储能的市场空间及核心技术

以下为常见的储能形式关键技术节选介绍。

抽水蓄能-关键技术

我国大型抽水蓄能电站工程建设技术取得了长足进步。大型抽水蓄能电站地下洞室群、水力系 统快速机械化施工技术成熟应用，国产盾构机在 2020 年首次实现在抽水蓄能电站成功应用后，到 2021 年底已在 8 个抽水蓄能项目推广应用。超高水头、超大容量抽水蓄能机组设计制造安装技术取得新突破，国内单机容量最大(400 MW)700 米级水头的阳江抽水蓄能机组攻克了长短转轮叶片与导叶匹配技术、双鸽尾结构磁极技术、 磁轭通风沟锻件整体铣槽工艺、磁轭鸽尾槽预装后整体铣槽工艺等新型制造和安装技术，机组稳定 性指标优越，达到国际领先水平。 抽水蓄能电动发电机技术取得新突破，分数极路比绕组技术在国内首次成功应用于黑龙江荒沟 抽水蓄能电站，与常规绕组方式相比，可优化电站电气系统配置，改善发电电动机性能，定子绕组 布局合理，提高定子线棒刚强度，机组安装与维护更方便。 抽水蓄能机组安装及调试技术也取得新进步，梅州抽水蓄能电站在机组施工过程中通过安装调 试措施优化，创造了从项目开工至首台机投产仅用时 41 个月的国内抽蓄建设工期新纪录。

压缩空气储能-关键技术

压缩空气储能的关键技术主要包括压缩机技术、蓄热换热器技术、膨胀机技术、系统集成与控 制技术等。 2021 年，中国科学院工程热物理所依托国家能源大规模物理储能研发中心建成了压缩机实验与 检测平台，测试平台系统压力测量范围 0.5～110 bar (1 bar=0.1 MPa)，转速测量范围 0～40000 r/min，功率测量范围 0～10 MW，具有开展单/多级压缩机气体动力学、力学性能、压缩机与换热 设备的耦合特性、压缩系统变工况控制规律、压缩系统性能检测以及特殊工质压缩机性能等功能。 依托该实验平台，中国科学院工程热物理所研制了 10 MW 先进压缩空气储能系统用 10 MW 级六级 间冷离心式压缩机(最大工作压力 10 MPa，效率为 86.3%)、10 MW 级四级再热组合式透平膨胀级(最 大入口压力为 7 MPa，效率为 88.2%)、高效超临界蓄热换热器(蓄热量达 68 GJ，蓄热效率为 97.3%)， 并应用于肥城 10 MW 盐穴压缩空气储能商业电站。 中国科学院工程热物理所还攻克了 100 MW 级先进压缩空气储能系统的宽工况组合式压缩机技 术、高负荷轴流式膨胀机技术、高效蓄热换热器技术，以及系统集成与控制技术，研制出国际首套 100 MW 系统压缩机、膨胀机和蓄热换热器，目前正在开展张家口示范系统的集成调试。

储热储冷-关键技术

在储热储冷材料制备技术方面，基于碳化硅、黑刚玉与高岭土等材料研制出可在 1100 ℃条件下 安全使用的储热陶瓷颗粒材料；在熔盐储热材料方面，重点开展了低熔点二元熔盐、低熔点高温三元熔盐体系研究。Guo 等研发了碱金属和碱土金属的氯化物熔盐体系，实现了 700 ℃下氯化物熔盐 对 316 不锈钢的腐蚀速率低于 205.37 μm/年；还开展了复合相变、定形相变和仿生相变储热材料研 究，提出了基于纳米颗粒、多孔仿生陶瓷、共晶盐体系的比热容和热导率协同提升方法，导热系数 可达 116 W/(mK)；在太阳能热化学储热方面，韩翔宇等开展了 Co3O4/CoO 等金属氧化物反应物 体系和钙基热化学储热的动力学研究；Liu 等实现了太阳能直接驱动光热转换与热化学储热一体化。 在储热储冷装置设计技术方面，贺明飞等研究了大容量长周期跨季节储热，进行了蓄热水体承 重浮顶热力耦合特性和逆斜温层控制技术研究；Guo 等研究了土壤跨季节储热的传蓄热机理和结构 参数；Zhu 等和 Liu 等研究了换热器、热管等相变储冷储热强化技术，Chen 等开展了高效动态冰浆 蓄冷换热性能研究与性能优化等。 在系统控制与优化方面，研究人员开展了储热储冷应用于太阳能热发电、火电调峰、风电消纳、 分布式能源系统等领域的能源系统设计、参数优化和运行调控策略等方面研究；张涵等研究了热泵 储电、卡诺电池等以热能和冷能存储电能的新型储能系统；林酿志等和徐德厚等开展了基于水体和 土壤等方式的大容量长周期跨季节储热研究，建立了考虑技术经济性的储热供热系统性能分析方法。

