中长时储能技术

“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目中国能源革命与先进技术丛书储能科学与技术丛书储能与新型电力系统前沿丛书 中长时储能技术 耿学文贺徙徐超刘凯王鸿腾姜彤闫苏冀天阳张鲁李明越云凯母昌程孟鹏刘生洲崔岩贾传坤董娅楠廖志荣黄冬平张琦周捷侯文会李一鸣朱耿志于博旭张振涛张光强王渊博王占曹仲然胡明月郝佳豪王磊（华电电科院）董偌怡郑平洋郭晨旭孙峻张家俊刘婷李亚南王磊（烟台大学）杨成许传博刘建国编著 未来在以可再生能源为主体的新型电力系统中，可再生能源的比例将超过50%，这对储能设施提出了具备十几小时乃至几天的储能时长的新需求，以满足GW级别的可再生能源并网和长时间削峰填谷的需求。本书旨在向储能行业从业者及对此行业感兴趣的读者提供中长时储能技术系统性的介绍。本书共10章，涵盖了长时储能综述、抽水蓄能、锂离子和钠离子储能、压缩空气储能、液流储能、氢储能、热储能、重力储能、移动长时储能及二氧化碳储能等行业内技术路线，系统而详尽地剖析了各技术路线的理论基础、关键技术、应用分类、经济性分析、政策支持、工程项目案例等，每章通过对产业链现状及未来各技术路线深入浅出的介绍，浅析国内外电力行业环境下各技术路线的优势及未来发展方向，探讨了中长时储能的必要性、前瞻性及可广泛部署性。 本书适合广大电力系统、新能源及储能专业从业者和高校师生阅读。 图书在版编目（CIP）数据 中长时储能技术/耿学文等编著.—北京：机械工业出版社，2024.4 （储能科学与技术丛书.储能与新型电力系统前沿丛书） ISBN 978-7-111-75244-8 Ⅰ.①中…Ⅱ.①耿…Ⅲ.①电力系统-储能-研究Ⅳ.①TM715中国国家版本馆CIP数据核字（2024）第049162号 机械工业出版社（北京市百万庄大街22号邮政编码100037） 策划编辑：吕潇责任编辑：吕潇杨琼责任校对：张慧敏李杉封面设计：马精明责任印制：张博北京建宏印刷有限公司印刷2024年4月第1版第1次印刷 169mm×239mm·25.25印张·489千字标准书号：ISBN 978-7-111-75244-8定价：150.00元 电话服务网络服务客服电话：010-88361066机工官网：www.cmpbook.com010-88379833机工官博：weibo.com/cmp1952010-68326294金书网：www.golden-book.com封底无防伪标均为盗版机工教育服务网：www.cmpedu.com 储能与新型电力系统前沿丛书 编 审 委 员 会 主 任 委 员梅生伟清华大学青海大学副主任委员贺徙中国电力国际发展有限公司 惠东中国电力科学研究院刘建国华北电力大学李建林北方工业大学徐桂芝国网智能电网研究院唐西胜中国科学院电工研究所杨明山东大学刘坚国家发展和改革委员会能源研究所委员袁铁江大连理工大学 徐超华北电力大学年珩浙江大学王承民上海交通大学王青松中国科学技术大学金阳郑州大学耿学文中国电力国际发展有限公司李相俊中国电力科学研究院 前言 人类社会正步入“碳中和”时代，其典型特征是在全球范围内“新能源占比或渗透率不断提高的低碳和零碳电力”逐渐取代石油等化石能源成为现代能源体系的中心，可再生能源在全球电力结构中所占比重不断提高。我国在此领 域 走 在 国 际 前 列，2021年 就 提 出 了《2030年前碳达峰行动方案》 、“构建以新能源为主体的新型电力系统” ，党的二十大报告又提出“加快规划建设新型能源体系” ，新型储能作为典型的新质生产力，是实现电力系统脱碳、安全稳定、经济运行不可 或 缺 的 重 要 支 撑。在此背景下，市场需要新的储能技术或市场业态作为新的灵活性资源筑牢底层支撑保障，大容量中长时储能技术应运而生，将成为储能产业技术创新的迫切需求，并将成为未来电力系统发展的关键驱动力，特别是长时储能，其规模化发展也因此成为各国政府和组织新一轮优先布局的市场阵地。 