新型储能技术进展与挑战 II：物理储能与储热技术

百科 2024-12-20 14:58 北京

【中文】巨星,徐超,郝俊红,等.新型储能技术进展与挑战Ⅱ：物理储能与储热技术[J].太阳能,2024,(08):48-58.

摘要：新型储能技术日益成为中国建设新型能源体系和新型电力系统的关键技术，已成为中国经济发展的新动能，将在促进可再生能源消纳、实现能源体系转型、提高能源利用效率、减少环境污染等方面发挥重要作用，相关技术研究也在快速发展。开展了该领域的系列评价性综述工作，分为电化学储能技术、物理储能与储热技术、储能集成与规划3个部分，对各类新型储能技术的应用领域、最新研究进展及局限性等问题进行了全面系统的对比分析，并进一步探讨了储能集成、安全、规划调度等储能系统相关领域面临的挑战及发展趋势。第2部分为物理储能与储热技术，重点对物理储能与储热技术中的压缩空气储能、飞轮储能、重力储能、相变储热、热化学储热和卡诺电池技术与工程的相关成果进行了综合分析与讨论。总体而言，物理储能和储热技术大多具有使用寿命长、安全性高的特点，且在能量转化过程中自身多具有转动惯量，属于电网支撑型的储能技术，可满足从大规模长时储能到高功率快速响应的不同需求。在新兴的物理储能和储热技术中，重力储能和卡诺电池的相关技术显示出良好的发展前景。

关键词：储能技术；物理储能；压缩空气储能；飞轮储能；重力储能；相变储热；热化学储热；卡诺电池

中图分类号：TK02 文献标志码：A

全面系统地对比分析各种储能技术的应用领域、技术特性、技术成熟度、挑战和局限性具有重大意义，有助于明确新型储能技术未来主要的发展方向，为从事储能技术研究攻关的科研工作者提供参考与借鉴。基于此，本工作开展新型储能技术领域的系列评价性综述，以新型储能技术的现状、发展和面临的挑战为主线，重点分为电化学储能技术、物理储能与储热技术、储能集成和规划3个部分，对新型储能技术领域发展的热点问题等进行综述与讨论。新型储能技术发展迅速，其市场份额从2019年的不足8%上升至2023年的超过30%。其中，物理储能和储热技术以熔盐储热、压缩空气储能和飞轮储能为代表，各自市场份额占新型储能技术市场份额的比重分别为3.0%、0.9%和0.2%[1]。本文为该系列论文的第2部分——物理储能与储热技术，主要针对压缩空气储能、飞轮储能、重力储能、相变储热、热化学储热和卡诺电池的应用领域、最新研究进展及局限性等问题进行讨论。

1）在物理储能技术方面：压缩空气储能(CAES)技术近年来取得了显著的进步，在中国，该技术的商业化项目正在快速推进，比如：张家口100MW先进压缩空气储能示范项目的成功并网，标志着压缩空气储能技术正逐步进入商业化应用阶段[2]。飞轮储能技术因具有功率密度大、使用寿命长和响应速度快的优点，特别适用于电力系统的频率调节和短时能量平衡。近年来，真空环境和磁悬浮轴承技术的应用大幅减少了摩擦损失和能量消耗，进一步提升了储能效率[3]。重力储能技术作为一种新兴的储能方式，具有环保、安全、可靠等优点，针对该技术的研究重点主要集中在系统设计优化、材料选择和施工技术等方面，以提高储能效率和降低成本。

2)在储热技术方面：随着新型相变材料(PCM)(例如：有机相变材料、纳米复合相变材料等)的研发，相变材料的储热密度、热稳定性和循环性能均得到显著提升[4]，相变储热技术在太阳能利用、建筑节能、电力调峰等领域的应用也日益广泛。热化学储热技术具有能量密度高、储能时间长等优点，近年来，随着新型热化学储热材料(例如：金属氧化物、氢氧化物等)的开发、热化学储热系统的集成，以及反应器的优化，热化学储热技术的储能效率和稳定性均得到提高[5]，在太阳能热发电、工业过程热管理等领域获得应用。卡诺电池技术结合了热力循环和储热技术，是一种新型的大规模储能系统，具有更高的理论储能效率和灵活性。随着热力循环技术的优化和储热材料的改进，卡诺电池的储能效率和经济性均得到了提升[6]，其在电网调峰、冷热电联供等领域具有广阔的应用前景。

