物理储能方式对比分析

目前发展最成熟的是抽水储能。

1.抽水蓄能——最为成熟的储能方式

抽水蓄能是目前最为成熟的储能技术之一，截至 2022 年占全球投运储能项目累计装机 容量比例已达到 77%。抽水蓄能电站将储能和电力发电结合在一起，由水库、水轮机、水泵 以及配套输水系统等组成。其运作原理是由两个不同高度的水库组成，中间由管道连接。在 波谷时，电能被消耗，电动机将其转换成机械能，而在波峰时，通过水流发电并入电网，电 机电泵将水抽到上水库并转化为势能。当电力过剩时，抽水蓄能电站将立即转换为抽水状态， 将电能转换为势能，用电机驱动泵将低处水抽到高处水库中。 抽水蓄能具有技术成熟、成本低、寿命长、容量大、效率高等优点。其储能容量主要取 决于上下水库的高度差和水库容量，而水的蒸发渗漏等现象导致的损失几乎可以忽略不计， 因此抽水蓄能的储能周期得以无限延长，可适用于各种储能周期。根据数据显示，其循环效 率可达 70%-80%。一旦建成，抽水蓄能电站可使用约 100 年，电机设备等预计使用年限在 40-60 年左右。 抽水蓄能有两种主要方式：1）纯抽水蓄能，即国内主流方式，例如广州抽水蓄能电站、 河北丰宁抽水蓄能电站；2）混合式抽水蓄能，在纯抽水蓄能的基础上安装普通水轮发电机 组，可以利用上河道的水流发电，例如雅砻江水电两河口混合式抽水蓄能项目。

国家能源局发布的《抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035 年）》提出，到 2025 年我国 抽水蓄能投产总规模较“十三五”翻一番，达到 0.62 亿千瓦以上；到 2030 年抽水蓄能投产 总规模较“十四五”再翻一番，达到 1.2 亿千瓦左右。 在政策指导下，各省份陆续出台能源发展“十四五”规划，加快推进抽水蓄能电站的建 设。全国规划抽水蓄能目标前五的分别为：陕西省确定“十四五”期间抽水蓄能目标为 13 个抽水蓄能电站，项目装机容量达 1545 万千瓦；安徽省确定“十四五”期间抽水蓄能目标 为 9 个抽水蓄能电站，项目装机容量达 1080 万千瓦；山西省确定“十四五”期间抽水蓄能 目标为 8 个抽水蓄能电站，项目装机容量达 910 万千瓦；广西省确定“十四五”期间抽水蓄 能目标装机容量达 840 万千瓦；浙江省确定“十四五”期间抽水蓄能目标装机容量达 798 万 千瓦。

为适应当前新型电力系统建设和新能源消纳需求，抽水蓄能电站建设同样被确立为“十 四五”时期储能行业发展的重点。2023 年 3 月国家能源局发布《关于加快推进能源数字化 智能化发展的若干意见》，提出要加快水电等传统电源数字化设计建造和智能化升级，推进 智能分散控制系统发展和应用，促进抽水蓄能和新型储能充分发挥灵活调节作用。

目前我国主要的抽水蓄能公司包括粤水电、中国电建、豫能控股、中国能建、桂东电力、 南网储能、长江电力等。还有多项抽水蓄能项目正处于项目建设之中，项目规模大都在 1200- 1800MW。

2.压缩空气储能：十分有潜力的储能方式

压缩空气储能的储能方式是利用过剩的电能来驱动压缩机，将气体压缩为高压状态并储 存在储气装置中。在用电高峰期时，由储气装置释放储存的高压空气，通过燃烧或者换热的 方式，加热压缩气体，将其输送至膨胀机内膨胀做功，推动发电机发电，从而达到削峰填谷 的作用。 压缩空气储能具有启动快速、能量密度和功率密度较高、运营成本低、设备使用寿命长、 损耗低等优点。然而，压缩空气储能的投资回报期较长，需要满足一定的地质条件才能建成， 对于绝热系统而言，蓄热器自放电率较高。 尽管压缩空气储能存在一些缺点，但仍然是一种十分有潜力的储能发电技术，可以为能 源转型和节能减排作出重要贡献。