美国于2021年9月发布了《长时储能攻关计划》 ，旨在10年 内 大 幅 降 低 长 时 储 能 成 本。同 年11月，在《联合国 气 候 变 化 框 架 公 约》第 二 十 六 次 缔 约 方 大 会（COP26）上，BP、比尔·盖茨投资公司领衔，成立了全球长时储能理事会（LDES） ，预测从2025年到2030年是长时储能“市场增长”阶段，到2040年全球可能需要85 ～140TW·h的长时储能。2022年2月，我国发布《 “十四五”新 型 储 能 发 展 实 施 方 案》 ，明 确 提 出：到2025年氢储能、热（冷）储能等长时间尺度储能技术取得突破；针对新能源消纳和系统调峰问题，推动大容量、中长时间尺度储能技术示范；重点试点示范压缩空气、液流电池、高效储热等日到周、周到季时间尺度储能技术，以及可再生能源制氢、制氨等更 长 周 期 储 能 技 术，满足多时间尺度应用需求。2023年8月，中关村储能产业技术联盟牵头成立全国首个长时储能技术专业委员会， 重点关注抽水蓄能、压缩空气储能、重力储能、储热、液流电池、钠流电池和氢储能等长时储能技术路线。以河北、内蒙古、新疆、西藏为代表的国内地方政府近两年政策频出，明确储能长时趋势，鼓励4h以上配储。从技术、政策和市场综合来看，4h以上的新型长时储能技术将逐步进入商业化应用，满足电力系统长时储能的服务需求，长时储能的发展前景可期。 目前国际上对于长时储能没有明确的定义，以“持续放电时间不低于4h的储能技术”的解读居多，为力求涵盖内容范围、描述边界尽可能准确并与未来技术和产业发展的概念兼容，本书中将“持续放电时间不低于4h的储能技术”（对于锂离子电池、钠离子电池等电化学储能，一些应用场景下可扩展至持续放电时间不低于2h的中时间尺度）定义为“中长时储能”并确定为书名，在书中实际行文以“长时储能”作为术语统一代表。目前国内外相关专业书籍极少，国内许多单位在这一领域做出了卓有成效的技术成果和产业化探索，本书以多名国内工作在第一线的优秀中青年工作者的工作为基础，系统性地介绍了国内外主流和前沿相关技术、应用现状及商业模式，既有理论分析，也有丰富的实验结果或实践案例，对未来长时储能的技术创新和规模化应用有着很重要的作用。 本书区别于目前学术界根据物理特性将长时储能分为机械长时储能、长时储热和电化学长时储能三大类的做法，根据技术发展和商业应用成熟度，参考了国内外相关团队的研究报告及文献，分10章展开论述，介绍了9种近期具有良好应用前景的中长时储能技术。每种技术可以独立成篇章，针对性地介绍了各种技术基本运行原理、主要技术路径、当前发展现状、未来研究和应用趋势，并辅以应用场景或典型案例分析，力求深入浅出，使读者有更直观的认识，兼顾了学术界和产业界读者的不同阅读需求。其中，鉴于专为长时储能市场打造的千安时级超大容量电池已经面市，可以满足野外家用、商用及应急使用，本书针对这一市场需求，单设了“移动长时储能”章节；鉴于“液态二氧化碳储能”虽然源于压缩空气储能，但又是明显具有自己独特技术和商业优势的一种新兴前沿技术，且已有典型示范项目建成运行，本书中也将“二氧化碳储能”独立成章；其余技术如“抽水蓄能”“压缩空气储能”等区别于传统介绍方式，关注点更侧重于该领域最新前沿技术研究进展和应用创新。 第1章“长时储能综述”介绍了长时储能的综述，向读者分享本书的写作目的，长时储能的发展历程及战略意义。该章由中国电力国际发展有限公司耿学文、贺徙、母昌程、张琦、张光强撰写。 第2章“抽水蓄能”分析了长期以来在长时储能中占比过半的储能技术路线———抽水蓄能，包括其从20世纪开始的发展历程，到目前的技术现状。该章由华电电力科学研究院有限公司王鸿腾、孟鹏、周捷、王渊博、王磊、郭晨旭撰写。 第3章“锂离子和钠离子储能”着重介绍了电化学储能中常见的锂、钠离子储能路线，从电池关键材料，到相关政策解读与市场研判，对锂离子电池进行深入浅出的分析，并对钠离子电池的未来发展进行展望。