飞轮储能-关键技术

关键技术方面，国内学者的研究重点在大储能量飞轮本体、高速电机和调节控制技术等方面。 中国科学院工程热物理研究所突破了大储能量飞轮及高速电机关键技术，完成了 500 kW/180 MJ 飞轮储能工程样机方案设计及关键部件研制。武汉理工大学刘鸣等进行了磁悬浮飞轮中位移检测信 号工频干扰分析及消除研究，提出一种变步长算法进行滤波处理和扰动消除可达到实时消除工频干 扰的效果。陈仲伟等基于双馈电机驱动的飞轮储能多功能柔性功率调节器(FPC)设计了一套励磁控制 系统，该系统能够实现软启动，适合于带飞轮储能的双馈电机励磁控制系统。沈舒楠等为解决飞轮 储能用电机齿槽转矩大，高速运行时铁芯损耗高的问题，提出一种外转子无铁芯无轴承永磁同步电 机，相较于传统的有铁芯电机运行稳定性更好。由中海油新能源二连浩特风电有限公司牵头，中国 科学院工程热物理研究所、清华大学等单位参与的内蒙古自治区重大专项“MW 级先进飞轮储能关 键技术研究”完成了系统方案设计及工程样机研制，预计将于 2022 年并网发电。

铅蓄电池-关键技术

高电化学活性和铅炭兼容的新型碳材料方面，开发了适用于硫酸环境、大孔和中孔结构合理、 高的比表面利用率和良好的离子电导性的新型碳材料，良好的铅炭相容性，使负极具备较高的析氢 过电位，抑制析氢失水的副反应。 在宽温区、超长寿命、高能量转换效率、低成本的铅炭储能电池方面，开发了负极长循环配方 技术，抑制硫酸盐化。开发更耐腐蚀的正极板栅合金，提升正极耐腐蚀寿命，并改善合金表面氧化 层，提高界面导电性。 在高电压大容量系统集成技术方面，实现了电池系统电压高于 1500 V，单簇系统容量高于 3 MW·h，系统能量转换效率不低于 90%。 在铅炭储能系统集成技术及智能管理技术方面，突破了充放电智能管理技术，使电池运行在合 理的区间内，并延长系统使用寿命。

锂离子电池-关键技术

在关键技术方面，正负极材料、快充技术、半固态电池技术等是当前技术研发的重点。在正极 材料方面，从短期发展来看，高镍主流材料为 NCM811，随着对能量密度要求的进一步提升，Ni88、 Ni90、Ni92 等正极材料已实现研发和量产，Ni96 等超高镍产品(镍含量≥90%)正在研发中。高镍/ 超高镍搭配硅碳新型负极，电芯的质量能量密度达到了 350～400 W·h/kg。在负极材料方面，纳米 硅碳负极材料实现了高首效、长寿命、低膨胀。在快充技术方面，蜂巢新能源宣称通过革新锂电池 正负极、电解液等关键材料，可实现充电 10 min，续航 400 km。在半固态电池研发方面，蔚来发 布了基于原位固态化技术的 150 kW·h 的动力锂电池技术，电芯能量密度达 360 W·h/kg 以上，使 得搭载该电池的 ET7 轿车单次充电续航达到 1000 km 以上。北京卫蓝新能源与浙江锋锂开发的混合 固液电解质锂离子储能电池也达到了一万次的循环寿命，并实现了 100 kW·h 的小型储能系统的示范。

液流电池-关键技术

面对双碳背景下新型电力系统对储能的重大需求，2021 年我国在液流电池领域技术研发领域投 入明显增加。以中国科学院大连化学物理研究所、大连融科储能技术发展有限公司、北京普能公司 为代表的单位在新一代高功率密度全钒液流电池关键电堆技术以及高能量密度锌基液流电池等方面 取得重要进展。开发出新一代可焊接全钒液流电池技术，较传统全钒液流电池，其膜材料选择可焊 接多孔离子传导膜，双极板采用可焊接双极板，实现电堆的高效、自动化集成，系统可靠性进一步 提高，电堆成本降低 40%；全钒液流电池的单个电堆功率超过 50 kW，单个储能标准模组的功率达 到 500 kW，有望继续增加到 1 MW，这为降低系统集成成本、进一步推进液流电池产业化应用具 有重要的意义。此外其他体系包括锌基液流电池和铁铬液流电池等也取得重要成果，相继开展了相 关应用示范。

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