为大规模电网储能技术制定GSES标准和措施

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研究背景

随着社会发展，全球范围内电子电器、电动汽车、空调等使用率不断提高，对电力需求呈指数增长。根据国际能源机构的数据，过去10年里，全球电力消耗以惊人的~3.5%速度增长，2018年发电能力超过了2.5万太瓦时，但其中以不可再生能源为主（煤炭38%，天然气23%和石油3%），相比之下，可再生能源只占相当小的比例（水电17%、风能5%和太阳能2%）。

为应对化石能源燃烧带来的污染问题及资源枯竭问题，联合国巴黎气候变化会议（2015年）为全球快速转向可再生能源系统确立了框架，确保实现可持续发展和避免灾难性气候变化的现实解决方案。在这方面，太阳能和风能被认为是清洁、丰富和分布广泛的可再生能源，可应用于大规模和高容量可再生能源发电机组的供应，从而逐步淘汰以煤炭为主的不可再生能源。

然而，太阳能和风能具有间歇性，与持续的需求不一致，传统复杂的配电网系统需要一系列辅助服务来保证其稳定可靠运行，还需要大量能量储存系统来实时平衡发电和需求。现有的太阳能和风力发电厂对电网系统的影响仍然有限，随着可再生能源在未来30年指数级增长，储能不足的电网将造成从几秒到几小时甚至更长时间的急剧波动，反过来可能破坏电网，从而中断持续的电力供应和消费。因此，开发高效电能储存系统，以弥补电网的不灵活的特点具有重要战略意义。

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成果简介

近期，中科大陈维教授和斯坦福大学崔屹教授在Chemical Reviews上发表了题为“Rechargeable Batteries for Grid Scale Energy Storage”的综述文章。该综述对大规模储能（GSES）领域展开深入讨论和综合思考，制定GSES标准和措施，系统分析实际应用中电池技术的总体要求和关键参数，同时讨论了一些代表性电池技术的最新进展和挑战，这些技术对GSES有促进作用。此外，作者强调了将新兴电池技术从学术界引入工业的重要性，并对GSES应用电池的未来发展进行展望。

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图文导读

图1. 各种GSES系统的发展和特点。(a) 各种GSES技术发展的关键阶段时间线；(b) 不同能量存储场景中最具成本效益的储能技术。

电网能量存储系统的发展现状。自1859年铅酸电池（LAB）发明，并于19世纪80年代融入电网，各类型用于电网规模的储能系统（GSES）已经在不断部署，根据储能场景对装机容量和运行频率要求，一般可分为不间断电源（UPS）、季节性存储、频率调节、可再生能源集成、家用储能、电能时移等。

研究发现，可充电电池具有短期、中期和长期存储应用的实用价值。可充电电池具有施工周期短、体积小等的优点，非常适合在各种分布位置使用，通常包括锂离子电池、Na-S电池、铅酸电池(LABs)、和氧化还原液流电池等。

过去的20年里，电池储能应用呈爆炸式增长，且目前大部分GSES市场仍由相对成熟的锂离子电池主导，但它们还不足以满足各种储能需求。近年来，许多新型电池技术已经出现，展现出在大规模储能应用的巨大潜力，但实际应用受到极大的阻碍。因此，需要一份全面、及时的GSES电池研究指南。
 

图2. 电池存储系统的技术要求和性能要求。

电网能量存储系统的关键要求。电池技术需要满足全面发展的要求，才能转化为工业生产，这也是学术界和工业界最大区别。这些要求包括成本、安全、服务寿命、能量密度、自放电性能、操作温度范围、可回收性等。作者比较了目前四种储能技术，包括钠硫电池，全钒电池，锂离电池和铅酸电池的关键性能参数，都有各自优缺点，锂电池综合性能优异，但锂资源有限，安全性不足，而铅酸电池成本低，安全性高，但使用寿命短等。

