01儲能簡介及應用

儲能，是指通過介質或設備把能量存儲起來，在需要時再釋放的過程。儲能系統貫穿于電力發電、輸電、配電、用電各個環節，是新型電力系統的必要配置。儲能在電力系統的應用場景，主要分為發電側、輸配電側、用電側。

發電側需求場景多：電力調峰、輔助動態運行、系統調頻、可再生能源并網等；輸配電側：緩解電網阻塞、延緩輸配電設備擴容升級等；用電側：電力自發自用、峰谷價差套利、容量電費管理和提升供電可靠性等。

 

02儲能是新型電力系統的必選項

1、發電側解決不穩定性

新能源發電不同于傳統火電可通過人工調節發電效率，其具有明顯的不可控性、不穩定性，在并網時會對電網造成巨大電流沖擊損傷電網，因而解決不穩定性成為清潔能源發展的核心瓶頸。在發電側，儲能系統大多配備于大型集中式電站，用以緩解這一技術瓶頸。一方面，儲能系統可以通過將不能消納的多余電量存儲起來，按需求調度放電時點來實現“削峰填谷”，解決棄風棄光問題。

另一方面，儲能系統可以頻繁充放電或快速響應調頻信號，來實時調整新能源發電的短時輸出及功率，緩解電網短時間內的調頻、調峰壓力。

2、輸配側作為擴容裝置或后備裝置，提升線路可調節性及安全性

輸配側配置儲能能夠擴充線路容量，在日常應用中緩解線路阻塞，并且儲能的暫時性擴容作用能夠延緩或免去對老舊線路的替換需求，減少支出。同時，儲能設備也可作為后備裝置應用于變電站中，在外部交流電中斷時提供后備直流電，提高可靠性及安全性。

3、用戶側可有效利用電價差異，降低用電成本

在用戶側，儲能多應用于分布式光伏或風電裝置。基于分時電價體系或容量費用體系，用戶在電價較低的時段發電儲存，以滿足電價較高時段的用電需求，以此來實現總體用電成本的降低。

此外，用戶側另一重要應用即“微電網”，將分布式電源、儲能、能量轉換裝置等匯集成小型發配電系統，與總電網相分離，就近消納、減少對總電網沖擊等作用。

 

圖 | 儲能與電力市場公眾號，浙商證券研究所
 

03儲能技術路徑及未來趨勢分析

根據能量存儲形式，儲能包括物理儲能、電化學儲能、化學儲能、電磁儲能和熱儲能，其中電化學儲能是最主要的儲能方式，電化學儲能是指二次電池儲能，包括鋰離子電池、鈉離子電池、鉛蓄電池和液流電池等；物理儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣和飛輪儲能等。
 

 

不同技術路徑各有優劣，適用于不同應用場景。電化學儲能的額定功率和存儲電量較為靈活，但普遍存在安全或環保問題，主要用于新能源消納、峰谷價差套利、電力系統調峰調頻以及UPS等領域。物理儲能普遍壽命較長，但響應時間顯著慢于電化學儲能和電磁儲能，主要用于電力系統調峰領域。

圖 |《派能科技招股說明書》，《電力系統自動化》，華鑫證券研究

1、氫儲能

氫儲能基本原理是將水電解得到氫氣并儲存起來，當需要電能時將儲存的氫氣通過燃料電池或其他方式轉換為電能輸送上網。電解水制氫需要大量電能，成本遠高于傳統制氫方式，但因為可再生能源并網的不穩定性，我國具有嚴重的棄風、棄光問題，利用風電、光伏產生的富余電能制氫可以有效的解決電解水制氫的成本問題，并解決風光電的消納，因此氫儲能正逐漸成為我國能源科技創新的焦點。

但目前我國缺少方便有效的儲氫材料和技術，且氫儲能能量轉換效率較低，因此目前應用較少，能否解決這兩方面的問題將成為氫儲能未來能否獲得更多份額的關鍵。

 

2、物理儲能

物理儲能通過物理方法對能量進行存儲，需要時再將物理能轉化為電能。物理儲能主要包括重力儲能、抽水蓄能、飛輪儲能和壓縮空氣儲能。

（1）重力儲能

重力儲能介質主要分為水和固體物質，基于高度落差對儲能介質進行升降來實現儲能系統的充放電過程。除較成熟的抽水蓄能外，主流重力儲能方式為EnergyVault（EV）提出的儲能塔，其利用起重機將混凝土塊堆疊成塔，通過混凝土塊的吊起和吊落進行儲能和釋能。根據EV官網信息，其儲能塔能源效率可達90%，可以在8-16小時內以4-8MW連續功率放電，實現對電網需求的高速響應。

 

（2）抽水蓄能

抽水蓄能電站包含上下兩個水庫，在電力負荷低谷時利用過剩的電力抽水至上水庫，高峰時將水放出，利用水從上水庫流向下水庫時產生的物理能發電，從而達到調峰的作用。抽水蓄能可以實現能量的大規模存儲，因此廣泛應用于電力系統調峰。但由于其響應速度較慢，初始投資高，且受地理選址限制，因此未來發展空間有限。

