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

(1) 成熟技术：抽水蓄能电站和鉛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、飛轮、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進一步检验。

(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，但已經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。

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、压缩空气储能適合于规模超过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10~100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）因此可鼡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-空氣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）

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。

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咜形式储能系统相比，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沝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囷短时间应用场合。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來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所有荿本均按照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：

各种电力儲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孓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

基於热力学第二定律的储能系统效率计算式：

 六、氢气储能能量密度度和功率密度

表2还列出了各种储能技术的氢气储能能量密度度和功率密度，其中氢气储能能量密度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氢气储能能量密度度（~1000Wh/kg）而电池、储热/冷和壓缩空气储能具有中等水平的氢气储能能量密度度。抽水储能、超导磁能、电容和飞轮的氢气储能能量密度度最低通常在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氢气储能能量密度度比其它传统电池的高，液流电池的氢气储能能量密度度比传统电池稍低（应该注意的是不同厂商生产的相同类型的储能系統会在氢气储能能量密度度数据有所不同）。

表2各储能系统氢气储能能量密度度计算式为：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為绝对压力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為：

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：

其中m为储热介质质量，T1T2为吸热前后温度，Cp为比热容

其Φm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。可鉯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囷液流电池的循环寿命较其它系统低。

电能的存储方式主要可分为机械儲能、电磁储能、电化学储能和 相变储能等机械储能主要有抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等；电 磁储能包括超导磁储能和超级电嫆器储能等；电化学储能主要有铅酸蓄电 池、钠硫电池、液流电池和锂离子电池储能；相变储能包括冰蓄冷储能、 热电相变蓄热储能等。目前大规模储能技术应用水平与电力系统的巨大需求之间还存在较 大差距。适合新能源接入应用的储能技术主要是抽水蓄能、压缩空气儲能 和电化学储能抽水蓄能技术相对成熟，而其他储能技术还处于试验示范 阶段甚至初期研究阶段其中钠硫电池、液流电池、锂离子電池等新型电 化学储能技术水平进步较快，具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景

电类储能有多少种类型？电气类储能的应用形式只有超级电容器储能和超导储能

根据电化学双电层理论研制而成的，又称双电层电容器两电荷层的距离非常小(一般0.5mm以下)，采用特殊电极结構使电极表面积成万倍的增加，从而产生极大的电容量

超级电容器储能开发已有50多年的历史，近二十年来技术进步很快使它的电容量与传统电容相比大大增加，达到几千法拉的量级而且比功率密度可达到传统电容的十倍。

超级电容器储能将电能直接储存在电场中無能量形式转换，充放电时间快适合用于改善电能质量。由于氢气储能能量密度度较低适合与其他储能手段联合使用。

超导储能系统昰由一个用超导材料制成的、放在一个低温容器(cryogenic vessel) (杜瓦Dewar )中的线圈、功率调节系统(PCS)和低温制冷系统等组成

能量以超导线圈中循环流动的直流電流方式储存在磁场中。

超导储能适合用于提高电能质量增加系统阻尼，改善系统稳定性能特别是用于抑制低频功率振荡。

但是由于其格昂贵和维护复杂虽然已有商业性的低温和高温超导储能产品可用，在电网中应用很少大多是试验性的。SMES 在电力系统中的应用取决於超导技术的发展 (特别是材料、低成本、制冷、电力电子等方面技术的发展)

铅酸电池是世界上应用最广泛的电池之一。铅酸电池内的阳極(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中两极间会产生2V的电势，这就是铅酸电池的原理

铅酸电池常常用于电力系统的事故电源或备用电源，以往夶多数独立型光伏发电系统配备此类电池目前有逐渐被其他电池(如锂离子电池)替代的趋势。

锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池囸负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构。

充电时Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂态正极处于贫锂态;放电时则楿反，Li+从负极脱嵌经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态负极处于贫锂态。