2022 年 5 月 26 日，由华能江苏建设的压缩空气储能电站，在江苏常州金坛正式投运， 项目建设在地下千米，一期工程储能容量 300MWh，一个储能周期可存储电量 300MWh， 约等于 6 万居民一天的用电量，年发电量约 100GWh，项目远期建设规模将达 1GW。 2023 年 5 月 15 日，湖北省应城由中国能建数科集团主体投资、中南院总承包建设的 300 兆瓦级压缩空气储能电站示范工程完成主厂房基础出零米的重要里程碑节点。该项目充 分利用了应城地区丰富的盐穴资源，将建设一台 300MW/1500MWh 压缩空气发电机组以及 配套的储能发电生产区、辅助生产区及附属基础设施。一期工程建设周期为 18 个月，预计 将于 2024 年 6 月竣工并投入使用。该项目在单机功率、储能规模和转换效率方面均达到世 界领先水平。

3.重力储能：建设周期短，使用寿命长

重力储能利用电动机将固体重物抬升至一定高度，当重物下降时，电动机可逆向操作并 转换为发电机，从而产生电力。该技术能够在一秒钟以内启动并开始发电，效率可达 85%。 理论上，固体重力储能的成本比抽水蓄能和电池储能更低。它是一种非常简单的储能方式， 其原理类似于抽水蓄能，即利用重力势能来储存能量。 重力储能具有原理简单、技术门槛低、储能效率高达 85%、启动快速、使用寿命长等优 点。然而，该技术的能量密度较低，建设规模较大。重力储能所需的高塔平均在一百米以上， 其输出功率仅相当于同等高度的风力发电机。此外，该技术对塔吊的精度要求非常高，需要 在每一块砖的位置误差小于几毫米的情况下控制上千个水泥块。同时，浇筑水泥块会消耗大 量的能源，并会排放大量的二氧化碳，对环境有一定程度的影响。

EnergyVault 公司于 2021 年 10 月宣布，已与美国 DGfuels 公司达成交易，为该公司多 个项目提供共 1.6GWh 的重力储存。该合作将为其带来超过 5 亿美元的收入。2022 年英国 爱丁堡的重力储能公司 Gravitricity 完成了一个与电网互联的 250kW 示范项目，其中采用了 两个重量为 25 吨的重物，悬挂高度最高可达 15 米。Gravitricity 现在计划在捷克共和国开 始建设一个全尺寸的重力储能系统，该系统通过在已停止使用的煤矿中升降一个重量为 1000 吨的重物来实现，其功率可达 8MW，储能容量可达 2MWh。 由中国天楹投资建设的国内首个重力储能应用示范项目预计 2023Q3 在如东并网发电， 该项目落户如东县洋口镇高端装备制造产业园，项目规模为 100MWh。此外中国天楹在 2023 年 3 月与内蒙古自治区乌拉特中旗政府围绕重力储能项目达成战略合作并签署《战略合作协 议》，将在乌拉特中旗落地重力储能项目，项目一期为 100MWh，二期和三期分别达到 1GWh。

4.飞轮储能：响应速度极快、转换效率高

飞轮储能是一种将能量以旋转动能的形式储存于系统中的技术。其运作方式是通过加速 转子（飞轮）至极高速度，当释放能量时，飞轮的旋转速度会降低，而在向系统中贮存能量 时，飞轮的旋转速度则会升高。一般来说，飞轮系统使用电流来控制飞轮速度，其中高能的 飞轮使用高强度碳纤维制成的转子，并通过磁悬浮轴承实现悬浮。这些转子在真空罩内的转 速可达到 20,000-50,000 rpm，可以在几分钟内达到所需的速度。

与其他形式的能量存储相比，飞轮储能系统具有响应速度极快、转换效率高、使用寿命 长等优点。其充放电速度反应极快，能够达到 90%以上的转换效率，使用寿命长。然而，飞 轮储能系统的额定功率较小、成本较高、噪声较大等问题也十分明显。

2022 年 8 月 25 日由东方汽轮机、百穰新能源、西安交通大学能源与动力工程学院、北 京泓慧国际能源公司深入合作打造的全球首个二氧化碳+飞轮储能示范项目正式落地。该项 目占地 1.8 万平方米，相当于两个半足球场大小，其储能规模为 10MW/20MWh，能够在 2 小时内存储 2 万度电。该项目是全球单机功率最大、储能容量最大的二氧化碳储能项目，也 是全球首个二氧化碳+飞轮储能综合能源站。