中长时储能技术 耿学文 贺徙 徐超 刘凯 等编著

《中长时储能技术》一书旨在向储能行业从业者及对此行业感兴趣的读者提供中长时储能技术系统性的介绍。本书共10章,涵盖了长时储能综述、抽水蓄能、锂离子和钠离子储能、压缩空气储能、液流储能、氢储能、热储能、重力储能、移动长时储能及二氧化碳储能等行业内技术路线,系统而详尽地剖析了各技术路线的理论基础、关键技术、应用分类、经济性分析、政策支持、工程项目案例等,每章通过对产业链现状及未来各技术路线深入浅出的介绍,浅析国内外电力行业环境下各技术路线的优势及未来发展方向,探讨了中长时储能的必要性、前瞻性及可广泛部署性。 

未来在以可再生能源为主体的新型电力系统中,可再生能源的比例将超过50%,这对储能设施提出了具备十几小时乃至几天的储能时长的新需求,以满足GW级别的可再生能源并网和长时间削峰填谷的需求。
《中长时储能技术》一书旨在向储能行业从业者及对此行业感兴趣的读者提供中长时储能技术系统性的介绍。本书共10章,涵盖了长时储能综述、抽水蓄能、锂离子和钠离子储能、压缩空气储能、液流储能、氢储能、热储能、重力储能、移动长时储能及二氧化碳储能等行业内技术路线,系统而详尽地剖析了各技术路线的理论基础、关键技术、应用分类、经济性分析、政策支持、工程项目案例等,每章通过对产业链现状及未来各技术路线深入浅出的介绍,浅析国内外电力行业环境下各技术路线的优势及未来发展方向,探讨了中长时储能的必要性、前瞻性及可广泛部署性。

1.耿学文，高级工程师，中国电力国际发展有限公司科技信息与新兴产业中心副主任、新源芯安科技（北京）有限公司副董事长。哈尔滨工业大学信息功能材料与器件博士学位，曾在美国圣母大学、科罗拉多矿业大学、中科院半导体所、阿贡国家实验室进行博士后或访问研究。从事高性能储能材料和器件、电力智能运维、新能源政策等研究。作为章节主要执笔人参与撰写国家重点专项图书和国家级报告各1次，在Journal of Energy Storage、IEEE Internet of Things Journal等期刊发表论文30余篇，获得第十七届全国交通管理现代化创新成果二等奖。

2.贺徙，教授级高级工程师，国家电投集团新能源总工程师，中国电力国际发展有限公司党委书记、执行董事、董事局主席。华北电力大学硕士学位，国家注册一级建造师。现任北京市第十六届人大代表、中国电机工程学会新型电力系统风险控制与安全评估专委会委员、碳中和绿色发展创新平台和中国微能源网协同创新平台常务副主席、中国产学研合作促进会特聘专家、中关村储能产业协会常务副理事长、中国电力企业联合会第七届理事会常务理事，长期从事新型电力系统、新型储能规模化应用、电化学储能安全、低碳综合智慧能源、新能源政策等方面的研究和产业化推广，发表SCI/EI论文10余篇，出版专著1本，先后荣获国家优质工程银质奖、2022年中国产学研合作创新与促进奖产学研合作国家突出贡献奖、2021年度及2022年度储能年度人物。

3.徐超，华北电力大学教授，储能专业带头人。担任国家储能技术产教融合创新平台副主任、高等工程教育新能源与储能工程专业教学委员会副主任委员、北京热物理与能源工程学会传热传质分会主任、及多个SCI期刊副主编/编委。长期从事新能源与储能相关技术研究，发表SCI论文140余篇，授权发明专利18项，获批国家自然科学基金优秀青年科学基金、中组部万人计划青年拔尖人才项目，获得中国工程热物理学会吴仲华优秀青年学者奖、中国可再生能源学会优秀青年科技人才奖等荣誉。

4.刘凯，清华大学化工系副教授，特别研究员，博士生导师。研究方向为高能锂电池电解液和固态电解质。以通讯作者身份在Nature Energy，Nature Communications, Angew Chem Int Ed，Advanced Materials等国际知名学术期刊发表论文20余篇。研究成果多次被Nature Energy等Highlight和报道。入选《麻省理工科技评论》（MIT Technology Review） “35岁以下科技创新35人”(TR35)中国榜单。

