基于能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的電力儲能技術(shù)研究與展望

聶光輝

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 開封 475004）

電力儲能技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物，是電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)升級過程中的一項關(guān)鍵內(nèi)容。儲能研究及技術(shù)應(yīng)用在能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)背景下具有重要意義，通過采用科學(xué)合理的儲能技術(shù)，有效解決分布式能源間歇性與波動性問題，全面提升電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的完善性，對推動我國電力行業(yè)發(fā)展創(chuàng)新具有重要作用。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，我國當(dāng)前采用的電力儲能技術(shù)還存在一定問題，技術(shù)水平較為落后，尚不能滿足實際發(fā)展需求，因此必須加強電力儲能技術(shù)相關(guān)研究，使其能夠為能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)實現(xiàn)提供助力。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)基本概念

能源互聯(lián)網(wǎng)是基于先進電力電子技術(shù)、信息技術(shù)、智能技術(shù)以及能源管理系統(tǒng)等，將大規(guī)模的分布式能量采集裝置、分布式能源存儲裝置以及多種不同類型負載構(gòu)成的新型電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)以及石油網(wǎng)絡(luò)等相連接，從而實現(xiàn)能源雙向流動的能源對等交換共享網(wǎng)絡(luò)。美國著名學(xué)者杰里米·里夫金（Jeremy Rifkin）在其2011年出版的《第三次工業(yè)革命》一書中做出大膽預(yù)測：“以新能源技術(shù)和信息技術(shù)深入結(jié)合為特征的一種新的能源利用體系將會出現(xiàn)?！苯芾锩住だ锓蚪饘⑵渌A(yù)測的能源新體系命名為能源互聯(lián)網(wǎng)。在他的預(yù)測中，認(rèn)為“基于可再生能源的、分布式、開放共享的網(wǎng)絡(luò)，就是能源互聯(lián)網(wǎng)”。杰里米·里夫金的預(yù)測逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實，關(guān)于能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)受到各國的高度重視。我國自2014年以來提出能源生產(chǎn)與消費革命的長期戰(zhàn)略，建立以電力系統(tǒng)為核心的全新能源互聯(lián)網(wǎng)布局[1]。

在能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)過程中，電力能源是核心內(nèi)容，當(dāng)前電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)較為完善，多項電力能源生產(chǎn)、存儲以及輸送技術(shù)的發(fā)展，對于能源互聯(lián)網(wǎng)實踐布局具有關(guān)鍵性作用。在電力能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)過程中，儲能技術(shù)的研究與應(yīng)用最為關(guān)鍵，是突破當(dāng)前能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)在技術(shù)層面限制的主要發(fā)力點，如果電力儲能技術(shù)能夠得到創(chuàng)新與突破，勢必會對未來全球范圍內(nèi)的能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)布局產(chǎn)生深刻影響，所以關(guān)于電力儲能技術(shù)的研究重要性不言而喻。隨著我國在電力儲能技術(shù)方面的研究投入不斷增加，目前已經(jīng)取得了一定的突破性進展，各項儲能技術(shù)逐漸被應(yīng)用，但總體上儲能技術(shù)水平與能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展目標(biāo)仍存在一定差距。

2 電力儲能技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的作用

2.1 提高可再生能源占比

傳統(tǒng)的火力發(fā)電不僅需要消耗大量的煤炭資源，同時會對自然環(huán)境產(chǎn)生很大的危害，近些年來在我國電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，可再生能源的應(yīng)用比重不斷增加?？稍偕茉创笠?guī)模入網(wǎng)是主要發(fā)展趨勢，但是大部分可再生能源在電力能源生產(chǎn)與輸送方面存在不穩(wěn)定性，電力生產(chǎn)不穩(wěn)定會導(dǎo)致電力網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)供給能力不足，甚至?xí)l(fā)安全性問題。因此，當(dāng)前解決可再生能源供電不穩(wěn)定問題的主要手段是升級電力儲能技術(shù)，通過采用電力儲能技術(shù)，有效提升可再生能源供電穩(wěn)定性，將通過可再生能源產(chǎn)生的電能進行儲存，當(dāng)出現(xiàn)供電不穩(wěn)定的情況時能夠利用儲存的電能進行供電，是提高可再生能源在電力網(wǎng)絡(luò)中占比的重要技術(shù)。