1物理储能技术

1.1压缩空气储能

压缩空气储能技术是利用压缩空气存储能量的物理储能技术，具有容量大、安全性高、使用寿命长的特点，是一种可与抽水蓄能相媲美的大规模长时储能技术[7]。由于传统的非补燃式压缩空气储能技术存在依赖化石能源燃烧及储能效率低等问题，近年来，绝热压缩空气储能技术、等温压缩空气储能技术和液化压缩空气储能技术等先进压缩空气储能技术引起了广泛研究[8-9]。其中，绝热压缩空气储能技术的发展最为成熟，目前已达到300MW级的电站示范阶段，系统设计额定效率达到了72.1%[10]；液化压缩空气储能技术目前处于10MW级的电站示范阶段；等温压缩空气储能技术目前处于1MW级的试验示范阶段。

当前，众多研究主要集中在构建压缩空气储能与风电、聚光太阳能热发电及光伏发电等可再生能源电力集成的耦合系统方面，对其开展了理论分析，并探讨了通过与外部热源及有机朗肯循环发电等集成的方式来进一步提高系统效率的系统设计[11-12]。在关键部件层面，研发主要针对适应压缩空气储能动态运行特性的高效空气压缩机和膨胀机，同时也有大量针对新型蓄热器的研发工作[13-14]。

然而当前大部分的压缩空气储能技术研究仍停留在理论研究层面，缺乏与储能电站试验数据进行充分的对比研究，尤其是关键数据(例如：储能效率)的理论值与试验值仍存在较大偏差。同时，实际储能电站接入电网后的储释能动态过程、储能电站与可再生能源发电场站集成的动态和试验示范等研究仍有待深入开展[15]。

1.2飞轮储能

飞轮储能技术具有功率密度大、使用寿命长、响应速度快、全寿命期成本低等特点。该技术的适用场景包括充当不间断电源、稳定电压、电网辅助调频、平抑新能源发电输出功率等[16]。由于单台飞轮的功率容量有限，不能满足各场景需求，因此通常以阵列形式应用。单台飞轮及飞轮储能阵列的结构示意图如图1所示。

在飞轮储能技术的相关研究中，Zhang等[17]探究了初始偏心对飞轮转子的影响。胡东旭等[18]通过实验验证了兆瓦级飞轮轴系结构的稳定性。林大方等[19]设计了复杂工况下储能飞轮转子的传力支承结构，解决了复杂工况下的设计难题。Wei等[20]提出了基于自抗扰控制的直流母线电压控制策略，提升了飞轮储能系统的性能。Qin等[21]通过研究发现在大规模风电并网的情况下，

飞轮储能技术可使电网频率偏差减少57.1%，波动范围减少53.8%，提升了电网频率质量。洪烽等[22]通过将飞轮储能技术用于火电机组协调控制系统模型，降低了系统频率偏差，并延长了设备的使用寿命。梁志宏等[23]优化了飞轮储能系统的磁轴承性能，通过工程应用验证了电力级大功率飞轮储能系统耦合火电机组联合运行的协调控制策略及其经济性。

在大功率高速飞轮本体方面，尚存在以下技术难点需要突破，具体为：1)计及效率、安全性、储能量和成本的大功率高速飞轮的转子系统优化设计与制造技术；2)真空环境下大功率高速电机的冷却与绝缘技术；3)复杂工况下，高可靠、强抗扰的飞轮轴系振动抑制技术。

在电网调频应用方面，尚存在以下技术难点需要突破，具体为：1)飞轮单机高动态响应控制技术；2)飞轮储能阵列功率一致性及宽功率域稳定控制技术；3)面向电网主动支撑的飞轮储能阵列协同调控和能量管理技术。

1.3重力储能

重力储能的工作原理与抽水蓄能的工作原理类似，但其采用固体储能介质，摆脱了抽水蓄能受地理条件限制的问题，适用于风光资源丰富且地理环境复杂的新能源大基地，具有长时储能、大容量储能、储能介质无衰减、建设周期短、使用寿命长及环境友好等优势。

虽然重力储能的工作原理简单，但其形式多样，根据固体储能介质(即储能质量块)的运行轨迹，重力储能可分为垂直式重力储能和斜坡式重力储能两大类[24-25]，工作原理示意图如图2所示。图中：h1、h2、h3分别为加速区、匀速区、减速区的高度；m为储能质量块的质量；h为斜坡高度；为斜坡倾角。