目录
前言
第1章长时储能综述
1.1电力储能
1.1.1电力储能发展史
1.1.2储能的战略意义
1.2长时储能概览
1.2.1长时储能的概念
1.2.2为什么要发展长时储能
1.2.3长时储能的技术特点
1.2.4长时储能的发展现状
1.3经济测算与发展展望
1.3.1长时储能的发展促进政策
1.3.2长时储能竞争力分析和经济测算
1.3.3长时储能的发展展望
参考文献
第2章抽水蓄能
2.1抽水蓄能概述
2.1.1什么是抽水蓄能
2.1.2抽水蓄能的特点
2.2国内外抽水蓄能发展历程
2.2.1国外发展历程
2.2.2主要国家抽水蓄能电站发展现状
2.2.3我国发展历程
2.3抽水蓄能技术现状
2.3.1基本原理与工作特性
2.3.2抽水蓄能电站分类
2.3.3抽水蓄能电站枢纽布置
2.3.4抽水蓄能电站设备
2.4我国抽水蓄能方面的政策
2.4.1总体环境介绍
2.4.2国家政策
2.4.3地方政策
2.5抽水蓄能技术发展趋势
2.5.1可变速抽水蓄能技术
2.5.2海水抽水蓄能技术
2.5.3矿井抽水蓄能技术
2.6抽水蓄能电站成本分析
2.6.1固定成本
2.6.2变动成本
2.7电价/商业模式分析
2.7.1抽水蓄能电站的运营模式、优化调度与电价机制
2.7.2抽水蓄能电站商业模式
参考文献
第3章锂离子和钠离子储能
3.1锂离子电池概述
3.1.1锂离子电池的工作原理及特点
3.1.2锂离子电池的发展历程
3.1.3锂离子电池在储能领域中的应用
3.2锂离子电池关键材料
3.2.1锂离子电池正极材料
3.2.2锂离子电池负极材料
3.2.3电解质
3.2.4隔膜
3.3锂离子电池储能相关政策和市场分析
3.3.1锂离子电池储能关键政策
3.3.2锂离子电池储能市场分析
3.4锂离子电池储能在电力系统中的应用及案例
3.4.1锂离子电池储能在电力系统中的应用领域
3.4.2锂离子电池储能在电力系统中的应用案例
3.5储能领域新星——钠离子电池
3.5.1钠离子电池的工作原理
3.5.2钠离子电池的优势
3.5.3钠离子电池的发展现状
3.5.4钠离子电池在储能领域的应用案例
3.6锂离子电池储能发展展望
参考文献
第4章压缩空气储能
4.1压缩空气储能技术背景
4.1.1长时储能技术
4.1.2压缩空气储能的历史回顾
4.1.3新型储能技术的政策支持
4.2压缩空气储能原理及关键技术
4.2.1压缩空气储能的理论基础
4.2.2压缩空气储能的种类
4.2.3先进绝热压缩空气储能技术
4.2.4等温压缩空气储能技术
4.2.5液化压缩空气储能技术
4.3压缩空气储能中的能量储存技术
4.3.1压缩气体储存技术
4.3.2蓄热和热交换技术
4.4压缩空气储能应用项目介绍
4.4.1传统压缩空气储能项目
4.4.2先进绝热压缩空气储能项目
4.4.3等温压缩空气储能项目
4.4.4液化压缩空气储能项目
4.4.5组合式压缩空气储能项目
4.5未来展望
4.5.1未来压缩空气储能的角色定位
4.5.2新型压缩空气储能发展方向
4.5.3未来发展与期望
参考文献
第5章液流储能
5.1液流电池概述
5.1.1液流电池的基本概念
5.1.2液流电池的工作原理
5.1.3液流电池的特点
5.2液流电池的分类
5.2.1水系液流电池
5.2.2非水系液流电池
5.2.3固体浆料液流电池
5.2.4氧化还原靶向反应液流电池
5.2.5金属空气液流电池
5.2.6其他液流电池
5.3液流电池的结构与组成
5.3.1液流电池单电池
5.3.2液流电池电堆
5.3.3液流电池储能系统
5.4液流电池关键材料
5.4.1液流电池电极材料
5.4.2液流电池隔膜材料
5.4.3液流电池双极板材料
5.4.4液流电池导流板
5.5液流电池的应用场景
5.5.1新能源发电并网
5.5.2电网削峰填谷
5.5.3分布式储能
5.5.4应急发电装置
5.6液流储能应用案例
5.6.1重点研发单位
5.6.2代表性企业
5.6.3液流储能电站应用案例
5.7总结与展望
参考文献
第6章氢储能
6.1氢储能的特点及发展必要性
6.1.1氢储能的定义及技术架构
6.1.2氢储能特点分析
6.1.3氢储能必要性分析
6.2氢能制取技术现状和重点突破方向
6.2.1氢储能在制氢环节的诉求
6.2.2制氢技术现状及关键指标对比
6.2.3氢能制取重点突破方向
6.3氢能储存技术现状和重点突破方向
6.3.1氢储能在储氢环节的诉求
6.3.2储氢技术现状及关键指标对比
6.3.3地下储氢重点突破方向
6.4氢能运输技术现状和重点突破方向
6.4.1氢储能在运输环节的诉求
6.4.2运输技术现状及指标对比
6.4.3氢能运输重点突破方向
6.5氢能发电技术现状和重点突破方向
6.5.1氢储能在发电环节的诉求
6.5.2氢能发电技术现状及指标对比
6.5.3氢能发电重点突破方向
6.6氢储能发展建议
参考文献
第7章热储能
7.1热储能技术的原理和特点
7.1.1显热储热
7.1.2相变储热
7.1.3热化学储热
7.1.4不同储热技术对比
7.2热储能在电力储能中的应用路径
7.2.1热储能在电能替代中的应用
7.2.2热储能在太阳能热发电中的应用
7.2.3热储能在火力发电灵活性改造和深度调峰中的应用
7.2.4热储能在压缩空气储能中的应用
7.2.5热储能在卡诺电池储能中的应用
7.3热储能的关键技术及发展现状
7.3.1储热材料
7.3.2储热装置及系统
7.4热储能经济性分析
7.4.1显热储热技术
7.4.2相变储热技术
7.4.3热化学储热技术
7.4.4不同储热技术对比
7.5热储能领域的相关政策
7.6热储能的未来发展趋势
7

