01储能简介及应用

储能，是指通过介质或设备把能量存储起来，在需要时再释放的过程。储能系统贯穿于电力发电、输电、配电、用电各个环节，是新型电力系统的必要配置。储能在电力系统的应用场景，主要分为发电侧、输配电侧、用电侧。

发电侧需求场景多：电力调峰、辅助动态运行、系统调频、可再生能源并网等；输配电侧：缓解电网阻塞、延缓输配电设备扩容升级等；用电侧：电力自发自用、峰谷价差套利、容量电费管理和提升供电可靠性等。

 

02储能是新型电力系统的必选项

1、发电侧解决不稳定性

新能源发电不同于传统火电可通过人工调节发电效率，其具有明显的不可控性、不稳定性，在并网时会对电网造成巨大电流冲击损伤电网，因而解决不稳定性成为清洁能源发展的核心瓶颈。在发电侧，储能系统大多配备于大型集中式电站，用以缓解这一技术瓶颈。一方面，储能系统可以通过将不能消纳的多余电量存储起来，按需求调度放电时点来实现“削峰填谷”，解决弃风弃光问题。

另一方面，储能系统可以频繁充放电或快速响应调频信号，来实时调整新能源发电的短时输出及功率，缓解电网短时间内的调频、调峰压力。

2、输配侧作为扩容装置或后备装置，提升线路可调节性及安全性

输配侧配置储能能够扩充线路容量，在日常应用中缓解线路阻塞，并且储能的暂时性扩容作用能够延缓或免去对老旧线路的替换需求，减少支出。同时，储能设备也可作为后备装置应用于变电站中，在外部交流电中断时提供后备直流电，提高可靠性及安全性。

3、用户侧可有效利用电价差异，降低用电成本

在用户侧，储能多应用于分布式光伏或风电装置。基于分时电价体系或容量费用体系，用户在电价较低的时段发电储存，以满足电价较高时段的用电需求，以此来实现总体用电成本的降低。

此外，用户侧另一重要应用即“微电网”，将分布式电源、储能、能量转换装置等汇集成小型发配电系统，与总电网相分离，就近消纳、减少对总电网冲击等作用。

 

图 | 储能与电力市场公众号，浙商证券研究所
 

03储能技术路径及未来趋势分析

根据能量存储形式，储能包括物理储能、电化学储能、化学储能、电磁储能和热储能，其中电化学储能是最主要的储能方式，电化学储能是指二次电池储能，包括锂离子电池、钠离子电池、铅蓄电池和液流电池等；物理储能包括抽水蓄能、压缩空气和飞轮储能等。
 

 

不同技术路径各有优劣，适用于不同应用场景。电化学储能的额定功率和存储电量较为灵活，但普遍存在安全或环保问题，主要用于新能源消纳、峰谷价差套利、电力系统调峰调频以及UPS等领域。物理储能普遍寿命较长，但响应时间显著慢于电化学储能和电磁储能，主要用于电力系统调峰领域。

图 |《派能科技招股说明书》，《电力系统自动化》，华鑫证券研究

1、氢储能

氢储能基本原理是将水电解得到氢气并储存起来，当需要电能时将储存的氢气通过燃料电池或其他方式转换为电能输送上网。电解水制氢需要大量电能，成本远高于传统制氢方式，但因为可再生能源并网的不稳定性，我国具有严重的弃风、弃光问题，利用风电、光伏产生的富余电能制氢可以有效的解决电解水制氢的成本问题，并解决风光电的消纳，因此氢储能正逐渐成为我国能源科技创新的焦点。

但目前我国缺少方便有效的储氢材料和技术，且氢储能能量转换效率较低，因此目前应用较少，能否解决这两方面的问题将成为氢储能未来能否获得更多份额的关键。

 

2、物理储能

物理储能通过物理方法对能量进行存储，需要时再将物理能转化为电能。物理储能主要包括重力储能、抽水蓄能、飞轮储能和压缩空气储能。

（1）重力储能

重力储能介质主要分为水和固体物质，基于高度落差对储能介质进行升降来实现储能系统的充放电过程。除较成熟的抽水蓄能外，主流重力储能方式为EnergyVault（EV）提出的储能塔，其利用起重机将混凝土块堆叠成塔，通过混凝土块的吊起和吊落进行储能和释能。根据EV官网信息，其储能塔能源效率可达90%，可以在8-16小时内以4-8MW连续功率放电，实现对电网需求的高速响应。

 

（2）抽水蓄能

抽水蓄能电站包含上下两个水库，在电力负荷低谷时利用过剩的电力抽水至上水库，高峰时将水放出，利用水从上水库流向下水库时产生的物理能发电，从而达到调峰的作用。抽水蓄能可以实现能量的大规模存储，因此广泛应用于电力系统调峰。但由于其响应速度较慢，初始投资高，且受地理选址限制，因此未来发展空间有限。