该章由清华大学刘凯、侯文会，清华大学合肥公共安全研究院刘生洲、王占，中国电力国际发展有限公司耿学文、贺徙撰写。 第4章“压缩空气储能”介绍了压缩空气储能技术，包括压缩空气储能的基础原理、关键技术、气体存储技术、蓄热及热交换技术，并列举全球成功项目案例，进一步对压缩空气储能技术的角色进行深度剖析。该章由华北电力大学姜彤、崔岩、李一鸣、曹仲然，中国电力国际发展有限公司耿学文、贺徙撰写。 第5章“液流储能”探讨了液流储能技术，包括液流电池的概述、基于不同技术原理的电池分类、电池结构与组成、关键材料，并描述当前液流电池具备的应用场景及案例。该章由长沙理工大学闫苏、贾传坤，中国电力国际发展有限公司耿学文撰写。 第6章“氢储能”围绕氢储能技术，针对目前储氢的必要性进行分析，并对氢能制取、储存、运输和发电四方面的技术现状进行详细介绍，提出合理政策建议。该章由华北电力大学冀天阳、董娅楠、胡明月、董偌怡、孙峻、刘婷、杨成、许传博、刘建国，中国船舶重工集团国际工程有限责任公司朱耿志，烟台大学王磊撰写。 第7章“热储能”介绍了热储能技术，包括不同储热技术对比，以及热储能与其他储能路线的结合应用路径，并详细分析了各种储热技术的经济性、未来发展趋势及发展规模。该章由华北电力大学徐超、廖志荣、于博旭，中国电力国际发展有限公司耿学文撰写。 第8章“重力储能”介绍了重力储能技术，包括基于各种物理形态及空间条件的不同技术路径，并汇集我国针对重力储能领域的相关政策解读，针对其未来发展进行展望。该章由哈尔滨工业大学张鲁、中国电力国际发展有限公司耿学文撰写。 第9章“移动长时储能”梳理了移动长时储能技术的现状，在与供电协同运行中面临的问题，针对大圆柱磷酸铁锂电池进行了详细介绍。该章由山东中惠仪器有限公司李明、东莞市小龙虾电子科技有限公司黄冬平撰写。 第10章“二氧化碳储能”基于最典型自然工质的二氧化碳储能技术，阐述二氧化碳在不同形态下的工作原理，其应用所需的关键设备，进一步分析集成应用技术，为二氧化碳储能技术的工程示范和产业化推广奠定基础。该章由中国科学院理化技术研究所张振涛、郝佳豪、郑平洋、李亚南，北京博睿鼎能动力科技有限公司越云凯、张家俊，中国电力国际发展有限公司耿学文、贺徙撰写。 全书由耿学文、贺徙负责统筹，耿学文、徐超、刘凯统一定稿，哈尔滨工业大学寇宝泉和首航高科能源技术股份有限公司齐志鹏在概念讨论方面、中关村储能产业技术联盟副秘书长岳芬在资料收集方面提供了一定的帮助。 本书可作为高等院校储能科学与工程专业本科生参考教材和培训教材，也可作为相关产业领域的企业管理者、工程技术人员和科研工作者的参考用书。本书涉及的众多内容为当前十分活跃的研究和产业方向，技术迭代和商业模式创新不断涌现，限于编著者水平，书中的内容可能会存在疏忽或不足之处，敬请各位专家、读者批评指正或前来交流。 编著者 目录 前言第1章长时储能综述 1………………………………电力储能………………………………………… 1. 111. 1. 1电力储能发展史1……………………………1. 1. 2储能的战略意义3……………………………1. 2长时储能概览5……………………………………1. 2. 1长时储能的概念5……………………………1. 2. 2为什么要发展长时储能6……………………1. 2. 3长时储能的技术特点8………………………1. 2. 4长时储能的发展现状10……………………1. 3经济测算与发展展望11…………………………1. 3. 1长时储能的发展促进政策11………………1. 3. 2长时储能竞争力分析和经济测算12………1. 3. 3长时储能的发展展望18……………………参考文献21………………………………………………第2章抽水蓄能…………………………………… 抽水蓄能概述 23………………………………… 2. 1232. 1. 1什么是抽水蓄能23…………………………2. 1. 2抽水蓄能的特点23…………………………国内外抽水蓄能