按储能塔不同的结构形式，垂直式重力储能可细分为塔式、矩阵式及竖井式重力储能[26]；按固体储能介质不同的传动方式，斜坡式重力储能可细分为斜坡轨道式、悬架缆车式与斜坡缆轨式重力储能[27]。

国际方面，瑞士EnegyVault(EV)公司、英国Gravitricity公司、美国AdvancedRailEnergyStorage(ARES)公司、奥地利IIASA研究所[25]与美国EnergyCache公司[28]都开展了针对不同类型重力储能实现路径的研究。2019年，瑞士EV公司在瑞士的提契诺州建设了5MW/35MWh储能塔式重力储能系统，并于2020年实现并网验证；同年，该技术被世界经济论坛评为“2020年技术先锋”之一[29]，并在此后成为全球新型储能技术研究的热点。

国内方面，中电普瑞电力工程有限公司、华北电力大学、国网新疆电力有限公司联合开展了斜坡式重力储能系统的方案设计与控制技术研究[30]；国网江苏省电力有限公司经济技术研究院和华北电力大学联合开展了垂直式矩阵型重力储能系统并网关键技术的研究[31]；中国南方电网贵州电网有限责任公司(下文简称为“南网贵州电网公司”)、华北电力大学联合开展了斜坡式重力储能系统的关键技术及工程全景方案设计[32]；华北电力大学、中国科学院电工研究所等单位也联合开展了垂直式和斜坡式重力储能系统的方案设计、并网及运行控制技术的相关研究[25-26,30-32]。

在垂直式重力储能应用方面，中国天楹股份有限公司(下文简称为“中国天楹公司”)引进EVx技术方案，在江苏省投资建设了全球首个百兆瓦时重力储能示范工程——如东25MW/100MWh垂直式重力储能项目。该工程于2023年9月封顶，并于2024年5月完成首套充放电单元的测试。同时，中国天楹公司拟在甘肃省张掖市、酒泉市，河北省张家口市怀来县建设3套垂直式重力储能示范工程。2024年4月，中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司拟在河北省张家口市赤城县建设60MW/360MWh竖井式重力储能示范工程，并与华北电力大学签署了重力储能全场景动模实验平台共建合作协议[33]。

在斜坡式重力储能应用方面，美国ARES公司建设了50MW/12.5MWh的斜坡轨道式重力储能示范工程；美国EnergyCache公司建设了50kWh的悬架缆车式重力储能工程；南网贵州电网公司建设了基于链式传动的10kW斜坡轨道式重力储能样机。

重力储能具体分类及应用情况如图 3 所示。

重力储能的技术挑战在于如何突破储能质量块重量与势能位高度的限制，在考虑低成本、短周期、长时、大容量、高储能效率的前提下，设计储能质量块重量、储能高度差与构筑结构的最佳组合及最优结构；同时，重力储能的机电耦联系统复杂，使机网(即重力储能发电电动机与电网之间)互动与精密控制的难度大，亟待突破系统建模理论、系统能效提升、机网联合调控等核心技术，为国产化重力储能的成套方案设计与示范工程建设提供技术支撑。

2储热技术

2.1相变储热

相变储热技术在建筑节能、电子器件及锂电池的热管理、工业余热回收、电力储能等领域具有广泛的应用前景[34-35]。相变储热的基本原理是利用材料相变潜热的释放与吸收来存储热量，具有储热密度高、温度变化小的特点。由于传统相变储热材料本身具有导热系数低、易泄露等问题，因此新型相变储热材料的开发和改性增强，以及相变储热单元的设计及强化传热成为当前相变储热的研究热点。

在新型相变储热材料的开发和改性增强方面，在储热材料中添加高导热系数的纳米材料(例如：二氧化硅纳米颗粒及碳纳米管)制备高性能纳米复合相变储热材料、与高导热系数的材料基体(例如：石墨烯及膨胀石墨等)复合制备定型复合相变储热材料，以及利用化学或物理化学等方法对相变储热材料进行微封装，将其制成高储热性能的核壳结构相变微胶囊是当前研究最多的相变储热材料的改性增强方式[36-38]。

在相变储热单元的强化传热方面，在相变储热装置内添加各式各样的高导热翅片，添加多孔泡沫导热系数金属，施加超声波、电场及磁场等外部场手段，以及施加外部压力或旋转等方式都是相变储热单元强化传热的常见手段[39-40]。