2.2 提高能源交易自由度

在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，能源交易模式發(fā)生了很大的變化，能源市場化程度不斷提升，更多的能源生產(chǎn)者和消費者參與到多元市場競爭中，能夠提高我國能源經(jīng)濟效益，但是當(dāng)前能源交易市場還存在著一定的局限性，主要集中在能源儲存方面。通過加強電力儲能技術(shù)研究，升級電力儲能技術(shù)，能夠強化電能生產(chǎn)者與消費者在市場中的主體地位，使參與到電能市場競爭中的生產(chǎn)者和消費者角色可以相互轉(zhuǎn)換，從而優(yōu)化當(dāng)前能源交易市場布局和模式，對于提升能源利用率具有關(guān)鍵性作用。能源交易與一般的商品交易存在本質(zhì)性區(qū)別，因為能源具有特殊性，所以需要儲能技術(shù)作為載體，才能夠?qū)崿F(xiàn)商品化，因此通過電力儲能技術(shù)，能夠顯著提升能源交易自由度[2]。

2.3 建設(shè)多元化能源系統(tǒng)管理模式

在能源管理系統(tǒng)建設(shè)過程中，通過利用電力儲能技術(shù)能夠建設(shè)多元化的管理模式，使得電力能源在生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、儲存以及消費等多個環(huán)節(jié)能夠以價格為基礎(chǔ)反映基本信息，從而能夠全面降低電力能源管理成本，提高電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行的可靠性和安全性。在電力能源管理系統(tǒng)決策中，通過與電力儲能技術(shù)相結(jié)合，能夠提高對電力儲能的管理效率，從而使電力能源的供需更加平衡。同時，在電力儲能功率方面，能夠按照當(dāng)前的儲能狀態(tài)進行變化，從而使電力供給與需求更加均衡，為電力企業(yè)經(jīng)濟效益的提升做出突出貢獻。

3 當(dāng)前電力儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

電力儲能技術(shù)已經(jīng)成為世界各國在能源領(lǐng)域中的主要發(fā)力點，掌握高水平的電力儲能技術(shù)，意味著在能源領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢，對于國家電力系統(tǒng)建設(shè)具有重要意義，能夠全面提升新能源在發(fā)電中的應(yīng)用比重，從而降低電力能源供給成本，有利于緩解電力能源緊張的問題，故電力儲能技術(shù)的發(fā)展尤為關(guān)鍵。我國關(guān)于電力儲能技術(shù)的研究經(jīng)過多年發(fā)展，已取得一定的研究成果，電力儲能技術(shù)水平得到了很大的創(chuàng)新與突破。

3.1 物理電力儲能技術(shù)

當(dāng)前物理電力儲能技術(shù)主要是利用自然環(huán)境、機械設(shè)備等，將水與空氣進行存儲，之后采用相應(yīng)的釋放途徑獲取電力能源。當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的電力儲能技術(shù)為抽水蓄能技術(shù)，該項技術(shù)的壽命周期較長，電力能源存儲量較大。抽水蓄能在電力儲能過程中，利用水泵將水沖到水庫中，之后通過水庫發(fā)電機組將其轉(zhuǎn)化為電力能源。抽水蓄能電力儲能技術(shù)能夠發(fā)揮削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相等功能，同時能夠?qū)﹄娏δ茉唇Y(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，進而提高電力能源利用率。

3.2 儲熱電力儲能技術(shù)

當(dāng)前儲熱類型的電力儲能技術(shù)主要包括潛熱儲能、顯熱儲能以及化學(xué)儲熱等類型，具有能夠在介質(zhì)溫度提高的基礎(chǔ)上實現(xiàn)熱存儲的特點。潛熱儲能技術(shù)即相變儲能技術(shù)，這種儲能技術(shù)在運行過程中，主要利用儲能材料相變的條件，產(chǎn)生熱量或釋放熱量，當(dāng)前應(yīng)用最多的為固——液相變。潛熱儲能技術(shù)與顯熱儲能技術(shù)的主要差異是潛熱儲能的溫度較為穩(wěn)定，所以產(chǎn)生的能量密度較大?；瘜W(xué)儲熱技術(shù)在存儲電力能源的過程中，主要利用化學(xué)可逆反應(yīng)形式，具有寬溫域梯級儲熱的特征。相比于潛熱儲能技術(shù)和顯熱儲能技術(shù)，化學(xué)儲熱技術(shù)的能量密度具有明顯提升，但是化學(xué)儲熱技術(shù)對于材料性能和質(zhì)量要求較高，材料儲能成本較高，在材料選擇方面具有較大難度，所以應(yīng)用占比較小，需要對材料相關(guān)的技術(shù)進行研究[3]。

