大规模储能探索之路

十八世纪四五十年代的一天，莱顿大学的马森布罗克进行了一个奇特的试验——用一支枪管悬在空中，用起电机与枪管连着，另用一根铜线从枪管中引出，浸入一个盛有水的玻璃瓶中。当起电机被摇动时，他自己一手拿水瓶子，另一只手去碰枪管，突然，一股强大的力量击打到他的手，让他全身都震动了。由此他得出结论：把带电体放在玻璃瓶内可以把电保存下来。后来，人们把这个瓶子称为“莱顿瓶”，也就是今天我们使用的电池的雏形。不久之后，“莱顿瓶”被美国的本杰明·富兰克林在大名鼎鼎的“风筝试验”中用来收集电能，人类储存电能的梦想由此开启。

储能电站的液流电池车间

如今，我们的生活充满各种各样的电池：干电池、银锌电池、铅酸电池、锂电池……然而在大规模储能方面，我们依然走在探索的路上。

探索之路

近年来，随着风电、光伏发电等可再生能源的大规模应用，储能系统作为破解可再生能源间歇性、波动性的“未来武器”进入人们的视野。如何将更多的新能源纳入大电网，同时还不会危及电网安全稳定？如何将以往调度人员眼中不可控、不可调度的“垃圾电源”变成遵守纪律的“优质电源”？面对这些前瞻性、世界性的难题，国家电网公司将目光锁定大规模储能系统。

“国家电网公司早在2004年就开始研究化学储能，‘十一五’期间部署了储能领域的早期研发，上海市电力公司还联合相关机构进行钠硫电池的研发探索。”中国电科院电工与新材料研究所总工惠东博士向记者介绍。

前期的研究结果认为，电化学储能领域有着潜在而广泛的应用前景，建议以此为切入点进行深入研发。为此，中国电科院成立了电池特性研究室，开始研究液流电池，并从锂离子电池入手开始深入研究。早期研究初步理顺了各种电池的特性和适用对象，还参加了国家相关项目的研究。2009年，液流电池的研究被纳入国家973项目。

惠东说：“以前我们的研究更多集中在电池装置技术方面。在应用方向上，一方面以电池储能为载体，着力提高间歇性可再生能源的利用效率；另一方面用于提升用户侧的电能质量。”2009年，国家电网公司领导与专家一行去日本参观了一个风电加储能的试验项目，深受启发，于是结合张北风电检测中心建立起一个储能实验室研究基地，中心任务就是要搭建一个真实的平台，开展储能和风光相结合的检测研究。

201 1年4月30日召开的风光储项目建设通气会上，储能研究团队作为风光储项目重头的专业性团队，初步梳理了方案，提出了新的设计和建设思路，随后这个方案进一步修正、细化、完善，最终确定了在锂离子电池储能装置中，以比亚迪的6兆瓦×6小时和东莞新能源的4兆瓦×4小时作“能量型应用”，用于低倍率大容量充放电；以中航锂电的3兆瓦×3小时和万象的1兆瓦×2小时作“功率型应用”，用于高倍率大功率充放电。在大量应用技术较成熟的锂电池的同时，放眼世界化学储能技术，采用普能公司的2兆瓦×4小时全钒液流电池，对4兆瓦×6小时的钠硫电池进行国际招标。

如何配比

在储能电站设计之初，一个非常重要的问题摆在面前：多少储能配多少风光？这个比例并不是一个简单的数学问题，一方面，它关系到未来风光储输工程的“海陆空”三军能否相互补充，发挥最佳“作战”效果；另一方面，由于大规模储能电池的价格目前还很昂贵，所以无限量的储能配备并不现实，亦不经济合理，成本问题也必须优先考虑。但是最佳配比问题即使翻遍世界各个试验数据都难以找到现成的答案。

惠东介绍，在利用可再生能源的进程中，新能源与储能相结合的理论和实践，国外亦有尝试。例如日本曾用34兆瓦钠硫电池配比51兆瓦风电场，实现平滑波动等功能，但是这样超过1︰2的配比比例太高，对我国的风光储输项目而言并不经济，违背了经济合理原则。在2006至2007年间，日本还有一则试验，用4兆瓦储能电池配比30兆瓦风电场进行示范，但这个试验中，储能系统只发挥单一的平滑出力功能，效果并不理想，而且试验后这些设备就拆除了，并不作为可再生电源长久使用。之后，国际上有参考价值的项目和试验很少，且都是小规模、更注重用户侧功能的试验而非实践，对我国风光储大规模并网运行、并且更注重发电侧调节的项目而言，可参考性并不强。

