钱建国，孔飘红，章晓锘

（国网浙江省电力有限公司 浙江 杭州 310007）

在“碳达峰、碳中和”目标背景下，未来能源及新型电力系统的研究是逐步实现“一次能源零碳化，二次能源电力化”的重要途径，在未来的电力系统中，传统煤电、燃气电等发电方式将逐步被新型电力系统所取代。但是，在测试中心环境下对研究的验证结果表明，新型电力系统的应用同样会面临新的问题，其中电力储能设计和发、损、用电的实时平衡问题最为突出。社会进步与环境保护的共同发展是中国乃至全世界能源结构调整发展的大趋势，是不得不面对和解决的客观矛盾。

随着新型电力系统规模的逐步扩张，目前难以担当发电大任的风电、光伏等将必然成为能源舞台的主角。纵观风电和光伏发电的特点，其波动性、不稳定性以及分散性是最突出的缺点，储能设计的优异与否必然会影响其“实时平衡、稳定运行”。电力储能涉及到需求侧管理、电源侧管理及电力供需平衡管理等一系列问题，由于储能最具有基础性，所以其系统设计的好坏将直接关系到新型电力系统能否切实解决社会的用电所需。

需求侧管理是指对综合用电负荷特性曲线进行调整干预以改善负荷用电特性，是节能降耗、改善能源使用特性的重要手段。电源侧管理主要是用以改善各电源群的发电总特性，能够解决电力的时空转换问题，通过对电力储能方案的设计，实现新型电力系统的峰、谷互补，在发电峰值期将电力储存起来，然后在发电低谷期释放储存的电能以满足正常电力供应需求。以风电、光伏为代表的新型电力系统受环境影响较大，有着十分明显的周期性，电源侧管理方案能够显著降低周期性发电对正常电力供应的影响，进而使新型电力系统有更加广阔的应用空间。

目前主流的储能方式可分为机械储能、电化学储能、化学储能和电磁储能四类。机械储能较易理解，如水能发电中利用电能将水储存在高位，当用电高峰期时泄水发电，以此来达到储能的目的。电化学储能主要为电池储能，通过电化学反应将电能储存起来。化学储能主要为氢储能，电磁储能主要为超导储能、超电容储能等。

2.1 机械储能

新型发电系统中，抽水储能的应用较为广泛，不仅容易实现，有较强的应用价值，而且易于控制，成本较低。抽水储能主要针对水电，综合转换效率约为75%，主要实现原理为将电能转化为势能实现能源的转移储存来应用发电过剩的情况，将势能转化为电能来应对发电不足的情况。抽水储能可以错开大规模电力系统的发电峰谷。

从应用现状来看，抽水储能技术有电能循环效率较高、额定功率大、容量大、使用寿命长、运行成本易于控制、自放电率低等一系列优势，并且发展时间较长，技术成熟度高。除抽水储能外，机械储能还包括飞轮储能、压缩空气储能两种应用较为广泛的储能设计，其中飞轮储能主要应用于UPS不间断供电，压缩空气储能主要用于电力系统削峰填谷及分布式电网微网。

2.2 电化学储能

电化学储能为日常生活中最常见的储能方式，主要是借助于电化学蓄电池将电能储存起来，综合能源转换效率约为81%。目前最为流行的电池类型为锂聚合物电池，如三元锂、磷酸铁锂等，化学电池不仅推动了新能源汽车的发展，同时也使得电网储能有了新的突破方向。

2.3 电磁储能

无论是哪种储能方式，都是将电能转化为其他形式的能量储存起来，当需要时再经放电或转化产生电能。超导储能技术是把电能转化为电磁能加以储存的方式，借助于超导线图可以给电力持续平衡供电。从其技术原理和核心部件要求来看，超导材料的性能是决定能源损耗和储能技术性能的关键，由于低温环境和高温环境都可对材料的内阻产生影响，所以超低温和超高温都可对应不同的超导材料，技术较为成熟的超导材料为液氨温度下工作的超导材料。超导储能技术主要应用于电力系统中，其中在新型电力系统中的应用十分广泛，能够解决新型发电技术的并网问题，具有响应速度快、动态调整能力强的特点。