前言
人类社会正步入“碳中和”时代,其典型特征是在全球范围内“新能源占比或渗透率不断提高的低碳和零碳电力”逐渐取代石油等化石能源成为现代能源体系的中心,可再生能源在全球电力结构中所占比重不断提高。我国在此领域走在国际前列,2021年就提出了《2030年前碳达峰行动方案》、“构建以新能源为主体的新型电力系统”,党的二十大报告又提出“加快规划建设新型能源体系”,新型储能作为典型的新质生产力,是实现电力系统脱碳、安全稳定、经济运行不可或缺的重要支撑。在此背景下,市场需要新的储能技术或市场业态作为新的灵活性资源筑牢底层支撑保障,大容量中长时储能技术应运而生,将成为储能产业技术创新的迫切需求,并将成为未来电力系统发展的关键驱动力,特别是长时储能,其规模化发展也因此成为各国政府和组织新一轮优先布局的市场阵地。
美国于2021年9月发布了《长时储能攻关计划》,旨在10年内大幅降低长时储能成本。同年11月,在《联合国气候变化框架公约》第二十六次缔约方大会(COP26)上,BP、比尔·盖茨投资公司领衔,成立了全球长时储能理事会(LDES),预测从2025年到2030年是长时储能“市场增长”阶段,到2040年全球可能需要85~140TW·h的长时储能。2022年2月,我国发布《“十四五”新型储能发展实施方案》,明确提出:到2025年氢储能、热(冷)储能等长时间尺度储能技术取得突破;针对新能源消纳和系统调峰问题,推动大容量、中长时间尺度储能技术示范;重点试点示范压缩空气、液流电池、高效储热等日到周、周到季时间尺度储能技术,以及可再生能源制氢、制氨等更长周期储能技术,满足多时间尺度应用需求。2023年8月,中关村储能产业技术联盟牵头成立全国shou个长时储能技术专业委员会,重点关注抽水蓄能、压缩空气储能、重力储能、储热、液流电池、钠流电池和氢储能等长时储能技术路线。以河北、内蒙古、新疆、西藏为代表的国内地方政府近两年政策频出,明确储能长时趋势,鼓励4h以上配储。从技术、政策和市场综合来看,4h以上的新型长时储能技术将逐步进入商业化应用,满足电力系统长时储能的服务需求,长时储能的发展前景可期。
目前国际上对于长时储能没有明确的定义,以“持续放电时间不低于4h的储能技术”的解读居多,为力求涵盖内容范围、描述边界尽可能准确并与未来技术和产业发展的概念兼容,本书中将“持续放电时间不低于4h的储能技术”(对于锂离子电池、钠离子电池等电化学储能,一些应用场景下可扩展至持续放电时间不低于2h的中时间尺度)定义为“中长时储能”并确定为书名,在书中实际行文以“长时储能”作为术语统一代表。目前国内外相关专业书籍极少,国内许多单位在这一领域做出了卓有成效的技术成果和产业化探索,本书以多名国内工作在第一线的优秀中青年工作者的工作为基础,系统性地介绍了国内外主流和前沿相关技术、应用现状及商业模式,既有理论分析,也有丰富的实验结果或实践案例,对未来长时储能的技术创新和规模化应用有着很重要的作用。
本书区别于目前学术界根据物理特性将长时储能分为机械长时储能、长时储热和电化学长时储能三大类的做法,根据技术发展和商业应用成熟度,参考了国内外相关团队的研究报告及文献,分10章展开论述,介绍了9种近期具有良好应用前景的中长时储能技术。每种技术可以独立成篇章,针对性地介绍了各种技术基本运行原理、主要技术路径、当前发展现状、未来研究和应用趋势,并辅以应用场景或典型案例分析,力求深入浅出,使读者有更直观的认识,兼顾了学术界和产业界读者的不同阅读需求。其中,鉴于专为长时储能市场打造的千安时级超大容量电池已经面市,可以满足野外家用、商用及应急使用,本书针对这一市场需求,单设了“移动长时储能”章节;鉴于“液态二氧化碳储能”虽然源于压缩空气储能,但又是明显具有自己独特技术和商业优势的一种新兴前沿技术,且已有典型示范项目建成运行,本书中也将“二氧化碳储能”独立成章;其余技术如“抽水蓄能”“压缩空气储能”等区别于传统介绍方式,关注点更侧重于该领域前沿技术研究进展和应用创新。