由于锂离子电池在电动汽车、计算机、手机等便携式和移動设备上的应用所以它目前几乎已成为世界上应用最为广泛的电池。

锂离子电池的氢气储能能量密度度和功率密度都较高这是它能得箌广泛应用和关注的主要原因。

它的技术发展很快近年来，大规模生产和多场合应用使其价格急速下降因而在电力系统中的应用也越來越多。

锂离子电池技术仍然在不断地开发中目前的研究集中在进一步提高它的使用寿命和安全性，降低成本、以及新的正、负极材料嘚开发上

钠硫电池的阳极由液态的硫组成，阴极由液态的钠组成中间隔有陶瓷材料的贝塔铝管。电池的运行温度需保持在300℃以上以使电极处于熔融状态。

日本的NGK公司是世界上唯一能制造出高性能的钠硫电池的厂家目前采用50kW的模块，可由多个50kW的模块组成MW级的大容量的電池组件

在日本、德国、法国、美国等地已建有约200多处此类储能电站，主要用于负荷调平、移峰、改善电能质量和可再生能源发电电池价格仍然较高。

在液流电池中能量储存在溶解于液态电解质的电活性物种中，而液态电解质储存在电池外部的罐中用泵将储存在罐Φ的电解质打入电池堆栈，并通过电极和薄膜将电能转化为化学能，或将化学能转化为电能

这种电池技术最早为澳大利亚新南威尔士夶学发明，后技术转让给加拿大的VRB公司

在2010年以后被中国的普能公司收购，中国的普能公司的产品在国内外一些试点工程项目中获得了应鼡

电池的功率和能量是不相关的，储存的能量取决于储存罐的大小因而可以储存长达数小时至数天的能量，容量也可达MW级适合于应鼡在电力系统中。

各种类型的储能系统中锂离子电池储能是目前技术相对成熟的一种储能方式。以橄榄石型磷酸铁锂为活性物质的锂离孓二次电池具有较高的氢气储能能量密度度、较低的生产制造成本以及使用寿命长等诸多优点。在电动汽车产业的推动下与磷酸铁锂電池有关的荷电状态估算、电池集成技术、管理系统等方面更是进行了广泛、深入的研究工作。然而这些研究多数是在电动汽车使用环境、运行工况和使用条件下进行的，其研究成果和结论并不完全适用于以大规模能量输入/输出为特征的电网储能系统

从广义上讲，储能即能量存储是指通过一种介质或者设备，把一种能量形式用同一种或者转换成另一种能量形式存储起来基于未来应用需要以特定能量形式释放出来的循环过程。

从狭义上讲针对电能的存储，储能是指利用化学或者物理的方法将产生的能量存储起来并在需要时释放的一系列技术和措施

九种储能电池技术优劣对比：

1、原料易得，价格相对低廉;

2、高倍率放电性能良好;

3、温度性能良好可在-40~+60℃的环境下工作;

4、适合于浮充电使用，使用寿命长无记忆效应;

5、废旧电池容易回收，有利于保护环境

2、使用寿命不及Cd/Ni电池;

3、制造过程容易污染环境，必须配备三废处理设备

1、与铅酸电池比，氢气储能能量密度度有大幅度提高重量氢气储能能量密度度65Wh/kg，体积氢气储能能量密度度都有所提高200Wh/L;

2、功率密度高可大电流充放电;

4、循环寿命(提高到1000次);

6、技术比较锂离子电池成熟。

1、正常工作温度范围-15~40℃高温性能较差;

2、工作电壓低，工作电压范围1.0~1.4V;

3、价格比铅酸电池、镍氢电池贵但是性能比锂离子电池差。

5、环保无污染;目前是最好潜力的电动汽车动力电池之┅。

主要缺点：氢气储能能量密度度低仅1-10Wh/kg，超级电容续航里程太短不能作为电动汽车主流电源。

1、比能量高汽车行驶里程长;

2、功率密度高，可大电流充放电;

1、系统复杂技术成熟度差;

2、氢气供应系统建设滞后;

3、对空气中二氧化硫等有很高要求。由于国内空气污染严重在国内的燃料电池车寿命较短。

5、无污染可回收(Na，S回收率近100%);6、无自放电现象能量转化率高;

1、工作温度高，其工作温度在300~350度电池工莋时需要一定的加热保温，启动慢;

2、价格昂贵万元/每度;

七、液流电池(钒电池)

1、安全、可深度放电;

2、规模大，储罐尺寸不限;

3、有很大的充放电速率;

4、寿命长高可靠性;

6、充放电切换快，只需0.02秒;

7、选址不受地域限制

1、正极、负极电解液交叉污染;

2、有的要用价贵的离子交换膜;

3、两份溶液体积大，比能量低;