超级电容本质上是性能十分强大的电容器件，由于电容值大，所以能够储存更多的电能，利用超级电容储能技术可以解决电能的高效存储和动态存储问题，其最大的特点是维护简单、工作状态稳定以及寿命较长等。由于超级电容有着很低的内阻，所以相较于电化学储能技术有着充放电循环次数多的先天性优势，并且耐热性能好，抗过充电能力同样十分强大。超级电容与常规电容相比，其介电常数更高、表面积更大，拥有更强的耐压性能，在未来储能应用中有十分优良的发展前景。

3.1 氢储能技术的运行特点

氢能虽然不是能源，但是其可应用于电能储能领域，是重要的储能方式之一。由于氢在自然界无法独立存在，所以在制氢的过程中必然会造成能耗，其主要优势是排碳量低。从双碳背景和技术背景来分析，绿氢拥有最为广阔的发展前景，其技术路径为“绿色能源——电能——绿氢——电能”，在此四次转化的过程中每一次转化都会造成能源损耗，所以其经济性较差，应划入需求侧，在特定场景需求下使用。

在双碳背景下，氧储能的优势慢慢展现，但是由于目前技术条件所限，以当前的技术水平，电能制氢转换为化学能的转换效率仅为50%～55%，远低于其他储能手段。即使随着技术的发展，其转换效率有望达到80%左右，氢储能仍然会面临很大的技术难度挑战。特别是在零碳储能背景下，电氢储能所付出的能耗为所有储能技术最高，经济性也不占优势。

即使如此，电力系统储能中氢储能技术路线仍然不可忽视，特别是以新型能源发电——氢燃料电池储能——驱动新能源汽车为技术路线的研究，是实现零碳电能的重要研究方向。新能源发电系统中发电情况不稳定是主要难题之一，储能技术的应用则主要用于平衡用电高峰期与用电低峰期的电力调配问题，无论哪种储能技术其应用原理都是在发电高峰期将电能储存起来，在发电低谷期将电能释放，以此来稳定电能输出。氢储能技术不但可以给予新型发电系统解决发电不稳定的方案，同时也更加有利于实现双碳目标。

3.2 技术路线原理及技术难点

氢储能的技术路线原理为：新能源发电系统输出的电力经电力电子变换器进入制氢机构，制氢原料为水，在电解槽中发生电解反应制造氢气达成储能的目的。然后氢气作为燃料用来发电，实现化学能到电能的转化。氢储能技术从容量上来讲比电化学储能容量更大，大型系统容量可达GW级别。随着技术的发展，其经济性和建设成本也将得到改善。此外，氢储能技术路线中的氢气可被运输，极大增强了储能的灵活性。

氢储能的技术难点主要有三个方面，一是在制氢过程中产生的能损过高，二是储氢窗口的结构和材料设计，因为需要在低温绝热容器中才能让氢保持液态，而液化过程同样会产生损耗。在储氢问题上，也可利用氢气与储氢材料之间的物理或化学反应，将氢气转化为固溶体或氢化物，降低氢能的储存难度和运输难度，目前这种安全性高的储氢方式已经被应用于很多场景，特别是航天领域应用最为成熟。氢储能技术的最大优势在于比传统化石燃料发电更高的发电效率，并且在转换为电能的过程中不会对环境造成污染，是达成“双碳”目标的重要路径之一。

随着新型电力系统的持续发展，传统发电技术将会逐步退出舞台，而在这一过程中如何解决新型发电技术发电不稳定、不持续的问题将是目前及至未来很长一段时间最主要的科研攻关方向之一。利用储能技术可以有效调节发电峰谷之间的平衡关系，使电力输出更加稳定，扩大新型电力系统的应用优势。

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