经过精密的试验和计算，最终风光储输项目的新能源与储能建设配比方案为：100兆瓦风电、40兆瓦太阳能发电和20兆瓦储能电池。惠东介绍，综合考虑技术风险性、安全性、可实现性、经济可比性和技术灵活性等几方面因素，我们的储能系统采用14兆瓦磷酸铁锂电池、4兆瓦钠硫电池和2兆瓦液流电池，储能总容量达到95兆瓦时。不过，这个数据对于科研人员而言只是一个开端，更精确的配比方案正是这个项目建成后的一项重要试验课题。技术部副主任刘汉民说：“工程投产运行后，将最终试验出风、光、储三者之间的最佳配比。”

如同一道新的菜肴，只有先确定了科学配比、美味可口的菜谱，未来才能用新能源的“原材料”做出人人可品尝的“佳肴”。

集成控制

严格说来，风光储输不仅仅是一个新能源项目，对于我国储能系统而言还是一个试验场，确切地说是世界首个集科研、技术开发、比对、试验以及生产运行为一体的综合平台，承担着多重角色：它是先进电池储能技术的试验应用平台，也是多种电池以不同容量配比协同生产运行的平台，还是不同类型化学电池应用功能效果技术对比平台，是多类型储能监控系统高级应用功能的技术开发平台，还是大规模电池储能系统集成技术的研究平台。

一位来参观的领导曾指出，风光储输示范工程就是要给其他项目做榜样，重要的是“学得会，还要学得起”。这个定位就意味着作为其中重要环节的储能系统，不能仅仅停留在实验室阶段，而要能示范、能通用、能推广。“以前，我们的研究更专注于储能对新能源并网的作用，尽管也有很多突破，但更多是实验室行为，并不涉及经济性和生产能力。如今这么大规模的储能电站建设以及接踵而来的生产运行，迫使科研人员必须考虑电池的生产能力以及未来一段时间电池技术的发展前景。”惠东说。2009年以后，受国内电动汽车快速发展的影响，锂电池发展很快，因此储能电站确定了“化学储能以锂电池为主、钠硫电池和液流电池为辅”的原则，同时综合考虑系统集成技术，如接线方式和方案，对电池应用的特征，包括电池装置控制，以及监控技术和监控系统开发。

集中控制是储能电站的“大脑”，统领管理着储能电站的三种类型、27.5万块电池，这些电池并不是简单地串联在一起，而是需要一套先进的监控系统发出充电、放电等各种指令，并让这些电池如同士兵一样按照指挥统一行动。这个“大脑”就是储能电站监控系统，由中国电科院自主研发。作为储能电站运转的核心中枢，可以实现三种储能系统的统一监控，并在世界上首次实现多类型化学电池储能系统协同配合新能源发电的示范应用，使我国在储能集成控制领域跃入世界前列。

从世界储能技术横向比较，日本在钠硫电池、液流电池和改性铅酸电池储能技术方面处于国际领先水平，美国在锂寓子电池制造及系统集成方面领先，并在电池寿命、性能、原材料以及理论研究等方面方案优于我国，但我国通过风光储输示范工程的建设和运行，在储能集成控制技术应用上已经达到国际领先水平，同时将储能与风和光一起组合并进行商业运用，我国也是首开先河，前景广阔。

近年来，我国一直在电池的制造方面持续投入，虽然日、美的锂电池技术积累深厚，但是业界也流行一句话——“世界锂电看中国”，就是说我国在电池制造的性价比和商业应用方面走在前列。

随着我国电动汽车的大规模推广应用，另一种储能原材料不能忽视，那就是从电动汽车上“退役”下来电池，那些能量不足以启动电动汽车的废旧电池，却完全可以回收到储能电站里发挥余热，这将重新定义电动汽车的电池寿命，亦为储能电站进行新的成本核算增添内容。两条看似无关联的行业，在新的产业领域重合交叠，为未来的经济跨界发展趋势做出完美的印证。

对于储能系统和电池发展的明天，惠东用“大容量、高可靠性、高安全性、长寿命、低成本”几个词勾勒出未来的方向。