3.3 電化學(xué)電力儲能技術(shù)

電化學(xué)電力儲能技術(shù)具有靈活、效率高等優(yōu)勢，將其應(yīng)用在電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)中，能夠顯著提升電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行功率和服務(wù)質(zhì)量。同時，因為電化學(xué)電力儲能技術(shù)對于新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性具有一定的抑制作用，能夠有效解決新能源發(fā)電中存在的不穩(wěn)定性問題，從而提高新能源并網(wǎng)后電力網(wǎng)絡(luò)的管理工作效率和占比，具有多個方面的優(yōu)勢。當(dāng)前電化學(xué)電力儲能技術(shù)的發(fā)展速度較快，例如鋰離子電池等的廣泛應(yīng)用，近期鈉離子電池研究的突破等，都是電化學(xué)電力儲能技術(shù)的重要發(fā)展。將電化學(xué)電力儲能技術(shù)應(yīng)用在距離發(fā)電中心較遠的電力網(wǎng)絡(luò)中，能夠有效解決我國偏遠地區(qū)電力能源不足的問題，同時將其應(yīng)用在新能源發(fā)電、微電網(wǎng)領(lǐng)域中，能夠有效提升其實際發(fā)展質(zhì)量。電化學(xué)電力儲能技術(shù)的發(fā)展，主要受到空氣壓縮儲能、抽水蓄能等技術(shù)的影響，其市場核心競爭力不斷提升，在儲能效果和經(jīng)濟效益方面具有許多明顯優(yōu)勢。

3.4 氫電力儲能技術(shù)

氫電力儲能技術(shù)涉及的技術(shù)較多，當(dāng)前主要的氫氣來源為天然氣和煤炭。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，利用新能源獲取氫氣的技術(shù)不斷發(fā)展，如電解水制氫技術(shù)等，但是電解水制氫需要消耗較多的能源，所以可以將其應(yīng)用在電力網(wǎng)絡(luò)負荷的低谷時期，能夠提高新能源實際利用效果。當(dāng)前，固體聚合物電解水制氫技術(shù)、堿性電解槽技術(shù)對于風(fēng)電波動具有良好的實用性，新制氫技術(shù)中效果最好的為光催化直接裂解水制氫技術(shù)，采用半導(dǎo)體光催化材料能夠獲得較多的氫氣資源。但是不同的制氫技術(shù)在成本、效果以及利用率等方面都存在著差異，氫電力儲能技術(shù)尚處于不斷發(fā)展與完善過程中，需要不斷地提高制氫技術(shù)水平，才能夠提升氫電力儲能技術(shù)利用率，從而推動我國電力儲能技術(shù)創(chuàng)新與升級，為電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)提供保障[4]。

4 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電力儲能關(guān)鍵技術(shù)

在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，傳統(tǒng)的電力儲能技術(shù)已經(jīng)難以滿足實際建設(shè)發(fā)展需求，所以必須在電力儲能關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破，才能夠促進電力儲能技術(shù)整體水平提升。

4.1 能量調(diào)度與能量優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)

能源在輸入、輸出的路徑和配置方面，在多能源耦合局域網(wǎng)中的復(fù)雜性會不斷提升，這時需要依靠外部電力供應(yīng)，保證電能能夠向熱能轉(zhuǎn)化，同時可以在CHP的作用下獲得熱能。此外，能源互聯(lián)網(wǎng)中，設(shè)備發(fā)生故障會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，從而引起能量流路徑出現(xiàn)改變，所以需要采用科學(xué)的能量調(diào)度與能源優(yōu)化技術(shù)，對于能源互聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)設(shè)計和具體運行具有關(guān)鍵性作用。通過對能量調(diào)度的優(yōu)化管理，能夠解決多項能源互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計與運行中存在的實際問題，例如技術(shù)人員向外拓展能量優(yōu)化分配方面的問題，可以通過構(gòu)建多元機組模型的方式進行解決，在這種模式下，可以采用3種不同的工作狀態(tài)，即釋放能量狀態(tài)、儲存能量狀態(tài)及空閑狀態(tài)，通過3種不同工作狀態(tài)的切換與運行，全面降低系統(tǒng)運行消耗，從而降低運行維護成本。

4.2 大容量儲能和新能源協(xié)同技術(shù)