虽然已有的研究结果表明了相变储热材料的性能及相变储热单元的储热、释热速率都有所提升，但是相变储热材料改性增强后的循环稳定性及其导致的成本提升给相变储热技术的推广带来了难题[35]。因此，在深入理解各种增强方式的机理上，寻找兼具性能与经济性的相变储热技术是研究人员面临的重要挑战。

2.2热化学储热

热化学储热是利用可逆反应，将高温热能转换为化学能并储存于反应介质中，需要使用时再通过逆向热化学反应将化学能逆转成热能，并释放出来[41]，示意图如图4所示。图中：A、B、C代表不同物质；ΔH为焓值。与显热储热和潜热储热相比，热化学储热具有储热密度高、储热时间长、能量损失小等优点[42]。因此，热化学储热技术在具有波动性的绿色能源整合、太阳能热发电系统，以及工业余热回收和再利用等多个方面都具有广泛的应用前景。

当前，针对热化学储热技术的研究众多，研究领域主要涉及储热材料和反应器等方面。

目前已开发的热化学储热循环有70种以上，具有较宽的适用工作温度范围和较大的储热密度范围。常见热化学储热材料的储热密度与工作温度对比如图5[43]所示。华北电力大学、南京航空航天大学、上海交通大学、浙江大学等院校对碳酸盐[42,44]、氢氧化物[45]、水合盐热分解[46]和金属氧化物[47]等典型热化学储热体系开展了研究，并通过实验验证了各热化学储热体系的可行性。

热化学储热系统的储能效率在很大程度上取决于反应器的选择和设计[48]。目前，已开发的典型反应器类型主要有：固定床反应器[49]、流化床反应器[50]、回转窑反应器[51]、旋风反应器[52]等，如图6所示。

其中，固定床反应器的结构简单，是目前热化学储热系统中应用最广泛的反应器；流化床反应器的应用也较为广泛；回转窑反应器和旋风反应器均属于动力辅助反应器，在动力辅助反应器中发生热化学反应时，多余的热量能及时被导出，具有较强的传热能力和较好的反应能力。

热化学储热技术的研究大多数仍处于实验室研究、初试及中试阶段。中国在热化学储热领域的研究仍处于起步阶段，尚未有规模化应用的商业热化学储热技术，众多基础科学问题和应用技术仍待发展。

2.3卡诺电池

卡诺电池(也称为热泵储电，pumpedthermalelectricitystorage，PTES)基于经典热力学循环，通过“电-热-电”转换实现电能的大规模储存。以基于布雷顿循环的卡诺电池技术为代表，其工作原理为：通常采用气相工质作为充放电循环的工质；在储能期间，可逆压缩机与膨胀机组成高温度比的热泵，通过充电循环将输入的电能转换为热能存储在储热单元中；在释能期间，可逆压缩机作为热机，将热能转换为电能进行输出利用。布雷顿循环卡诺电池系统具有储能温度高、往返效率(即电-电转换效率)高、结构简单等优点，是当前最主流的高温卡诺电池系统[53]。

卡诺电池技术不受地理条件和材料限制，成本低廉，有望实现吉瓦时级的电量储存。此外，将卡诺电池技术与燃煤发电机组的热力系统集成，能提升燃煤发电机组的调峰性能，适用于燃煤电厂退役改造为储能电站。

为了降低压缩机中的升温比和提高循环效率，通常采用回热循环，因此在卡诺电池系统中设置回热器，即回热卡诺电池系统。以液态工质作为储能介质的回热卡诺电池系统通过外部换热器向环境散热，其布局图及温度-比熵(T-s)图如图7所示。图7a中的箭头表示系统充能过程中工质的流动方向，释能过程中工质的流动方向与之相反。

杨鹤等[54]以氮气作为充放电循环工质，基于遗传算法实现了回热卡诺电池系统的往返效率、储能密度、功率密度的多目标优化。利用LINMAP决策方法在帕累托(Pareto)前沿解集中确定了该回热卡诺电池系统集成的最优运行方案，优化后系统的往返效率为65.6%、储能密度为25.6kWh/m3、功率密度为2.45MW•(m3/s)-1，提升了往返效率并相应降低了储罐、储能介质、绝热材料和占地面积的成本。

