主要储能系统技术经济性分析

（中科院工程热物理研究所）

一、成熟度

图1所示为电力储能系统的技术成熟度的总结与比较。根据成熟度不同可分为三个层次：

　　　　　　　　　　　　　　　　 图1 储能技术成熟度

PHS- 抽水蓄能；CAES- 压缩空气；Lead-Acid: 铅酸电池；NiCd: 镍镉电池；NaS: 钠硫电池；ZEBRA: 镍氯电池；Li-ion: 锂电池；Fuel cell: 燃料电池；Metal-air: 金属空气电池；VRB: 液流电池；ZnbBr: 液流电池；PSB: 液流电池；Solar Fuel: 太阳能燃料电池；SMES: 超导储能；Flywheel: 飞轮； Capacitor/Supercapcitor: 电容/超级电容；AL-TES: 水/冰储热/冷系统；CES:低温储能系统；HT-TES：储热系统

(1) 成熟技术：抽水蓄能电站和铅酸电池技术已经成熟，其使用已超过100年。

(2) 基本成熟的技术：压缩空气储能、镍镉电池、钠硫电池、锂离子电池、液流电池、超导磁能、飞轮、电容、储热/冷等技术已经完成研发并开始商业化，但是还没有大规模普遍应用，它们的竞争力和可靠性仍然需要电力企业和市场来进一步检验。

(3) 正在研发的技术：燃料电池、金属-空气电池和太阳能燃料正在研发中，虽然它们在技术上并没有达到商业成熟的程度，但已经通过了多个科研机构的研究论证。另一方面，由于能源成本和环境问题的驱动，这几种技术在不久的将来将具有巨大的商业潜力。

二、功率和放电时间

表1对各种类型电力储能系统的功率和放电时间进行了比较，根据它们的应用情况，大体上分为三种类型：

(1) 能源管理：抽水储能、压缩空气储能适合于规模超过100MW和能够实现每天持续输出的应用，可用于大规模的能源管理，如负载均衡、输出功率斜坡/负载跟踪。大型电池、液流电池、燃料电池、太阳能电池和储热/冷适合于10~100MW的中等规模能源管理。

(2) 电力质量：飞轮、电池、超导磁能、电容反应速度快（约毫秒），因此可用于电能质量管理包括瞬时电压降、降低波动和不间断电源等，通常这类储能设备的功率级别小于1MW。

(3) 电能桥接：电池、液流电池和金属-空气电池不仅要有较快的响应（约小于1秒），还要有较长的放电时间（1小时），因此比较适合桥接电能。通常此类型应用程序的额定功率为100kW~10MW。

表1 各种储能技术性能比较

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  表2 各种储能技术性能比较(续）

三、储存周期

表1还给出了各种储能技术的能量自耗散率，其中抽水储能、压缩空气储能、燃料电池、金属-空气电池、太阳燃料和液流电池等的自耗散率很小，因此均适合长时间储存。铅酸电池、镍镉电池、锂电池、储热/冷等具有中等自放电率，储存时间以不超过数十天为宜。飞轮、超导磁能、电容每天有相当高的自充电比，只能用在最多几个小时的短循环周期。

四、成本

成本是影响储能产业经济性的最重要因素之一。表1分别列出了以每千瓦时、每千瓦、每千瓦时-循环为单位的各种储能技术的成本。可见，就每千瓦时的成本而言，压缩空气、金属-空气电池、抽水储能、储热技术成本较低。与其它形式储能系统相比，在已经成熟的储能技术中压缩空气储能的建设成本最低，抽水储能次之。尽管电池的成本近年来下降很快，但同抽水储能系统相比仍然较高。超导磁能、飞轮、电容单位输出功率成本不高，但从储能容量的角度看，价格很贵，因此它们更适用于大功率和短时间应用场合。总体而言，在所有的电力储能技术中，抽水储能和压缩空气储能的每千瓦时储能和释能的成本都是最低的。尽管近年来电池和其他储能技术的周期成本已在大幅下降，但仍比抽水储能和压缩空气储能的成本高出不少。

对于表1，进行以下说明：

（1）表1所有成本均按照2009年美元汇率换算成美元；

（2）压缩空气储能每千瓦成本除了电站建造成本，还包括储气室建设成本，后者与储气量大小有关；

（3）电池成本中不包括电池更换费用；

（4）各储能系统每千瓦小时发电成本（以COST表示）计算公式如下：

对于压缩空气储能系统：

其它储能系统：

五、效率

各种电力储能系统的充放电循环效率如图2所示。可见，储能系统的循环效率大致可以分为三种：

(1) 极高效率：超导磁能、飞轮、超大容量电容和锂离子电池的循环效率超过90%；

(2) 较高效率：抽水蓄能、压缩空气储能、电池（锂离子电池除外）、液流电池和传统电容的循环效率为60%~90%；

(3) 低效率：金属-空气电池、太阳燃料、储热/冷的效率低于60%；

效率计算公式一般分两种，基于热力学第一定律的储能系统效率计算式：

　　　　　　　　　

上式适用于能量以机械能或电磁能形式储存的储能系统。

对于储热/冷系统，除了上式，往往还需从能量品位的角度评价储能过程。

基于热力学第二定律的储能系统效率计算式：

　　　　　　　　　　

 六、能量密度和功率密度

表2还列出了各种储能技术的能量密度和功率密度，其中能量密度等于存储能量除以装置体积（或质量），功率密度等于额定功率除以存储设备的体积（或质量）。可见，尽管金属-空气电池和太阳能燃料的循环效率很低，但是它们却有极高的能量密度（~1000Wh/kg），而电池、储热/冷和压缩空气储能具有中等水平的能量密度。抽水储能、超导磁能、电容和飞轮的能量密度最低，通常在30Wh/kg以下。然而，超导磁能、电容和飞轮的功率密度是非常高的，它们更适用于大放电电流和快速响应下的电力质量管理。钠硫电池和锂离子电池的能量密度比其它传统电池的高，液流电池的能量密度比传统电池稍低（应该注意的是，不同厂商生产的相同类型的储能系统会在能量密度数据有所不同）。

表2各储能系统能量密度计算式为：

或

，以下是不同储能系统所储存的能量值E。

（1）抽水蓄能储存的机械能计算式为：

　　　

其中H为水位高度，g为重力加速度，V为水库容量，为水密度。

（2）压缩空气储存的能量计算式为：

其中P为绝对压力，V为储气容积，m为储存的空气质量，R为理想气体常数，T为绝对温度，V1-V2为压缩过程前后空气体积。

（3）飞轮储存的机械能计算式为：

其中J为转动惯量，为飞轮角速度。

（4）超导储能储存的电能计算式为：

其中L为线圈电感系数，I为线圈电流。

（5）电容储存的电能计算式为：

其中C为电容，V为电压，Q为总的电荷。

（6）储热系统储存的热量计算式为：

非相变储热：

　

其中m为储热介质质量，T1，T2为吸热前后温度，Cp为比热容。

相变储热：

其中m为相变介质质量，为相变热，Cp为比热容，m为相变点。

七、使用寿命和循环次数

表2还比较了不同电力储能系统的使用寿命和循环次数。可以看出，那些在原理上主要依靠电磁技术的电力储能系统的循环周期非常长，通常大于20000次。例如，包括超导磁能和电容器。机械能或储热系统（包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮、储热/冷）也有很长的循环周期。由于随着运行时间的增加会发生化学性质的变化，因此电池和液流电池的循环寿命较其它系统低。