盘点目前的储能技术

盘点目前的储能技术：2022年8月18日，科技部等九部门联合印发了《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年）》，该方案是碳达峰碳中和1+N政策体系的重要组成部分，提出了10项具体行动，其中的第一项行动就提到了：能源绿色低碳转型科技支撑行动，罗列了能源绿色低碳转型支撑技术包括：煤炭清洁高效利用、新能源发电、智能电网、储能技术、可再生能源非电利用、氢能技术、节能技术。

本文就简单整理一下目前主流的储能技术。

从整个工业革命发展来看，能源革命推动工业革命，过去人们对能源革命的突破更多是放在传统能源开发利用上，但随着消耗速度的加快，现有传统能源总有一天会被用完。

据预测，按现有开采技术和消耗速度推算，煤、天然气和石油可使用有效年限分别为100-120年、30-50年和18-30年，所以发展可再生能源成为了新的突破口。

目前，可再生能源已经发展起来了，比如太阳能发电、风力发电，原本最制约可再生能源的成本因素经过近些年的不断研究，已经可以达到和传统能源进行竞争，但是还是存在间隙性和波动性因素制约，所以解决这个问题只能通过储能。

一、什么是储能？

储能是指通过介质或设备把能量存储起来，在需要时再释放的过程。

即把暂时不需要用到的电先储存起来，等需要的时候再拿来用，电池就是储能技术中的一种。

储能并不是一个新兴的产业，只不过我们国家过去一直没有把它当做一个单独的产业去发展。

随着光伏产业的崛起，光伏成本已经有了一定的竞争力，但是它还是不稳定，就是前面说的存在间歇性和波动性。就是说我可以太阳能发电，成本不高，但是阴天或者晚上就没有办法了，这就是间隙性和波动性。

有解决的方式吗？有的，把电储存起来就行。但是问题就在这里，怎么储存？怎么储存可以又便宜又高效又安全？这就是我们要说的储能技术。

二、目前储能的技术有哪些？

储能的技术其实有非常多的种类，如果按照介质划分，可以分为机械储能、电化学储能、电气储能、热储能等类型，其中以机械储能和电化学储能应用最广。

机械储能包括：抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能......
电化学储能包括：铅酸电池、锂离子电池、钠离子电池、液流电池......

抽水蓄能

抽水蓄能，是目前应用最广泛的大规模、大容量的储能技术。它利用水作为储能介质，将过剩的电能以水的位能的形式储存起来。

简单地理解，有电的时候，把水从在下坡的水库抽到上坡的水库储存着，没电的时候，就放水，借水的动力推动水轮发电。

抽水蓄能的技术已经非常成熟了，所以我们在《科技支撑碳达峰碳中和实施方案 （2022—2030 年）》中没看到它。

它的优点是技术成熟、效率高、容量大、储存周期不受限制。但是缺点也比较明显，需要适宜的地理条件和地理资源、建设周期长、初期投资大、储存过程中存在能量损失（大概会损失20%-35%）。

压缩空气储能

压缩空气储能是从燃气轮机技术发展起来的。它的原理要经过压缩——存储——加热——膨胀——冷却的过程。

简单地理解，就是把空气压缩起来存储，需要用的时候，放出来燃烧加热升温，高温高压下空气会膨胀，然后驱动膨胀机发电，发完电的这些空气就排入大气，下次压缩时又从大气中吸入。

它的优点是容量大、工作时间长、经济性能好、可循环、成本较低、储能系统寿命长，很适合建设大型储能电站（仅次抽水蓄能）。缺点就是燃料目前还是依赖石化燃料，会造成污染；需要特定的地理条件建造大型储气室，比如岩石洞穴、盐洞、废气矿井等。

飞轮储能

飞轮储能是利用飞轮转动的惯性来发电。简单的理解是，用电机带着一个飞轮转动起来，等电不够时，飞轮就反过来带着电机转，电机变成发电机开始发电。

它的优点是使用寿命长、充电次数多、能量密度高、环保、价格适宜。缺点则是放电时间短没法达到电网补充需求、储能系统无法小型化、有爆炸危险。

上面三种都是机械储能，都是通过利用物理性质去转换能量。机械储能的一大缺点是受限制于地理因素，比如抽水蓄能和压缩空气储能，所以不受地理地形环境限制的电化学储能得到了科研领域的广泛关注。

