性的影响。

　　3.4 储热技术

　　储热技术(TES)是指将热量或“冷量”通过介质进行储存，当环境温度低于(高于)介质温度时将热量进行释放。TES技术已广泛运用于电力、工业、建筑等领域。储热方式包括三种：显热储热、相变储热及化学反应储热。目前的主要研究方向包括储热材料、储热单元、储热系统与控制技术等。

　　在储热材料方面，汤立文等[67]结合纳米颗粒的特殊尺寸效应，把纳米技术运用到相变储热材料的制备和改进中。毛建辉等[68]利用真空快速磁感应加热炉制备Mg-Zn-Sn合金相变储能材料。王燕等[69]制备了太阳盐/钢渣定型复合相变储热材料，复合材料结构紧密，化学相容性良好。文献[70-72]研究了铝基相变储热材料的制备及其特点。

　　在储热单元方面，张永学等[73]基于雪花晶体的分形结构，提出了一种新型翅片结构来提高填充了相变材料的潜热储存单元储/放速率。李传等[74]建立了复合材料和储热单元体内部的二维传热模型，考察了复合材料物性和结构尺寸及传热流体操作条件 ( 流体流速 ) 对单元体储热性能的影响。韩广顺等[75]对管翅式相变储热单元进行了二维非稳态模拟研究，对比研究了同心管翅、偏心管翅以及翅片接触外管三种储热单元的传热特性。刘立君等[76]对偏心分形翅片管相变储热单元中石蜡的熔化展开了二维非稳态模拟研究。

　　在储热系统与控制技术方面，国内大部分研究均集中在不同的储热介质上，如：水蓄热、固体蓄热、太阳能系统等方面。此外也同时开展了系统条件、智能系统优化、自动控制与集成系统等方面的研究工作。

　　3.5电磁储能

　　超导磁储能(SMES)是指通过大型超导线圈实现，使用液氦或氮气将超导线圈保持低温状态，进而降低电阻，保存电能。SEMS的研究以系统线圈配置、能量容量、结构和工作温度为基础，近些年在负载均衡、系统稳定性、电压稳定性、频率调节、传输能力增强、电能质量改善、自动发电控制和不间断电源技术等方面的研究不断深入。

　　在超导储能线圈方面，张润理等[77]利用热测法实现对高温超导YBCO线圈交流损耗的准确测量，并给出了高温超导YBCO线圈的理论数值计算模型。丘明等[78]提出一种基于Matlab与COMSOL联合进行高温超导环形储能磁体电磁优化的设计方法。汪良等[79]提出一种应用于超导储能的DC/DC变换器电路拓扑。

　　在功率调节系统方面，张智鑫等[80]设计了一种同时兼作并联型有源电力滤波器和功率调节器的超导储能控制器。姜惠兰等[81]提出一种联合双馈风机与超导储能协调控制改善电力系统小干扰稳定性的方法。陈孝元等[82]建立了轴向气隙优化型超导储能磁体结构设计模型，初步形成了规模化超导储能概念设计方案。彭思思等[83]分析氧化钇钡铜高温超导带材在超导储能装置的应用情况。

　　4 新型储能技术应用分析

　　如表1所示，为不同新型储能技术的特点分析。

　　表1 不同新型储能技术的特点

　　5 结论与展望

　　储能技术是现阶段我国能源行业发展的主推方向之一。纵观2023年，我国储能产业机遇与挑战并存，一方面市场规模不断壮大，新型储能技术项目落地进展迅速。另一方面储能行业产能相对过剩，行业成熟度还有待提高。

　　(1)电力储能项目稳态增长。

　　据CNESA DataLink全球储能数据库的不完全统计，截至2023年6月底，中国已投运电力储能项目累计装机规模70.2GW，同比增长44%，其中，抽水蓄能累计装机首次低于80%。新型储能继续呈现高速发展的态势，正在规划、建设和运行的新型储能项目达850个，远超去年新增规模。

　　(2)新型储能技术高速发展。

　　2023年我国新型储能技术相关项目数量超2500个，同比增长46%。其中2023年功率规模达34.5GW，能量规模达74.4GWh。相比2022年功率规模增加21.5GW，能量规模增加46.6GWh。

　　(3)电化学储能商业化市场不断扩大。

　　2023年中国企业在全球市场的储能锂电池出货量达206GWh，同比增长58%。全球储能锂电池出货225GWh，同比增长50%。中国出货量占全球总出货量的91.5%。

　　综上所述，现阶段我国在储能技术集成示范和产业化过程中成为世界上最活跃的国家。虽然抽水蓄能技术增幅不明显，但我国未来的方向还是以抽水蓄能为主多种储能技术并行的发展模式。此外，电化学储能技术中锂离子电池储能技术因其成本低、安全性高、寿命长的特点是目前的主流方向。我国还正在不断发展压缩空气储能、超级电容器储能、超导储能等新型储能技术。未来随着产业政策的不断完善、技术的不断成熟，我国的“碳达峰、碳中和” 、 “可持续发展”等伟大目标将进一步实现。