卡诺电池经常处于非额定工况状态，需深入研究其动态特性，但当前研究多集中在稳态热力学与控制参数方面，针对动态特性的研究不足。Yang等[55-56]基于涡轮机械和换热器模型建立了卡诺电池系统动态模型，通过采用库存控制策略，对电功率和负荷扰动进行研究，并通过张北地区风电场数据验证，证明了该库存控制策略的可行性和有效性。

利用卡诺电池代替燃煤发电机组锅炉[57]，构成了熔盐卡诺电池储能发电系统[58]。此类系统选用高温热泵系统作为电转热部分，以高低温熔盐系统作为储热部分[59]，同时保留燃煤电厂的发电循环作为热转电部分。熔盐卡诺电池储能发电系统的布局图如图8所示，该系统通过可再生能源电厂的“弃电”或电网的低谷电驱动压缩机将循环工质绝热压缩为高温高压状态，高温工质通过换热器加热熔盐，进而将热量储存于高温熔盐罐中；熔盐流体加热蒸汽后，高温高压蒸汽驱动汽轮机发电。熔盐卡诺电池储能发电系统有效利用了原燃煤电厂的设备，降低了改造成本，在可再生能源消纳、储电系统建设方面具有巨大应用潜力，并可为退役后的燃煤电厂提供新的利用途径[60]。

熔盐卡诺电池储能发电系统的工作原理是基于经典热力学循环，其热泵系统的系统参数对制热系数和储能性能至关重要。为优化熔盐卡诺电池储能发电系统的储能效率、储能密度，需对循环参数、工质的选择、高温储热技术，以及强化传热技术进行深入研究；同时，大容量极端高温热泵制热技术和关键装备(例如：压缩机/膨胀机)也需突破。

3总结与展望

作为新型储能技术领域系列评价性综述的第2部分，本文对重要的物理储能与储热技术的应用领域、最新研究进展及局限性等问题进行了阐述和讨论。总体而言，物理储能和储热技术大多具有使用寿命长、安全性高的特点，且在能量转化过程中自身多具有转动惯量，属于电网支撑型的储能技术，可满足从大规模长时储能到高功率快速响应的不同需求。在新兴的物理储能和储热技术中，重力储能和卡诺电池的相关技术显示出良好的发展前景。

1)压缩空气储能技术取得了显著进展，尤其是绝热压缩空气储能技术已达到300MW规模级电站示范阶段，系统设计额定效率高达72.1%。该领域面临的挑战主要包括：在关键数据(例如：储能效率)上理论值与试验值存在较大偏差，对实际储能电站接入电网后的储释能动态过程及其与可再生能源发电场站集成的研究不足。未来研究需加强试验验证，优化系统设计，以推动压缩空气储能技术的进一步发展。

2)飞轮储能技术的研究聚焦于飞轮本体设计、控制策略及电网应用，实现了系统稳定性验证和频率质量提升。然而，大功率高速飞轮面临转子系统优化、冷却与绝缘技术、振动抑制等挑战，而电网调频也需要突破单机高动态响应、飞轮储能阵列功率一致性及协同调控等难点，以实现更高效、可靠的能源存储与管理。

3)重力储能技术通过固体介质突破了地理限制，建设周期短且环境友好。国内外企业与研究机构在垂直式和斜坡式重力储能系统方面取得显著进展，并建设多个示范工程。在技术发展方面还需要进一步优化设计与构筑结构，并突破机网互动与精密控制等核心技术，为重力储能技术的广泛应用提供技术支撑。

4)相变储能技术以其高储热密度和温度稳定性在建筑节能领域展现出广泛的应用前景。当前研究集中在新型相变储热材料的开发、改性增强，以及相变储热单元的强化传热方面。然而，循环稳定性和成本问题仍是相变储热技术推广应用的挑战，寻找兼具性能与经济性的相变储热技术是未来研究的重要方向。

5)热化学储热技术以其高储热密度、长储热时间和低能量损失展现出巨大潜力，目前的研究方向涵盖了多种热化学储热体系和反应器类型；优化反应器设计、开发新型反应器是提高储热效率的关键。

6)卡诺电池技术基于热力学循环实现电能与热能的转换储存，具有理论清晰、无地理条件和材料限制的优势，尤其在吉瓦时级电量储存和燃煤机组改造方面展现出巨大应用潜力。目前，该技术仍需深入研究系统参数优化、工质选择、高温储热技术及强化传热技术，并突破大容量、高性能系数(COP)的极端高温热泵制热技术和关键装备的研发，克服这些挑战将有助于卡诺电池技术的广泛应用。

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