4、能量转换效率不高

致命缺陷：固体反应生成物氧化锂(Li2O)会在正极堆积，使电解液与空气的接触被阻断从洏导致放电停止。科学家认为锂空气电池的性能是锂离子电池的10倍，可以提供与汽油同等的能量锂空气电池从空气中吸收氧气充电，洇此这种电池可以更小、更轻全球不少实验室都在研究这种技术，但如果没有重大突破要想实现商用可能还需要10年。

九、锂硫电池(锂硫电池是一类极具发展前景的高容量储能体系)

1、氢气储能能量密度度高理论氢气储能能量密度度可达2600Wh/kg;

虽然锂硫电池研究已经经历了几十姩，并且在近10年时间取得了许多成果但离实际应用还有不小距离。

[摘要]现有的储能系统主要分为五類：机械储能、电气储能、电化学储能、热储能和化学储能目前世界占比最高的是抽水蓄能，其总装机容量规模达到了127GW占总储能容量嘚99%，其次是压缩空气储能总装机容量为440MW，排名第三的是钠硫电池总容量规模为316MW。

现有的储能系统主要分为五类：机械储能、电气储能、电化学储能、热储能和化学储能目前世界占比最高的是抽水蓄能，其总装机容量规模达到了127GW占总储能容量的99%，其次是压缩空气储能总装机容量为440MW，排名第三的是钠硫电池总容量规模为316MW。

机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等

　　(1)抽水蓄能：将电网 低谷时利用过剩电力作为液态能量媒体的水从地势低的水库抽到地势高的水库，电网峰荷时高地势水库中的水回流到下水库嶊动水轮机发电机发电效率一般为75%左右，俗称进4出3具有日调节能力，用于调峰和备用

　　不足之处：选址困难，及其依赖地势;投资周期较大损耗较高，包括抽蓄损耗+线路损耗;现阶段也受中国电价政策的制约去年中国80%以上的抽蓄都晒太阳，去年八月发改委出了个关於抽蓄电价的政策以后可能会好些，但肯定不是储能的发展趋势

　　(2)压缩空气储能(CAES)：压缩空气蓄能是利用电力系统负荷低谷时的剩余電量，由电动机带动空气压缩机将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴，当系统发电量不足时将压缩空气经换热器与油或天然氣混合燃烧，导入燃气轮机作功发电国外研究较多，技术成熟我国开始稍晚，好像卢强院士对这方面研究比较多什么冷电联产之类嘚。

　　压缩空气储也有调峰功能适合用于大规模风场，因为风能产生的机械功可以直接驱动压缩机旋转减少了中间转换成电的环节，从而提高效率

　　不足之处：一大缺陷在于效率较低。原因在于空气受到压缩时温度会升高空气释放膨胀的过程中温度会降低。在壓缩空气过程中一部分能量以热能的形式散失在膨胀之前就必须要重新加热。通常以天然气作为加热空气的热源这就导致蓄能效率降低。还有可以想到的不足就是需要大型储气装置、一定的地质条件和依赖燃烧化石燃料

　(3)飞轮储能：是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来。需要能量时飞轮减速运行，将存储的能量释放出来飞轮储能其中的单项技术国内基本都有了(但和国外差距在10年以仩)，难点在于根据不同的用途开发不同功能的新产品因此飞轮储能电源是一种高技术产品但原始创新性并不足，这使得它较难获得国家嘚科研经费支持

　　不足之处：氢气储能能量密度度不够高、自放电率高，如停止充电能量在几到几十个小时内就会自行耗尽。只适匼于一些细分市场比如高品质不间断电源等。

　　(1)超级电容器储能：用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的電容量与利用化学反应的蓄电池不同，超级电容器的充放电过程始终是物理过程充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和綠色环保。超级电容没有太复杂的东西就是电容充电，其余就是材料的问题目前研究的方向是能否做到面积很小，电容更大超级电嫆器的发展还是很快的，目前石墨烯材料为基础的新型超级电容器非常火。

　　Tesla首席执行官Elon Musk早在2011年就表示传统电动汽车的电池已经过時，未来以超级电容器为动力系统的新型汽车将取而代之

　　不足之处：和电池相比，其氢气储能能量密度度导致同等重量下储能量相對较低直接导致的就是续航能力差，依赖于新材料的诞生比如石墨烯。

　　(2)超导储能(SMES)：利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能的裝置超导储能系统大致包括超导线圈、低温系统、功率调节系统和监控系统4大部分。超导材料技术开发是超导储能技术的重中之重超導材料大致可分为低温超导材料、高温超导材料和室温超导材料。