图3. GSES电池的学术界和产业界的区别。

电池学界与产业界的区别。尽管学术界强调实验室研究，工业界强调将技术转化为经济消费品，但其共同使命应该是为实现清洁能源蓝图而共同努力。由于缺乏标准和措施，在大多数关于新型电池化学物质的研究中报告的性能值有些偏高，导致学术研究和BESS技术商业化之间存在明显差距：

（1）安全性问题：这是电池技术应用于GSES的前提。

（2）成本问题：许多学术研究中，只追求完美电化学性能，而忽略电池成本。

（3）制备工艺问题：这也是工业应用巨大障碍，包括涉及许多危险化学品或昂贵的制造设备的工艺，难以扩大规模的工艺等。

（4）材料和电池组的制备工艺问题：实验室水平的电池制造通常不太关注电极材料合成的成本和能量消耗，以及它们与工业生产线的兼容性，而这些在GSES电池的大规模生产中至关重要。

（5）电池管理技术：与实验室技术不同，用于高安全性实际应用的电池管理系统必须足够敏感，以补偿热梯度中不均匀老化或电池组平衡期间的生产不匹配。

图4.电网能量存储结构和系统。

电网储能系统应用场景。通过储能应用的深入理解，有望设计出针对不同应用、具有不同特性的BESS技术。图中展示了从能源生产到电力消费的未来电网结构。电网是由发电机和输配电线路组成的复杂网络，这些线路对电力供应和需求的变化作出动态响应，以确保电力始终可靠供应。BESS在可再生农场、发电厂、高压输电线、配电站、微电网、工厂、家庭等领域具有实际而灵活的应用。但是，对于不同实用场景，对电池储能技术的性能要求不同。尽管有这些特性，但为满足当前和未来能源需求，应该高度重视可再生能源的集成体系。

图5.潜在电池储能技术。

电网储能体系中潜在电池技术。尽管有极好的电化学性能，现有四种主要电池储能技术仍然面临各自的缺点。为了缓解相应挑战，研究者已经进行了大量研究，目标是引入新的电池体系设计和组成。“电池树”展示了电池存储领域值得注意的突破性进展。近年来，低成本氢气电池和有机水性技术因其在电网储能方面的优势而极具竞争力。

然而，需要通过深入分析来评估这些技术可行性。为帮助研究界更好地理解固定新兴能源系统并加速其发展，作者针对金属离子电池、铅酸电池、熔盐电池、碱性电池、氧化还原液流电池、金属空气电池和氢气电池的前沿研究和最新进展，综述其工作原理，化学，材料挑战，以及成熟和新兴电池技术的当前发展状况，并评估它们的实用性和创新潜力，以便为电池领域的GSES技术的开发和应用带来一些批判性的思考和重要的指导方针。

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总结与展望

目前，还没有一种理想电池技术能够满足GSES的综合要求。未来需要进行突破性的研究，以解决电池关键性能问题，并使其适用于GSES。尽管存在锂储量减少和安全性差的问题，但锂电池一直是BESS领域历史上最成功的技术之一。考虑到丰富的钠储量，钠电池在GSES领域有补充甚至取代锂电池。

在储能设备的安全性和成本效益方面，液流电池和氢气电池技术在全球工业领域具有未开发的潜力。此外，其他电化学性能不理想的潜在电池技术无法满足大规模商业化的严格要求，需要进一步改进。目前，投入大量资金进行研发，以开发出满足固定和移动储能需求的尖端电池技术，并确保长期回报，是当务之急。

在这方面，政府在BESS研究和示范项目中发挥着关键作用，为建立工业设施和确保精简能源实践提供资金、物资和后勤支持。对VRE的日益增长的倾向被推测是那些寻求提高电网灵活性和最大化可再生资源接入的国家的关键经济驱动力。最后，投资机构和领先的制造企业也将致力于为GSES开发更好的电池技术。

审核编辑：刘清