长时储能技术的技术路线浅析

储能应用场景的多样性决定了储能技术也向着多元化发展。储能技术按照技术原理可分为5类：机械储能、化学储能、电化学储能、热储能。传统储能技术以抽水蓄能和电化学储能为主，随着国家对于储能产业的重视以及技术更新速度的加快、制造工艺的发展，多种新型储能技术已经在实际工程中得到应用，而且在电力系统各个环节发挥重要作用。虽然长时储能技术多处于商业化早期阶段，仍未大规模普及应用，但近年在规模上有所突破，应用模式也逐渐增多，技术各有千秋。下图对长时储能不同技术路线进行了对比。

接下来，本文将着重对压缩空气储能、全钒液流电池储能、锂离子电池储能、氢储能进行介绍。

首先介绍压缩空气储能，压缩空气储能是大规模超长时间尺度的储能技术，具有规模大、寿命长、单位成本低、清洁无污染等优势，同时可以实现调峰、调频、调相等功能。压缩空气储能技术的基本原理为在非用电高峰期消耗多余电能，将空气压缩并储存在储气设备内，在用电高峰期将高压空气释放，推动电机发电，从而实现电网削峰填谷、提高电网稳定性和可靠性。压缩空气可以呈现气态、液态、超临界态储存。压缩空气储能具有本质上的高安全性，空气扩散能力强，不具可燃性，无爆炸和燃烧风险 。目前，压缩空气储能从规模、效率，成本，及使用寿命上，能够对标同为物理储能的抽水蓄能，西北、北京等缺水地区可以用压缩空气储能替代抽水蓄能。

目前，国际上德国和美国已经有商业化的传统压缩空气储能电站，但存在依赖化石燃料、效率低、能量密度低等缺点。近年来，中国积极发展压缩空气储能技术，已建成多个示范项目。2022年，中国科学院工程热物理研究所储能研发团队在河北张家口市张北县建设了国际首套100MW新型压缩空气储能系统并实现并网发电，系统效率达70.2%，在国际上处于领先地位。 

液流电池通过电解液内离子价态变化产生的能量差实现电能存储和释放，可实现电化学反应与能量储存场所的分离，使得电池功率与储能容量设计相对独立，适合大规模蓄电储能需求。液流电池具有储能规模大、安全性高、效率高、寿命长、生命周期的性价比高等特点。目前主要的液流电池包括全钒液流电池、锌基液流电池、铁铬液流电池，其中全钒液流电池是技术成熟度最高，商业化进程最快，度电成本最低的技术路线，其余类型的液流电池还有待进一步的技术突破。全钒液流电池具有本质安全、设计灵活、充放电效率高、寿命长、成熟度高等特征，能够满足大规模跨天甚至跨月的充放电需求，是长时储能领域首选的电化学储能技术路线 。

国内在全钒液流电池领域也已建成多个示范项目，2022年中国科学院大连化学物理研究所提供技术支撑的迄今全球功率最大、容量最大的百兆瓦级液流电池储能调峰电站正式并网发电。该项目是国家能源局批准建设的首个国家级大型化学储能示范项目，本次并网的是该电站的一期工程，规模为100兆瓦（MW）/400兆瓦时（MWh）。

全帆液流电池成本主要来自电堆和电解液，受到隔膜等电堆材料及钒价格的影响，目前全钒液流电池的市场规模较小，其初装成本仍然较高，而随着技术进步和规模化发展，未来全帆液流电池的成本仍有下降空间。尽管全钒液流电池一次性投入成本较高，未来或可通过租赁电解液建立新的商业模式，从而降低投入成本。

为了适应储能应用需求，中国开始自主研发大容量电力储能专用电池，探索出了锂浆料电池，降低了电池制造成本。在锂浆料电池的基础上，进一步发展出半开放锂浆储能专用电池。半开放锂浆储能专用电池主要适用于光伏发电，储能时长可达 4小时以上。工作原理与锂电池类似，但具备三个优势。一是安全性更高。半开放意味着有管路跟大容量电芯直接连接，一旦电池如果出现故障可以直接往电芯内部注入安全剂，达到电芯内部的本质安全。而锂电的安全性控制只能喷淋到模组级别，到不了电芯内部。二是可以对电池进行修补，而锂电池不能修补。三是易于回收。可以直接用高压水枪把极片整体冲洗，通过锂补充修复受损晶格。锂离子电池一方面具有储能密度高、充放电效率高、响应速度快、产业链整等优点，而且是近几年发展最快的电化学储能技术，但其普遍价格高，体积小，且具备安全风险，因此不适宜大型储能场景。

氢能在中国能源转型的地位逐渐凸显，在难以深度脱碳的领域发挥重要作用，此外，氢能具有较高的能量密度，也可以作为一种储能的方式，与传统的电池储能技术相比，氢气储能可以实现更大规模的能量储存，对于电力系统调峰、应对突发能源需求等需要大规模能源储备的场景具有重要意义。

氢气可以实现较长时间的储存，也能通过管道、船舶等方式进行长距离运输，满足不同地区的能源需求。然而，氢气也具有易燃易爆易扩散的特征，传统高压气态氢气储运模式氢气储运量低，高压下存在安全隐患，卸载环节因压差导致氯气残余，运输效率较低，难以满足氯能行业的发展需求。而固态储氢可以提高体积储氢密度、在常温常压下储存安全性好、可长距离运输、实现跨季节储存等优点，逐渐受到关注。固态储氢是指利用材料对氢气的物理吸附和化学吸附作用，将氢气存储在固体材料中。根据固态储氢材料不同可分为物理吸附储氢材料和化学吸附储氢材料。目前，化学吸附储氢材料中金属氢化物最为成熟，如镁基固态储氯技术。

镁基固态储氢技术的基本原理是利用氢与镁合金材料在常温常压下进行反应，将氯储存在镁基材料中。镁基固态储运氢技术具有以下优势：

一是体积储氢密度高（液氢的1.4倍、高压气氢的5倍以上），不需要高压容器和隔热容器，可在常温常压下进行储氢，安全性好，无爆炸危险，且放氢纯度高。二是适合长距离的储运氧气且运输成本低，相比于长管拖车运输效率更高，运输距离更长。三是镁矿资源丰富，是常见金属，价格便宜且不限制进出口。四是上下游应用范围广，可以兼容多种制氧途径，适用于氢能产品的下游应用场景如电力行业、化工行业、氢贸易等领域。

目前，镁基固态储氢技术在交通、风电、冶金等领域已开始逐步探索应用。