第1章“长时储能综述”介绍了长时储能的综述,向读者分享本书的写作目的,长时储能的发展历程及战略意义。该章由中国电力国际发展有限公司耿学文、贺徙、母昌程、张琦、张光强撰写。
第2章“抽水蓄能”分析了长期以来在长时储能中占比过半的储能技术路线——抽水蓄能,包括其从20世纪开始的发展历程,到目前的技术现状。该章由华电电力科学研究院有限公司王鸿腾、孟鹏、周捷、王渊博、王磊、郭晨旭撰写。
第3章“锂离子和钠离子储能”着重介绍了电化学储能中常见的锂、钠离子储能路线,从电池关键材料,到相关政策解读与市场研判,对锂离子电池进行深入浅出的分析,并对钠离子电池的未来发展进行展望。该章由清华大学刘凯、侯文会,清华大学合肥公共安全研究院刘生洲、王占,中国电力国际发展有限公司耿学文、贺徙撰写。
第4章“压缩空气储能”介绍了压缩空气储能技术,包括压缩空气储能的基础原理、关键技术、气体存储技术、蓄热及热交换技术,并列举全球成功项目案例,进一步对压缩空气储能技术的角色进行深度剖析。该章由华北电力大学姜彤、崔岩、李一鸣、曹仲然,中国电力国际发展有限公司耿学文、贺徙撰写。
第5章“液流储能”探讨了液流储能技术,包括液流电池的概述、基于不同技术原理的电池分类、电池结构与组成、关键材料,并描述当前液流电池具备的应用场景及案例。该章由长沙理工大学闫苏、贾传坤,中国电力国际发展有限公司耿学文撰写。
第6章“氢储能”围绕氢储能技术,针对目前储氢的必要性进行分析,并对氢能制取、储存、运输和发电四方面的技术现状进行详细介绍,提出合理政策建议。该章由华北电力大学冀天阳、董娅楠、胡明月、董偌怡、孙峻、刘婷、杨成、许传博、刘建国,中国船舶重工集团国际工程有限责任公司朱耿志,烟台大学王磊撰写。
第7章“热储能”介绍了热储能技术,包括不同储热技术对比,以及热储能与其他储能路线的结合应用路径,并详细分析了各种储热技术的经济性、未来发展趋势及发展规模。该章由华北电力大学徐超、廖志荣、于博旭,中国电力国际发展有限公司耿学文撰写。
第8章“重力储能”介绍了重力储能技术,包括基于各种物理形态及空间条件的不同技术路径,并汇集我国针对重力储能领域的相关政策解读,针对其未来发展进行展望。该章由哈尔滨工业大学张鲁、中国电力国际发展有限公司耿学文撰写。
第9章“移动长时储能”梳理了移动长时储能技术的现状,在与供电协同运行中面临的问题,针对大圆柱磷酸铁锂电池进行了详细介绍。该章由山东中惠仪器有限公司李明、东莞市小龙虾电子科技有限公司黄冬平撰写。
第10章“二氧化碳储能”基于最典型自然工质的二氧化碳储能技术,阐述二氧化碳在不同形态下的工作原理,其应用所需的关键设备,进一步分析集成应用技术,为二氧化碳储能技术的工程示范和产业化推广奠定基础。该章由中国科学院理化技术研究所张振涛、郝佳豪、郑平洋、李亚南,北京博睿鼎能动力科技有限公司越云凯、张家俊,中国电力国际发展有限公司耿学文、贺徙撰写。
全书由耿学文、贺徙负责统筹,耿学文、徐超、刘凯统一定稿,哈尔滨工业大学寇宝泉和首航高科能源技术股份有限公司齐志鹏在概念讨论方面、中关村储能产业技术联盟副秘书长岳芬在资料收集方面提供了一定的帮助。
本书可作为高等院校储能科学与工程专业本科生参考教材和培训教材,也可作为相关产业领域的企业管理者、工程技术人员和科研工作者的参考用书。本书涉及的众多内容为当前十分活跃的研究和产业方向,技术迭代和商业模式创新不断涌现,限于编著者水平,书中的内容可能会存在疏忽或不足之处,敬请各位专家、读者批评指正或前来交流。
编著者