儲(chǔ)能——新能源的“孿生兄弟”

能源，是與國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和國家安全緊密相關(guān)的重大話題。當(dāng)前，擺在我們面前的現(xiàn)實(shí)矛盾是一直依賴的化石能源日益枯竭，且傳統(tǒng)能源利用方式引起的環(huán)境惡化日趨嚴(yán)重。一個(gè)典型的例子是近年來霧霾天氣在我國出現(xiàn)得日益頻繁，已經(jīng)嚴(yán)重影響了國民健康，這也使得人們對(duì)清潔能源的需求更為迫切。因此，節(jié)約化石能源、提高化石能源利用效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排以及研究開發(fā)和大規(guī)?？稍偕茉?，實(shí)現(xiàn)能源多樣化成為世界各國能源發(fā)展戰(zhàn)略的共識(shí)。

在哥本哈根世界氣候大會(huì)上，美國作為發(fā)達(dá)國家的代表承諾2020年溫室氣體比2005年減排17%，我國作為發(fā)展中國家的代表承諾2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值碳減排40%~45%。新能源和節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)已被定為我國的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

在相關(guān)政策的大力推動(dòng)下，我國新能源產(chǎn)業(yè)有了較快發(fā)展。尤其是風(fēng)能、太陽能發(fā)電裝機(jī)容量大幅增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年，我國新增風(fēng)電裝機(jī)容量16088.7兆瓦，同比增長24.1%，截至2013年末，累計(jì)裝機(jī)容量91412.89兆瓦，同比增長21.4%。新增裝機(jī)和累計(jì)裝機(jī)兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均居世界第一。據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，截至2013年末，累計(jì)并網(wǎng)太陽能裝機(jī)容量14790兆瓦。僅2013年，我國太陽能新增并網(wǎng)裝機(jī)容量11300兆瓦，年度新增裝機(jī)容量為全球第一。

但是，可再生能源的快速發(fā)展給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定挑戰(zhàn)。風(fēng)能、太陽能發(fā)電輸出具有隨機(jī)性、間歇性的非穩(wěn)態(tài)特性，對(duì)于電網(wǎng)側(cè)來說，不像火力發(fā)電廠那樣能夠按照發(fā)電計(jì)劃輸出功率，滿足電網(wǎng)負(fù)荷與發(fā)電平衡的調(diào)度需求。因此，大規(guī)模可再生能源集中并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰和運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生較大沖擊，造成部分已建成的新能源設(shè)施不能如期并網(wǎng)運(yùn)行，不僅給設(shè)施投資建設(shè)企業(yè)造成巨大損失，而且造成大量的“棄風(fēng)”和“棄光”，嚴(yán)重影響新能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。風(fēng)能、太陽能等可再生能源的并網(wǎng)消納已經(jīng)成為發(fā)展的瓶頸問題。

儲(chǔ)能技術(shù)是電力系統(tǒng)發(fā)展歷程中一直渴望的技術(shù)，它可將間歇的、不穩(wěn)定、不可控的可再生能源變成穩(wěn)定、可控，高電能質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)能源，真正實(shí)現(xiàn)清潔能源、穩(wěn)定電力的美好愿景。

為此，儲(chǔ)能技術(shù)也和新能源、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一起并稱為第三次工業(yè)革命的核心技術(shù)，是能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的電能存儲(chǔ)器。當(dāng)前，美國、日本等發(fā)達(dá)國家都在集國家之力，從資金、政策等方面為大型工業(yè)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造條件，力爭在第三次能源變革中占據(jù)先機(jī)。2012年，美國能源部制定了詳細(xì)的儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。美國加州儲(chǔ)能法案規(guī)劃2020年儲(chǔ)能裝機(jī)容量將達(dá)到最大電力負(fù)荷的5%，并制定了諸如儲(chǔ)能電價(jià)、稅收減免等激勵(lì)政策，推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。日本政府在2013年度啟動(dòng)首批能源特別追加預(yù)算，投入286億日元（約3.6億美元），實(shí)施大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)在間歇式電源接入、電網(wǎng)調(diào)峰、分布式供電領(lǐng)域用應(yīng)用示范驗(yàn)證。據(jù)國際權(quán)威資訊機(jī)構(gòu)麥肯錫預(yù)測(cè)，2025年儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)全球經(jīng)濟(jì)價(jià)值貢獻(xiàn)將超過1萬億美元，市場前景廣闊。

液流電池——儲(chǔ)能大家族中的中堅(jiān)力量

在儲(chǔ)能大家族中，按照技術(shù)類型劃分，主要包括物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能。各種儲(chǔ)能技術(shù)具有不同的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。物理儲(chǔ)能主要包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能。這兩種儲(chǔ)能技術(shù)具有規(guī)模大、壽命長、安全可靠、運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，建設(shè)規(guī)模一般在百兆瓦級(jí)以上，儲(chǔ)能時(shí)長從幾小時(shí)到幾天。其中抽水儲(chǔ)能是目前在電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ)能方式，全球總裝機(jī)容量達(dá)127吉瓦，占儲(chǔ)能總裝機(jī)容量的99%。但兩種儲(chǔ)能方式都需要特殊的地理?xiàng)l件和配套設(shè)施，建設(shè)的局限性較大?；瘜W(xué)儲(chǔ)能相比于物理儲(chǔ)能具備系統(tǒng)簡單、安裝便捷以及運(yùn)行方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，建設(shè)規(guī)模一般在千瓦～百兆瓦級(jí)別，液流電池、鋰電池、鈉硫電池、鉛炭電池是目前電力系統(tǒng)用儲(chǔ)能的主流技術(shù)。

液流電池是由美國科學(xué)家thallerl.h.（nasalewisresearchcenter）于1974年提出的一種電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。液流電池是通過活性物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。充電時(shí)，正極發(fā)生氧化反應(yīng)，活性物質(zhì)價(jià)態(tài)升高；負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)，活性物質(zhì)價(jià)態(tài)降低。放電時(shí)則正好相反，正極發(fā)生還原反應(yīng)，活性物質(zhì)價(jià)態(tài)降低；負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，活性物質(zhì)價(jià)態(tài)升高。與傳統(tǒng)二次電池直接采用活性物質(zhì)做電極不同，液流儲(chǔ)能電池的電極均為惰性電極，只為電極反應(yīng)提供反應(yīng)場所，活性物質(zhì)通常以離子狀態(tài)存儲(chǔ)于電解液中。正極和負(fù)極電解液分別裝在兩個(gè)儲(chǔ)罐中，通過送液泵實(shí)現(xiàn)電解液在管路系統(tǒng)中的循環(huán)。運(yùn)行過程中，全液態(tài)液流電池氧化還原反應(yīng)表現(xiàn)為離子價(jià)態(tài)的變化，沉積型液流電池表現(xiàn)為金屬的沉積與溶出。