 

（3）飞轮储能

飞轮储能在储能时，电能驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式将能量存储起来；释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，完成物理能到电能的转换。飞轮储能比功率大，使用寿命长达15-30年，且响应速度可以达到毫秒级。因此飞轮储能主要用于调频和UPS。但因为其能量密度低且备电时长无法超过30分钟，因此无法应用于大规模储能电站。

 

（4）压缩空气储能

压缩空气储能技术源于燃气轮机技术。用电低谷通过电动机带动压缩机将空气压缩并储存于储气室中，使电能转化为空气的内能以存储；用电高峰时，高压空气从储气室释放，进入燃料室同燃料一起燃烧，驱动透平做工，带动发电机发电。

压缩空气储能是抽水蓄能之后另外一项适合GW级大规模电力储能的技术，除存储能量高之外，还具有能量密度和功率密度高、运营成本低、使用寿命长等优点，但与抽水蓄能类似，压缩空气储能也受地理条件限制，需要高气密性的洞穴作为储气室，这也进一步限制了压缩空气储能的发展。
 

 

3、电化学储能

电化学储能即通过电化学反应完成电能和化学能之间的相互转换，从而实现电能的存储和释放。目前主要应用的储能电池主要包括铅酸蓄电池、液流电池和锂离子电池等，未来钠离子电池随产业链成熟也将逐步应用于储能。

（1）铅酸电池

铅酸电池是以二氧化铅为正极、金属铅为负极、硫酸溶液为电解液的一种二次电池，发展至今已有150多年历史，是最早规模化使用的二次电池。铅酸电池的储能成本低，可靠性好，效率较高，广泛应用于UPS，也是我国早期大规模电化学储能的主导技术路线。但因为铅酸电池循环寿命短、能量密度低、使用温度范围窄、充电速度慢，且铅金属对环境影响较大，铅酸电池未来应用将会受极大程度限制。

 

（2）液流电池

液流电池技术路径包括全钒液流电池、铁铬液流电池、锌溴液流电池等，其中，全钒液流电池综合性能最佳、商业化程度最高。液流电池正、负极电解液储罐独立分离，放置在堆栈外部，通过两个循环动力泵将正、负极电解液通过管道泵入液流电池堆栈中并持续发生电化学反应，通过将化学能与电能进行相互转换作用来完成电能的储存和释放。液流电池功率取决于电极反应面积大小，存储容量则取决于电解液体积与浓度，故液流电池规模大小设计更为灵活多变。因此，在长时储能方面，全钒液流电池将具备成本优势，较锂电池等其他技术路径具差异化竞争优势。

 

（3）锂离子电池

锂离子电池通过锂离子在正负极电极材料中的嵌入和脱嵌实现能量存储。锂离子电池能量密度较高，寿命长，因此正逐渐成为电化学储能的主流路线。根据正极材料的不同，锂离子电池又分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元电池等。

磷酸铁锂电池在储能领域综合优势显著，其能量密度适中，安全性、使用寿命均优于其他电池类型，且成本较低；钴酸锂电池因金属钴的稀缺性价格远高于其他电池，且循环寿命、安全性差，因此在储能领域几无应用；锰酸锂电池能量密度与磷酸铁锂电池相近，价格虽低于磷酸铁锂，但使用寿命低导致其全生命周期度电成本高于磷酸铁锂电池，故应用较少；三元电池能量密度远高于其他电池类型，使用寿命也可以达到8-10年，但安全性相对较差，成本远高于磷酸铁锂电池，因此在不需要极高能量密度的储能领域，应用前景弱于磷酸铁锂电池。

 

（4）钠离子电池

钠离子电池工作原理与锂离子电池类似，利用钠离子在正负极之间嵌脱过程实现充放电。钠离子电池相对磷酸铁锂电池安全性能、低温性能、快充性能更高，成本更低，且钠资源远比锂资源丰富且遍布全球各地，若钠离子能够广泛应用，我国将很大程度上摆脱目前锂资源受限的情况。

钠离子电池劣势主要体现在循环次数较低和产业链不成熟。目前钠电池循环寿命普遍在2000-3000次，产业链不成熟则导致上游价格较高，钠电池成本优势无法显现。

 

4、小结：

综合而言，抽水蓄能、锂电池、钠电池与全钒液流电池，四者的发展空间较大。

具体来看，在大规模调峰方面，抽水蓄能具有全生命周期成本优势，将继续成为主流选择；后三者则将广泛与风电、光伏配合使用，全钒液流电池主要用于4小时以上长时储能，钠电池将在大型储能电站中对锂电池形成一定替代，对能量密度敏感性较高的工商业与家用储能中，锂电池仍将占主导地位。

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