 

（3）飛輪儲能

飛輪儲能在儲能時，電能驅動電機運行，電機帶動飛輪加速轉動，飛輪以動能的形式將能量存儲起來；釋能時，高速旋轉的飛輪拖動電機發電，完成物理能到電能的轉換。飛輪儲能比功率大，使用壽命長達15-30年，且響應速度可以達到毫秒級。因此飛輪儲能主要用于調頻和UPS。但因為其能量密度低且備電時長無法超過30分鐘，因此無法應用于大規模儲能電站。

 

（4）壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能技術源于燃氣輪機技術。用電低谷通過電動機帶動壓縮機將空氣壓縮并儲存于儲氣室中，使電能轉化為空氣的內能以存儲；用電高峰時，高壓空氣從儲氣室釋放，進入燃料室同燃料一起燃燒，驅動透平做工，帶動發電機發電。

壓縮空氣儲能是抽水蓄能之后另外一項適合GW級大規模電力儲能的技術，除存儲能量高之外，還具有能量密度和功率密度高、運營成本低、使用壽命長等優點，但與抽水蓄能類似，壓縮空氣儲能也受地理條件限制，需要高氣密性的洞穴作為儲氣室，這也進一步限制了壓縮空氣儲能的發展。
 

 

3、電化學儲能

電化學儲能即通過電化學反應完成電能和化學能之間的相互轉換，從而實現電能的存儲和釋放。目前主要應用的儲能電池主要包括鉛酸蓄電池、液流電池和鋰離子電池等，未來鈉離子電池隨產業鏈成熟也將逐步應用于儲能。

（1）鉛酸電池

鉛酸電池是以二氧化鉛為正極、金屬鉛為負極、硫酸溶液為電解液的一種二次電池，發展至今已有150多年歷史，是最早規模化使用的二次電池。鉛酸電池的儲能成本低，可靠性好，效率較高，廣泛應用于UPS，也是我國早期大規模電化學儲能的主導技術路線。但因為鉛酸電池循環壽命短、能量密度低、使用溫度范圍窄、充電速度慢，且鉛金屬對環境影響較大，鉛酸電池未來應用將會受極大程度限制。

 

（2）液流電池

液流電池技術路徑包括全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池等，其中，全釩液流電池綜合性能最佳、商業化程度最高。液流電池正、負極電解液儲罐獨立分離，放置在堆棧外部，通過兩個循環動力泵將正、負極電解液通過管道泵入液流電池堆棧中并持續發生電化學反應，通過將化學能與電能進行相互轉換作用來完成電能的儲存和釋放。液流電池功率取決于電極反應面積大小，存儲容量則取決于電解液體積與濃度，故液流電池規模大小設計更為靈活多變。因此，在長時儲能方面，全釩液流電池將具備成本優勢，較鋰電池等其他技術路徑具差異化競爭優勢。

 

（3）鋰離子電池

鋰離子電池通過鋰離子在正負極電極材料中的嵌入和脫嵌實現能量存儲。鋰離子電池能量密度較高，壽命長，因此正逐漸成為電化學儲能的主流路線。根據正極材料的不同，鋰離子電池又分為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元電池等。

磷酸鐵鋰電池在儲能領域綜合優勢顯著，其能量密度適中，安全性、使用壽命均優于其他電池類型，且成本較低；鈷酸鋰電池因金屬鈷的稀缺性價格遠高于其他電池，且循環壽命、安全性差，因此在儲能領域幾無應用；錳酸鋰電池能量密度與磷酸鐵鋰電池相近，價格雖低于磷酸鐵鋰，但使用壽命低導致其全生命周期度電成本高于磷酸鐵鋰電池，故應用較少；三元電池能量密度遠高于其他電池類型，使用壽命也可以達到8-10年，但安全性相對較差，成本遠高于磷酸鐵鋰電池，因此在不需要極高能量密度的儲能領域，應用前景弱于磷酸鐵鋰電池。

 

（4）鈉離子電池

鈉離子電池工作原理與鋰離子電池類似，利用鈉離子在正負極之間嵌脫過程實現充放電。鈉離子電池相對磷酸鐵鋰電池安全性能、低溫性能、快充性能更高，成本更低，且鈉資源遠比鋰資源豐富且遍布全球各地，若鈉離子能夠廣泛應用，我國將很大程度上擺脫目前鋰資源受限的情況。

鈉離子電池劣勢主要體現在循環次數較低和產業鏈不成熟。目前鈉電池循環壽命普遍在2000-3000次，產業鏈不成熟則導致上游價格較高，鈉電池成本優勢無法顯現。

 

4、小結：

綜合而言，抽水蓄能、鋰電池、鈉電池與全釩液流電池，四者的發展空間較大。

具體來看，在大規模調峰方面，抽水蓄能具有全生命周期成本優勢，將繼續成為主流選擇；后三者則將廣泛與風電、光伏配合使用，全釩液流電池主要用于4小時以上長時儲能，鈉電池將在大型儲能電站中對鋰電池形成一定替代，對能量密度敏感性較高的工商業與家用儲能中，鋰電池仍將占主導地位。

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