下面整理四种电化学储能。

电化学储能是利用化学能和电能发生化学反应来储存能量，根据材料的不同，可以分为铅酸电池、锂离子电池、钠离子电池、液流电池等。

电化学储能不受外部气候和地理因素影响，是最具有发展价值的储能技术，可以灵活应用到各种需求配置。但它整体的技术还没有机械储能成熟，虽然目前已经发展应用了多种电化学储能技术，但在电力系统大规模应用上的技术和安全模式都还未成熟。

铅酸电池

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。

铅酸电池放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。

铅酸电池是最便宜的二次电池、有回收利用的价值、成分简单、技术成熟。但是缺点是比能量低、充电次数比其他电池少很多、使用寿命短，而且因为成分是重金属存在污染环境的风险。

所以我们在《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年）》上面也没有看到它。

锂离子电池

锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。

在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

也就是说锂电池它是正负两极都可储能，锂以离子态从正极到负极材料之间往返脱嵌，有一个很形象的说法叫摇椅特性，像一把摇椅一样来回摇摆。

锂是自然界中最轻的金属元素，同时具有最负的标准电极电位，这两个特征使它作为电化学储能器件的高能量密度和高性能代表。

它的优点是高电压、高功率、长寿命、无污染、符合环保要求。缺点则是锂价成本不断上行、锂资源的紧缺以及安全性不稳定。

钠离子电池

钠离子电池可以说是锂离子电池的最好替代品。

钠离子电池的工作原理和锂离子电池是相似的。也是主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，与锂离子电池同样有摇椅特性。

钠和锂的化学性质相似，不同在于，锂是最轻电位最负的金属，所以比钠更有优势，相同重量下，锂携带的电荷比钠多。

它们俩的工作原理相似，所以钠离子电池可以借鉴锂离子电池的整个产业的经验。虽然钠离子能量密度没有锂离子高，但是它成本比锂电池便宜多了。钠资源在地壳中的储备占比高达2.64%，而锂资源只有0.0065%，钠是锂的四百多倍啊，而且提炼技术也相对简单，这是它的优势。

劣势在于能量密度和循环寿命受到制约，所以它目前只能作为锂电池退而求其次的产品。

液流电池

液流电池并不是新技术，它最早的概念在1974年就提出了。

1974年，美国NASA的工程技术人员提出，将原先储存在固体电极上的活性物质溶解进入电解液中，通过电解液循环流动给电池供给电化学反应所需的活性物质。

液流电池和锂离子电池、钠离子电池的不同在于电解质储存不同。锂离子电池是储存在电池内，而液流电池的电解液是储存在电池堆外部容器。

充放电时，正负极电解质会分别循环泵入电池堆发生氧化反应，反应完成后，电解液会被重新泵回外部容器还原成原来的状态。

正是因为它的电解质和发电堆在物理上是分开的，所以储能容量不受电极体积限制，可以根据实际需求独立设计需要，特别适合大规模电能储存场合使用。而且还有最重要的一点，它的电解质是水溶液，所以热失控和火灾的风险很低，在这一点上它的安全性是比锂电池高很多的。此外它的原料储藏丰富，价格低廉，具有显著经济优势，所以液流电池也一跃成为了储能届的香饽饽。

目前实际运用比较多的液流电池是全钒液流电池、锌溴液流电池、铁铬液流电池、锌铁液流电池。

三、顶层文件

《“十四五”新型储能发展实施方案》

《“十四五”现代能源体系规划》

《关于进一步推动新型储能参与电力市场和调度运用的通知》

《科技支撑碳达峰碳中和实施方案 （2022—2030 年）》

因为文章篇幅有限，旨在整理目前主流的几种储能技术，所以只简单说一下原理及优缺点。

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