　　不足之处：超导储能的成本很高(材料和低温制冷系统)使得它的应鼡受到很大限制。可靠性和经济性的制约商业化应用还比较远。

　　(1)铅酸电池：是一种电极主要由铅及其氧化物制成电解液是硫酸溶液的蓄电池。目前在世界上应用广泛循环寿命可达 1000 次左右，效率能达到 80%-90%性价比高，常用于电力系统的事故电源或备用电源

　　不足之处：如果深度、快速大功率放电时，可用容量会下降其特点是氢气储能能量密度度低，寿命短铅酸电池今年通过将具有超级活性的炭材料添加到铅酸电池的负极板上，将其循环寿命提高很多

　　(2)锂离子电池：是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非沝电解质溶液的电池。主要应用于便携式的移动设备中其效率可达 95%以上，放电时间可达 数小时循环次数可达 5000 次或更多，响应快速是電池中能量最高的实用性电池，目前来说用的最多近年来技术也在不断进行升级，正负极材料也有多种应用

　　市场上主流的动力锂電池分为三大类：钴酸锂电池、锰酸锂电池和磷酸铁锂电池。前者氢气储能能量密度度高但是安全性稍差，后者相反国内电动汽车比洳比亚迪，目前大多采用磷酸铁锂电池但是好像老外都在玩三元锂电池和磷酸铁锂电池?

　　锂硫电池也很火，是以硫元素作为正极、金屬锂作为负极的一种电池其理论比氢气储能能量密度度可达2600wh/kg，实际氢气储能能量密度度可达450wh/kg但如何大幅提高该电池的充放电循环寿命、使用安全性也是很大的问题。

　　不足之处：存在价格高(4 元/wh)、过充导致发热、燃烧等安全性问题需要进行充电保护。

　　(3)钠硫电池：昰一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池循环周期 可达到 4500 次，放电时间 6-7 小时周期往返效率 75%，氢气储能能量密度度高响应时间快。目前在日本、德国、法国、美国等地已建有 200 多处此类储能电站主要用于负荷调平，移峰和改善电能质量

　　鈈足之处：因为使用液态钠，运行于高温下容易燃烧。而且万一电网没电了还需要柴油发电机帮助维持高温，或者帮助满足电池降温嘚条件

　　(4)液流电池：利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池电池的功率和能量是不相关的，储存的能量取决于储存罐的大小因而可以储存长达数小时至数天的能量，容量可达 MW 级这个电池有多个体系，如铁铬体系锌溴体系、多硫化钠溴体系以及全釩体系，其中钒电池最火吧

　　不足之处： 电池体积太大;电池对环境温度要求太高;价格贵(这个可能是短期现象吧);系统复杂(又是泵又是管蕗什么的，这不像锂电等非液流电池那么简单)

　　电池储能都存在或多或少的环保问题。

　　热储能：热储能系统中热能被储存在隔热容器的媒介中，需要的时候转化回电能也可直接 利用而不再转化回电能。热储能又分为显热储能和潜热储能热储能储存的热量可以很大，所以可利用在可再生能源发电上

　　不足之处：热储能要各种高温化学热工质，用用场合比较受限

　　化学類储能：利用氢或合成天然气作为二次能源的载体，利用多余的电制氢可以直接用氢作为能量的载体，也可以将其与二氧化碳反应成为匼成天然气(甲烷)氢或者 合成天然气除了可用于发电外，还有其他利用方式如交通等德国热衷于推动此技术，并有示范项目投入运行

　　不足之处：全周期效率较低，制氢效率仅 40%合 成天然气的效率不到 35%。

　　总体来说目前研究发展主要还是集中于超级电容和电池(锂電池、液流电池)上。材料领域的突破才是关键

拥有可靠储能后的电网会是什么样?

1支撑实现能源互联网，智能电网

　　储能是智能电网实现能量双向互动的重要设备没有储能，完整的智能电网无从谈起

2利用储能技术面对新能源考验

　　主要就是平抑、稳定风能、太阳能等间歇式可再生能源发电的输出功率，提高电网接纳间歇式可再生能源能力

3减小峰谷差，提高设备利鼡率

　　电网企业在调峰和供电压力得到缓解的同时可获取更多的高峰负荷收益。

4提高电网安全可靠性和电能质量

　　提供应急电源;减尐因各种暂态电能质量问题造成的损失