在新能源大規(guī)模入網(wǎng)的背景下，如何高效利用新能源發(fā)電是當(dāng)前需要考慮的主要內(nèi)容，故需采用相應(yīng)的策略，解決新能源發(fā)電不穩(wěn)定的問題。新能源在電力網(wǎng)絡(luò)中，儲能技術(shù)具有關(guān)鍵性作用，是提高新能源發(fā)電穩(wěn)定性、經(jīng)濟性及安全性的重要基礎(chǔ)技術(shù)。利用電力儲能技術(shù)，能夠有效解決多項問題，通過對大容量儲能的合理規(guī)劃，采用相應(yīng)的高儲能選型，對儲能布局和容量配置等方面進行全面優(yōu)化，在數(shù)種電力資源相互配合的前提下，能夠全面提升可再生能源利用率。新能源發(fā)電的協(xié)同調(diào)度技術(shù)，需要對電能存儲系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用量、調(diào)峰調(diào)頻等進行優(yōu)化，從而能夠更好地實現(xiàn)控制目標(biāo)，進而達到功能多元化的新能源電力儲能技術(shù)發(fā)展規(guī)劃。在建設(shè)過程中，需要引入智能化技術(shù)，利用信息技術(shù)、計算機技術(shù)及自動化控制技術(shù)等，將其與新能源電力儲能技術(shù)相結(jié)合，能夠使運行系統(tǒng)的功能更加豐富。例如，在某電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，采用CAD可視化技術(shù)替代傳統(tǒng)的人工控制模式，從而全面降低電力儲能技術(shù)運行控制的工作量，能夠全面提升運行管理效率，同時能夠提升運行控制準(zhǔn)確性，保證新能源供電穩(wěn)定性和安全性，使得電力儲能技術(shù)控制系統(tǒng)更加智能化、信息化，是當(dāng)前電力儲能技術(shù)發(fā)展的主要方向。

4.3 集成化與模塊化設(shè)計關(guān)鍵要點

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的推動下，當(dāng)前電力工程的自動化、智能化水平不斷提升，電力儲能技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也逐步向集成化和模塊化方向發(fā)展。電力儲能技術(shù)模塊化、集成化的發(fā)展需要與現(xiàn)代智能技術(shù)相結(jié)合，使其能夠構(gòu)成具有完善功能的模塊，將多項發(fā)電方式進行統(tǒng)一結(jié)合，從而能夠全面提高系統(tǒng)控制效果，提高電力儲能技術(shù)與電力系統(tǒng)運行規(guī)范性，將多個模塊集中為一體，能夠達到集成化控制目標(biāo)，同時與自動化技術(shù)的結(jié)合，能夠提升電力儲能運行管理效率，相比于傳統(tǒng)的管理方式，集成化、模塊化的管理模式更能夠促進電力儲能技術(shù)創(chuàng)新[5]。

5 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的電力儲能技術(shù)展望

通過上文分析可以看出，當(dāng)前電力儲能技術(shù)對于能源互聯(lián)網(wǎng)及電力系統(tǒng)建設(shè)具有重要作用，但是受到技術(shù)水平、實踐經(jīng)驗等多項因素的影響，電力儲能技術(shù)尚未達到預(yù)期理想目標(biāo)，但是總體發(fā)展逐步突破，在電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的作用得到不斷提升。根據(jù)當(dāng)前電力儲能技術(shù)的發(fā)展情況來看，未來電力儲能技術(shù)逐漸向集成化、智能化、自動化等方向發(fā)展，且許多新的信息技術(shù)與電力儲能技術(shù)相結(jié)合，使得電力儲能技術(shù)整體水平得到很大提升，在其他技術(shù)融合的加持下，未來電力儲能技術(shù)將會在能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中取得更好的應(yīng)用效果，能夠有效解決當(dāng)前新能源并網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)等多項問題，通過解決以蓄電池為核心的儲能技術(shù)，解決電力存儲穩(wěn)定性、容量及效率等方面的問題，同時解決成本提高、運行管理中存在的難點，能夠全面促進電力儲能技術(shù)水平提高，為我國電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供支持。

6 結(jié)論

綜上所述，筆者全面闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)的基本概念，并論述了電力儲能技術(shù)對于能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的意義，同時提出當(dāng)前電力儲能技術(shù)的主要發(fā)展成果，最后對電力儲能技術(shù)的未來發(fā)展作出展望，希望能夠?qū)ξ覈茉磻?zhàn)略發(fā)展起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高我國能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)水平。